(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルと連通する圧力室の少なくとも一壁面に、電圧印加により前記圧力室に体積変化を生ずる圧電体素子を形成したインクジェット式記録ヘッドであって、
前記圧電体素子は、圧電ｇ定数ｇ１及び誘電率ε１を備える第１圧電体層と、圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）及び誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える第２圧電体層と、を備え、第１圧電体層と第２圧電体層との間で膜構造的に第１圧電体層及び第２圧電体層のペロブスカイト型構造の結晶構造が連続していることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
前記第１圧電体層は、ｂおよびｂ’を２価乃至６価の金属元素とし、元素ｂをｎ価（ｎは自然数）、ｂ’をｍ価、並びにｘを０＜ｘ＜１、ｙを０＜ｙ＜１およびｚを０＜ｚ＜１の実数とした場合に、
Ｐｂ（Ｚｒ(1-y)Ｔｉy）(1-z)（ｂ(1-x)ｂ’x）zＯ3
という一般式で表される組成を備え、かつ、前記ｎ、ｍおよびｘは、
ｎ（１−ｘ）＋ｍｘ＝４
という関係を満たすペロブスカイト結晶である請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記２価乃至６価の金属元素であるｂおよびｂ’は、Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｂｉのうちいずれか二種の元素で構成される請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記第１圧電体層は、さらにＺｒおよびＴｉのいずれかまたは双方の元素を備える請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
前記第１圧電体層は、
Ｐｂ（Ｚｒ0.56Ｔｉ0.44）0.8（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.2Ｏ3
なる組成を備える請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】
前記第２圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ、ＴｉおよびＯの各元素からなる圧電性セラミックスである請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】
前記第２圧電体層は、
ＰｂＺｒ0.56Ｔｉ0.44Ｏ3なる組成を備える請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】
前記第１圧電体層が圧電ｇ定数ｇ１を備え、前記第２圧電体層が圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）を備える場合、所望の圧電ｇ定数ｇ（ｇ２＞ｇ＞ｇ１）となるように、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との厚みの比を調整して構成した請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項９】
前記第１圧電体層が誘電率ε１を備え、前記第２圧電体層が誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える場合、所望の誘電率ε（ε１＞ε＞ε２）となるように、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との厚みの比を調整して構成した請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】
前記第１圧電体層および前記第２圧電体層とは異なる組成を備える１種類以上の第３圧電体層を備え、当該第３圧電体層と他の圧電体層との間で膜構造的に第３圧電体層及び他の圧電体層のペロブスカイト型構造の結晶構造が連続していることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】
前記第１圧電体層および前記第２圧電体層を複数備え、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層とが規則的に繰り返されて積層されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１２】
前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層をそれぞれ複数備え、前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層が規則的に繰り返されて積層されている請求項１０に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１３】
前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層をそれぞれ１層以上備え、前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層が不規則に積層されている請求項１０に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１４】
前記圧電体素子は上部電極と結晶成長の基礎となる下部電極とを備え、前記下部電極に密着する圧電体層が結晶成長の核となる結晶粒を備えている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１５】
ノズルと連通する圧力室の少なくとも一壁面に、電圧印加により前記圧力室に体積変化を生ずる圧電体素子を形成したインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、
