(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル穴を有するノズル板、および、前記ノズル穴に連なる圧力室を備え、
単結晶圧電体膜からなるユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータが、前記圧力室を構成する側面および底面にわたって連続して形成され、
前記圧力室の少なくとも両側面において前記単結晶圧電体膜の分極方向が前記圧力室の壁面に対して直交しており、
前記圧力室の壁を形成する前記ユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータの外面を、柔軟性を有する樹脂保護層で覆ったことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
単結晶ＭｇＯ基板の表面にエッチングにより凹部を形成する工程、
前記凹部の内壁に単結晶圧電体膜をヘテロエピタキシャル成長させる工程、
前記単結晶圧電体膜を覆うように振動板を成膜する工程、
少なくともノズル穴を有する部材を前記振動板に貼り合わせる工程、
及び、前記単結晶ＭｇＯ基板の少なくとも一部を除去する工程を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記圧力室の壁を形成する前記ユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータの外面を、柔軟性を有する樹脂保護層で覆う工程を有することを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法に関するものであり、特に、ユニモルフ型圧電アクチュエータを立体的に配置した高ノズル密度化が可能なインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ファクシミリ、複写機等の情報機器端末としてのプリンタ装置として、印字に伴う騒音の発生しないインクジェット型プリンタ装置がオフィス内での使用に適していると注目されている。
【０００３】
この様なインクジェット型プリンタ装置としては、インクを加熱素子によって瞬間加熱，気化させて気泡を発生させ、その圧力でインクをノズルから飛翔させるバブルジェット方式と、インクを圧電素子の変形を利用し、その変形力でノズルから飛翔させるピエゾ方式があり、これらのプリンタは、インク粒子を噴出させる発熱素子や圧電素子を電子回路によって駆動している。
【０００４】
この内、バブルジェット方式の場合には、構造が簡単で、駆動部の面積が小さく、高ノズル密度化に有利であるが、使用できるインクが限定されるとともに消費電力が大きいという問題があり、且つ、発生力の精密な制御が困難であるため印字画質が良くないという問題がある。
【０００５】
一方、従来のピエゾ方式の場合、インクの利用範囲が広く、また、発生力の精密な制御が容易であるため高画質印字ができるという長所がある反面、バルブジェット方式に比べ駆動部の面積が大きく、ノズル密度で不利であるという問題がある。
【０００６】
そこで、近年、ピエゾ方式において微小ドット化、高ノズル密度化を図るため、ＰＺＴ（ＰｂＺｒx Ｔｉ1-x Ｏ3 ）膜等の圧電体薄膜によるユニモルフ型アクチュエータを用いるピエゾ方式インクジェットヘッドが提案されているので、図７を参照して従来のピエゾ方式インクジェットヘッドを説明する。
【０００７】
図７参照
図７は従来のピエゾ方式インクジェットヘッドの概略的断面図であり、振動板４１、圧力室４３に対応する凹部を有する第１隔壁形成部材４２、インク供給路４５及びインク供給口４６に対応する凹部を有する第２隔壁形成部材４４、インク供給路４５及びインク流路４８に対応する凹部を有する第３隔壁形成部材４７、及び、ノズル穴５０を設けたノズル板４９によって圧力室４３及びインク流路４８等を形成する。
一方、振動板４１の圧力室４３に対応する位置の表面にＰＺＴ等からなる薄膜圧電体５１を設けるとともに、その上に個別電極５２を設けることによってユニモルフ型圧電アクチュエータが構成される。
【０００８】
この様なピエゾ方式インクジェットヘッドにおいて、共通電極を兼ねる振動板４１と個別電極５２との間に駆動信号を印加することによって、薄膜圧電体５１が収縮し、それによって、振動板４１が図においては太い破線で示すように変形し、圧力室４３の圧力が増してインク粒子がノズル穴５０から吐出されるものである。
【０００９】
さらに、この様なピエゾ方式インクジェットヘッドにおいて、薄膜圧電体５１として単結晶圧電体を用いることによって、圧電特性、耐圧、耐応力を高め、低電圧で大きな変位量、発生力が得られる高性能のアクチュエータを利用することも提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、薄膜圧電体として単結晶圧電体を用いた場合にも、圧電体は圧力室の底面に平面的に配置しているので駆動部の面積が大きく、３００ｄｐｉ（ドット／インチ）程度が高ノズル密度化の限界であるという問題がある。