前記圧力室が形成された圧力室基板の一方の面に絶縁膜および下部電極膜を形成する振動板形成工程と、
前記振動板形成工程により形成された下部電極膜に、圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）及び誘電率ε２（ε１＞ε２）を備えた第２圧電体層を形成する第２圧電体層形成工程と、
前記第２圧電体層形成工程により形成された第２圧電体層上に、圧電ｇ定数ｇ１及び誘電率ε１を備えた第１圧電体層を形成する第１圧電体層形成工程と、
第１圧電体層及び第２圧電体層における成分がともにエピタキシャル成長し、第２圧電体層と第１圧電体層との間で膜構造的に第１圧電体層及び第２圧電体層のペロブスカイト型構造の結晶構造が連続している結晶化工程と、
前記第１圧電体層形成工程により形成された第１圧電体層に上部電極膜を形成する上部電極形成工程と、
前記上部電極形成工程により上部電極膜が形成された圧力室基板をエッチングし、前記圧電体素子を形成するエッチング工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１６】
前記第１圧電体層または前記第２圧電体層のうちいずれか一方は一定値以上の圧電ｇ定数を有し、その他方は一定値以上の誘電率を有する請求項１５に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１７】
前記圧力室基板の他方の面に、前記圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧力室形成工程により圧力室が形成された圧力室基板の他方の面に、ノズル板を設けるノズル板設置工程と、をさらに備えた請求項１５に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１８】
前記第１圧電体層が圧電ｇ定数ｇ１を備え、前記第２圧電体層が圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）を備える場合、所望の圧電ｇ定数ｇ（ｇ２＞ｇ＞ｇ１）となるように、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との厚みの比を調整する請求項１５に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１９】
前記第１圧電体層が誘電率ε１を備え、前記第２圧電体層が誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える場合、所望の誘電率ε（ε１＞ε＞ε２）となるように、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との厚みの比を調整する請求項１５に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項２０】
圧電ｇ定数ｇ１及び誘電率ε１を備える第１圧電体層と、圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）及び誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える第２圧電体層と、を備え、第１圧電体層と第２圧電体層との間で膜構造的に第１圧電体層及び第２圧電体層のペロブスカイト型構造の結晶構造が連続していることを特徴とする圧電体素子。
【請求項２１】
前記第１圧電体層および前記第２圧電体層とは異なる組成を備える１種類以上の第３圧電体層を備え、当該第３圧電体層と他の圧電体層との間で膜構造的に第３圧電体層及び他の圧電体層のペロブスカイト型構造の結晶構造が連続していることを特徴とする請求項２０に記載の圧電体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴をノズルから噴射して記録媒体に印字するインクジェット式記録ヘッドに係り、特にインクを溜める圧力室に、より強い圧力を発生させることのできる圧電体層を備えたインクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドは、振動板上に形成された圧電体素子に電圧を印加し、ノズルと連通する圧力室の体積変化を生じさせ、圧力室の圧力を瞬間的に高めることにより圧力室内のインク滴を記録媒体に噴射させるものである。
【０００３】
従来のインクジェットプリンタでは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックスの層を圧力室基板の一方の面に形成して圧電体素子とし、分極処理して用いていた。
【０００４】
このようなインクジェットプリンタの圧電体素子には、より少ない駆動電圧でより大きな変位を生ずることが求められる。この特性は、物理的には圧電ｄ定数という圧電ｇ定数と誘電率との積から得られる値により定量化することができる。ここで、圧電ｄ定数とは、変位と電場との間の比例係数のことをいい、圧電ｇ定数とは、電場と応力との間の比例係数のことをいう。また、誘電率とは電場と面電荷密度との間の比例係数をいう。
【０００５】
しかしながら、上記インクジェット式記録ヘッドに要求される特性に応ずるべく圧電体素子を形成する圧電性セラミックスの組成を変更して実験しても、単一の組成で満足しうる圧電ｄ定数を有する圧電性セラミックスを得ることが困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題点に鑑み、本願出願人は、複数の圧電体セラミックスを積層することで良好な圧電特性が得られることから、上記問題点を解決する構造に想到した。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の課題は、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する構造を備えることにより、従来より高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を形成し、より少ない電圧でより多量のインク滴の吐出を可能とし、より速いインク滴の吐出を可能としたインクジェット式記録ヘッドを提供することである。