【００１１】
したがって、本発明は、駆動特性を低下させることなく、高ノズル密度化を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１は、ピエゾ方式インクジェットヘッドの概略的断面図である。
図１参照
上記の目的を達成するために、本発明においては、圧力室１の少なくとも両側面に単結晶圧電体膜２、特に、少なくとも両側面において分極方向が側面に対して直交している単結晶圧電体膜２からなるユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを配置したことを特徴とする。
【００１３】
この様にユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを立体的に配置することによって、駆動部の面積に関係なく圧力室１の幅及びピッチを小さくすることができる。
【００１４】
特に、少なくとも両側面において分極方向が側面に対して直交している単結晶圧電体膜２を用いることによって、駆動能力を最大限に高めることができる。
また、圧力室１の壁を形成するユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータの外面を、柔軟性を有する樹脂保護層で覆うことが、好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、インクジェットヘッドの製造工程において、単結晶ＭｇＯ基板の表面にエッチングにより凹部を形成し、この凹部の内壁に単結晶圧電体膜２をヘテロエピタキシャル成長させ、次いで、単結晶圧電体膜２を覆うように振動板３を成膜したのち、少なくともノズル穴５を有する部材４を振動板３に貼り合わせ、次いで、単結晶ＭｇＯ基板の少なくとも一部を除去することを特徴とする。
【００１６】
この様に、単結晶ＭｇＯ基板を用いることによって、単結晶圧電体膜２の分極方向が圧力室１の側面に対して直交するように配向させることができる。
即ち、（１００）面を主面とする単結晶ＭｇＯ基板を用いた場合には、ＭｇＯの熱膨張係数が単結晶圧電体膜２の熱膨張係数よりも大きいため、冷却過程で単結晶圧電体膜２に圧縮応力が作用し、ｃ軸が側面に垂直に配向した正方晶の単結晶圧電体膜２が得られる。
【００１７】
また、菱面体晶となる組成比の単結晶圧電体膜２を用いた場合には、基板として（１１０）面を主面とする単結晶ＭｇＯ基板を用いることによって、分極方向である〈１１１〉方向が側面に直交するように配向した単結晶圧電体膜２を得ることができる。
なお、単結晶ＭｇＯ基板は圧力室１の変位が良好に起こるように最終的には少なくとも一部、特に、圧力室１の周囲に位置する部分を除去すれば良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の第１の実施の形態のピエゾ方式のインクジェットヘッドの製造工程を説明する。
図２（ａ）参照
まず、主面が（１００）面の単結晶ＭｇＯ基板１１に、Ａｒ＋ＣＣｌ4 をエッチングガスとした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を施すことによって、例えば、幅３０μｍ、深さ６０μｍ、長さ５００μｍの圧力室用凹部１２を〈１００〉方向と平行になるように、１／６００インチ（≒４２．３μｍ）のピッチで形成する。
したがって、圧力室用凹部１２の側面も（１００）面となる。
【００１９】
図２（ｂ）参照
次いで、ＣＶＤ法によって、全面に、厚さが、例えば、０．１μｍのＰｔ膜をヘテロエピタキシャル成長させたのち、イオンミリングを施すことによってＰｔ膜を個々の圧力室に対応するＰｔ個別電極１３を形成する。
【００２０】
図３（ｃ）参照
次いで、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、全面に、厚さが、例えば、１μｍで、ＺｒとＴｉのモル比がＺｒ：Ｔｉ＝４５：５５の単結晶ＰＺＴ膜１４をヘテロエピタキシャル成長させる。
【００２１】
図３（ｄ）参照
図３（ｄ）は図３（ｃ）の拡大図であり、高温の成膜工程においては、ＰＺＴ膜は立方晶であるものの、ＭｇＯの熱膨張係数がＰＺＴの熱膨張係数よりも大きいため、冷却過程で単結晶ＭｇＯ基板１１が図において矢印で示すように収縮するときに、ＰＺＴに圧縮応力が作用し、分極方向であるｃ軸が単結晶ＭｇＯ基板１１の〈１００〉方向と一致するように配向した正方晶の単結晶ＰＺＴ膜１４となる。
なお、この場合、圧力室用凹部１２の底面においても単結晶ＰＺＴ膜１４のｃ軸は底面の法線方向となる。
【００２２】
図４（ｅ）参照
次いで、ＣＶＤ法によって、全面に、厚さが、例えば、２μｍのＣｒ膜を堆積させ、共通電極を兼ねるＣｒ振動板１５を形成する。