【０００８】
本発明の第２の課題は、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する工程を備えることにより、従来より高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を形成し、より少ない電圧でより多量のインク滴の吐出を可能とし、より速いインク滴の吐出を可能としたインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することである。
【０００９】
本発明の第３の課題は、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する構造を備えることにより、従来より高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の課題を解決する発明は、インクが充填される圧力室基板の少なくとも一面に、電圧印加により圧力室の体積変化を生ずる圧電体素子を含む振動板が設けられたインクジェット式記録ヘッドであって、
圧電体素子は、一定値（例えば、１４００）以上の誘電率を有する第１圧電体層と一定値（例えば１３[×１０−３m・V/N]）以上の圧電ｇ定数を有する第２圧電体層とを備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドである。すなわち、複数層が積層された圧電体層が誘電分離した場合、層全体としての圧電ｄ定数は、各層のうち比較的高い圧電ｇ定数と比較的高い誘電率との積に対応するので、高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を形成することができる。なお、圧電体とは圧電性セラミックス（piezoelectric ceramics）のことで、力を加えると誘電分極を起こす金属化合物の総称をいう。
【００１１】
上記第１圧電体層および第２圧電体層の各々は、例えば同種類の組成を備える層を複数積層して構成されるものである。
【００１２】
上記第１圧電体層は、例えば、ｂおよびｂ’を２価乃至６価の金属元素とし、元素ｂをｎ価（ｎは自然数）、ｂ’をｍ価、並びにｘを０＜ｘ＜１、ｙを０＜ｙ＜１およびｚを０＜ｚ＜１の実数とした場合に、
Ｐｂ（Ｚｒ（１−ｙ）Ｔｉｙ）（１−ｚ）（ｂ（１−ｘ）ｂ’ｘ）ｚＯ３
という一般式で表される組成を備え、かつ、ｎ、ｍおよびｘは、
ｎ（１−ｘ）＋ｍｘ＝４
という関係を満たすペロブスカイト（perovskite）結晶である。この組成によれば、圧電ｄ定数を向上させ、さらに耐電圧特性および耐久性も向上させることができる。例えば上記２価乃至６価の金属元素であるｂおよびｂ’は、Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｂｉのうちいずれか二種の元素で構成される。第１圧電体層は、さらにＺｒおよびＴｉのいずれかまたは双方の元素を備えていてもよい。具体的には、上記第１圧電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）０．８（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２Ｏ３という組成を備える。
【００１３】
また例えば第２圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ、ＴｉおよびＯの各元素からなる圧電性セラミックスである。さらに具体的には上記第２圧電体層は、ＰｂＺｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３という組成を備える。
【００１４】
好ましくは、第１圧電体層が圧電ｇ定数ｇ１を備え、第２圧電体層が圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）を備える場合、所望の圧電ｇ定数ｇ（ｇ２＞ｇ＞ｇ１）となるように、第１圧電体層と第２圧電体層との厚みの比を調整して構成する。本発明によれば、二つの圧電体層を積層した場合、層全体の圧電ｇ定数は、各層の圧電ｇ定数の中間値をとる。層全体の圧電ｇ定数は、両圧電体層の厚みの比によって変化するので、所望の圧電ｇ定数をとるように両圧電体層の厚みを変化させることができる。例えば、圧電ｇ定数が、１４[ｍＶ・ｍ／Ｎ]になるよう調整される。この現象を分子構造レベルで考察する。異なる組成の圧電体層が接触して形成されると、両層がエピタキシャル成長して、両者のペロブスカイト(perovskite)型構造が連結する。いずれか一方の結晶に大きな応力が発生すると、他方の結晶がこれに引きずられ、他方の結晶単独で発生しうる応力よりも大きな圧電ｇ定数を生む。したがって、類似の結晶構造を備える異種のセラミックスを重ねると、単独の結晶で圧電セラミックスを構成したときと異なる圧電ｇ定数を示すようになる。圧電ｇ定数がより高い方の圧電体に、より低いほうの圧電体が引きずられるようにして、単独では圧電ｇ定数がより低い方の圧電体においても実際には圧電ｇ定数が向上するのである。
【００１５】
また好ましくは第１圧電体層が誘電率ε１を備え、第２圧電体層が誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える場合、所望の誘電率ε（ε１＞ε＞ε２）となるように、第１圧電体層と第２圧電体層との厚みの比を調整して構成する。すなわち、異なる誘電率を備える二つの圧電体層が積層されると、コンデンサが直列接続されたときに類似する誘電特性を備える。したがって、全圧電体層における誘電率は、両圧電体層の誘電率の中間値をとる。圧電体層全体の誘電率は、両圧電体層の厚みの比によって変化するので、所望の誘電率をとるように両圧電体層の厚みを変化させることができる。例えば、誘電率が１４００になるよう調整される。
【００１６】