【００２３】
図４（ｆ）参照
次いで、予めノズル穴１８及びインク供給路１９を形成した、厚さが、例えば、６０μｍのステンレス製のノズル板１７を接着剤１６を用いてＣｒ振動板１５に接着する。
【００２４】
図５（ｇ）参照
Ｈ3 ＰＯ4 を用いたウェット・エッチングを施すことによって、単結晶ＭｇＯ基板１１を全て除去する。
【００２５】
図５（ｈ）参照
次いで、圧力室２０において、単結晶ＰＺＴ膜１４が電圧印加によって変位できる程度の柔らかさを有する樹脂、例えば、シリコーン樹脂をコーティングすることによって圧力室２０を保護する樹脂保護層２１を形成する。
【００２６】
以降は図示しないものの、インク供給パイプ及び配線用フレキシブルケーブルを接続してヘッドセグメントとする。
この様なヘッドセグメントを、紙送り機構、インクタンク、ヘッドクリーニング・パージ機構を有するプリンタ装置に取り付けることによって、ピエゾ方式のインクジェットプリンタが完成する。
【００２７】
この試作ヘッドを用いてインク飛翔特性を評価したところ、粒量４ｐｌ（ピコリットル）、周波数５０ｋＨｚ、粒速８ｍ／秒であった。
また、粒量を変えて同じ粒速が得られるように駆動信号の波形を制御して粒量制御を試みた結果、周波数５０ｋＨｚ、粒即８±１ｍ／秒で、１ｐｌの粒量が得られた。
【００２８】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、ｃ軸配向した単結晶ＰＺＴ膜１４からなるユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを立体的に配置しているので、６００ｄｐｉ程度の高ノズル密度化した場合にも優れたインク飛翔特性が得られる。
【００２９】
また、ユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを構成する圧電体を単結晶ＭｇＯ基板１１の結晶方位及び熱膨張係数の差を利用して圧力室２０の壁面に分極方向であるｃ軸が垂直になるように自然に配向させているので、優れた圧電特性が得られ、それによって、低電圧駆動が可能になる。
【００３０】
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施の形態を説明するが、単結晶ＭｇＯ基板の結晶方位及び単結晶ＰＺＴ膜の結晶構造が異なるだけで、他の製造工程は上記の第１の実施の形態と同様であるので説明は簡単にする。
【００３１】
図６（ａ）参照
まず、主面が（１１０）面の単結晶ＭｇＯ基板３１に、Ａｒ＋ＣＣｌ4 をエッチングガスとしたＲＩＥを施すことによって、例えば、幅３０μｍ、深さ６０μｍ、長さ５００μｍの圧力室用凹部３２をその側面が（１１１）面になるように、１／６００インチ（≒４２．３μｍ）のピッチで形成する。
【００３２】
次いで、上記の第１の実施の形態と同様に、ＣＶＤ法によって、全面に、厚さが、例えば、０．１μｍのＰｔ膜をヘテロエピタキシャル成長させたのち、イオンミリングを施すことによってＰｔ膜を個々の圧力室に対応するＰｔ個別電極３３を形成する。
【００３３】
次いで、ＭＯＣＶＤ法によって、全面に、厚さが、例えば、１μｍで、ＺｒとＴｉのモル比がＺｒ：Ｔｉ＝６０：４０の菱面体晶の単結晶ＰＺＴ膜４４をヘテロエピタキシャル成長させる。
なお、ＰＺＴにおいては、Ｚｒ／Ｔｉ比が大きくなると菱面体晶となり、Ｚｒ／Ｔｉが小さくなると正方晶となるので、Ｚｒ／Ｔｉ比を制御することによってＰＺＴの結晶構造を決定することができる。
【００３４】
図６（ｂ）参照
図６（ｂ）は図６（ａ）の拡大図であり、圧力室用凹部３２の側面においては、単結晶ＭｇＯ基板３１の側面の結晶方位を引き継いで菱面体晶の単結晶ＰＺＴ膜３４は〈１１１〉配向することになる。
また、圧力室用凹部３２の底面においては、単結晶ＭｇＯ基板３１の底面の結晶方位を引き継いで菱面体晶の単結晶ＰＺＴ膜３４は〈１１０〉配向することになる。
【００３５】
この場合、菱面体晶の単結晶ＰＺＴ膜３４の分極方向は〈１１１〉方向であり、圧力室用凹部３２の側面においては、側面の法線と分極方向が一致するので優れた圧電特性が得られる。
また、圧力室用凹部３２の底面においては、〈１１０〉配向しているが、〈１１０〉方向と〈１１１〉方向とは約３５°しか傾いていないので、圧電素子として有効に作用する。
【００３６】
以降は、上述の図４（ｅ）乃至図５（ｈ）の工程を経ることによって、上記の第１の実施の形態と同様のインクジェットヘッドが得られる。
【００３７】
この様に、本発明の第２の実施の形態においては、Ｚｒ／Ｔｉ比を制御して菱面体晶の単結晶ＰＺＴ膜３４を形成する際に、単結晶ＭｇＯ基板１１の結晶方位を考慮することによって、単結晶ＰＺＴ膜３４の分極方向である〈１１１〉方向配向するようにしているので、上記の第１の実施の形態と同様の飛翔特性を得ることが可能になる。
【００３８】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は上記の各実施の形態における構成に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、単結晶ＭｇＯ基板を最終的に全て除去しているが、必ずしも全て除去する必要はなく、機械的強度を確保するために、圧力室周辺部においては全て除去するものの、他の部分には残存させても良いものである。
【００３９】
また、上記の各実施の形態においては、圧電層となるＰＺＴを良好な膜質の得られるＭＯＣＶＤ法を用いて成膜しているが、ＭＯＣＶＤ法に限られるものではなく、ＥＣＲスパッタ法を用いても良いものである。
【００４０】
また、上記の各実施の形態においては、圧電材料として、圧電定数が大きく、弾性係数及び機械的強度の大きなＰＺＴを用いているが、ＰＺＴに限られるものではなく、ＰＺＴと同系のＰｂを含むペロブスカイト酸化物を用いても良いものである。
【００４１】
また、上記の各実施の形態においては、振動板として硬いＣｒを用いているが、Ｃｒに限られるものではなく、Ｎｉ−Ｃｒを用いても良いのであり、さらには、インクに対する耐性が高く、高弾性係数及び高破壊強度のＴｉＮ膜を用いても良いものである。
【００４２】
ここで、再び図１を参照して、本発明の付記を説明する。
（付記１）  圧力室１の少なくとも両側面に単結晶圧電体膜２からなるユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを配置したことを特徴とするインクジェットヘッド。
（付記２）  上記単結晶圧電体膜２からなるユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータが、上記圧力室１の底面にも配置させていることを特徴とする付記１記載のインクジェットヘッド。
（付記３）  上記単結晶圧電体膜２が、上記圧力室１の少なくとも両側面において分極方向が側面に対して直交している単結晶圧電体膜２からなることを特徴とする付記１または２に記載のインクジェットヘッド。
（付記４）  上記単結晶圧電体膜２が、正方晶からなり、上記圧力室１の少なくとも両側面においてｃ軸配向していることを特徴とする付記３記載のインクジェットヘッド。
（付記５）  上記単結晶圧電体膜２が、菱面体晶からなり、上記圧力室１の少なくとも両側面において〈１１１〉配向していることを特徴とする付記３記載のインクジェットヘッド。
（付記６）  単結晶ＭｇＯ基板の表面にエッチングにより凹部を形成する工程、前記凹部の内壁に単結晶圧電体膜２をヘテロエピタキシャル成長させる工程、
前記単結晶圧電体膜２を覆うように振動板３を成膜する工程、少なくともノズル穴５を有する部材４を前記振動板３に貼り合わせる工程、及び、前記単結晶ＭｇＯ基板の少なくとも一部を除去する工程を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、ユニモルフ型薄膜圧電アクチュエータを立体的に、特に、少なくとも圧力室の両側面に配置しているので、ピエゾ方式のインクジェットヘッドの高ノズル密度化が可能になり、この様なインクジェットヘッドを用いることによって、インクの使用範囲が広く、高画質、高速、且つ、低コストのインクジェットプリンタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の図３以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の図４以降の製造工程の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の製造工程の説明図である。
【図７】従来のピエゾ方式インクジェットヘッドの概略的断面図である。
【符号の説明】
１  圧力室
２  単結晶圧電体膜
３  振動板
４  少なくともノズル穴を有する部材
５  ノズル穴
１１  単結晶ＭｇＯ基板
１２  圧力室用凹部
１３  Ｐｔ個別電極
１４  単結晶ＰＺＴ膜
１５  Ｃｒ振動板
１６  接着剤
１７  ノズル板
１８  ノズル穴
１９  インク供給路
２０  圧力室
２１  樹脂保護膜
３１  単結晶ＭｇＯ基板
３２  圧力室用凹部
３３  Ｐｔ個別電極
３４  単結晶ＰＺＴ膜
４１  振動板
４２  第１隔壁形成部材
４３  圧力室
４４  第２隔壁形成部材
４５  インク供給路
４６  インク供給口
４７  第３隔壁形成部材
４８  インク流路
４９  ノズル板
５０  ノズル穴
５１  薄膜圧電体
５２  個別電極
【図１】
0004352161.tif 000002
【図２】
0004352161.tif 000003
【図３】
0004352161.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004352161.tif 000007
【図７】
0004352161.tif 000008