また本発明のインクジェット式記録ヘッドは、第１圧電体層および前記第２圧電体層とは異なる組成を備える１種類以上の第３圧電体層を備えていてもよい。すなわち第３圧電体層には種類の異なる複数種類からなる複数層をも含むものとする。ここで例えば、第３圧電体層は前記第１圧電体層および前記第２圧電体層のそれぞれの組成を合成して構成されるものである。
【００１７】
層構造としては、例えば第１圧電体層および前記第２圧電体層を複数備え、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層とが規則的に繰り返されて積層されている。
【００１８】
また前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層をそれぞれ複数備え、前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層が規則的に繰り返されて積層されていてもよい。
【００１９】
さらに前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層をそれぞれ１層以上備え、前記第１圧電体層、前記第２圧電体層および１種類以上の第３圧電体層が不規則に積層されていてもよい。
【００２０】
また上記圧電体素子は上部電極と結晶成長の基礎となる下部電極とを備え、前記下部電極に密着する圧電体層が結晶成長の核となる結晶粒を備えていることが好ましい。下部電極に密着する圧電体層に結晶粒が存在するとその結晶粒から結晶の成長が始まり良好な結晶状態の圧電体層を構成するからである。
【００２１】
上記第２の課題を解決する発明は、インクが充填される圧力室基板の少なくとも一面に、電圧印加により圧力室の体積変化を生ずる圧電体素子を含む振動板が設けられたインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、圧力室基板の一方の面に絶縁膜および下部電極膜を形成する振動板形成工程と、振動板形成工程により形成された下部電極膜に、第２の組成を有する第２圧電体層を形成する第２圧電体層形成工程と、第２圧電体層形成工程により形成された第２圧電体層に、第１の組成を有する第１圧電体層を形成する第１圧電体層形成工程と、第１圧電体層形成工程により形成された第１圧電体層に上部電極膜を形成する上部電極形成工程と、上部電極形成工程により上部電極膜が形成された圧力室基板をエッチングし、圧電体素子を形成するエッチング工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法である。
【００２２】
好ましくは上記第１の組成または第２の組成を有する圧電体層のうちいずれか一方は一定値以上の圧電ｇ定数を有し、その他方は一定値以上の誘電率を有する。
【００２３】
また上記第１圧電体層形成工程および第２圧電体層形成工程は、圧電体層の前駆体を塗布する塗布工程と、塗布工程により塗布された圧電体層の前駆体を乾燥させる乾燥工程と、乾燥工程により乾燥させた圧電体層からさらに脱脂する脱脂工程と、脱脂工程により脱脂させた圧電体層をさらに高速熱処理する結晶化工程と、を備えることは好ましい。さらに塗布工程と乾燥工程と脱脂工程とを順に複数回繰り返すことにより、乾燥されおよび脱脂された圧電体層を複数積層することは好ましい。このように乾燥させ、脱脂させ、結晶化させることにより、各圧電体層を特定の方向に誘電分極させアモルファス状態を解消するので、第１の組成と第２の組成の各圧電体層の組成差を少なく抑えることができる。すなわち、アモルファス状態の異種の圧電体層を重ねると拡散現象が生じ、組成の差が消失する傾向にあるが、複数の層に分け、それぞれを乾燥させ、脱脂させ、および結晶化することにより、拡散現象を少なく抑え、組成差を元のセラミックスの組成の通り維持させることができる。
【００２４】
また本発明は、圧力室基板の他方の面に、圧力室を形成する圧力室形成工程と、圧力室形成工程により圧力室が形成された圧力室基板の他方の面に、ノズル板を設けるノズル板設置工程と、をさらに備える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の最良の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
＜実施形態１＞
（構成の説明）
まず本発明のインクジェット式記録ヘッドが適用されるインクジェットプリンタの構成を説明する。本実施形態１におけるインクジェットプリンタ１００は、図２に示すように、本発明のインクジェット式記録ヘッド１０１、本体１０２、トレイ１０３を備えて構成されている。インクジェット式記録ヘッド１０１は、用紙１０５が給紙された際に、同図の矢印の方向へ駆動され、そのノズル１１（図３参照）から吐出されたインク滴により用紙１０５上に印字可能なように構成されている。本体１０２は、トレイ１０３を備え、その内部にインクジェット式記録ヘッド１０１を駆動可能に配置しており、図示しないコンピュータから印字情報が送信されてきた際に、トレイ１０３から供給された用紙１０５を排出口１０４に排紙可能に構成されている。トレイ１０３は、用紙１０５を載置し、給紙時に用紙１０５を本体１０２内へ供給可能に構成されている。
【００２７】
図３に示すように、本インクジェット式記録ヘッド１０１は、ノズル板１、圧力室基板２、振動板３および筐体５を備えて構成されている。
【００２８】
ノズル板１は、圧力室基板２に貼り合わせられた状態で、圧力室基板２に複数設けられたキャビティ（圧力室）２１の各々に対応する位置にノズル１１が配置されるよう構成されている。
【００２９】
圧力室基板２は、キャビティ２１、側壁２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。キャビティ２１は、シリコン等の基板をエッチング等することにより形成され、側壁２２は、キャビティ２１間を仕切るよう構成され、リザーバ２３は、各キャビティ２１にインク充填時にインクを供給可能な共通の流路として構成されている。供給口２４は、各キャビティ２１にインクを導入可能に構成されている。
【００３０】
筐体５は、樹脂または金属により成型され、ノズル板１および振動板３が貼り付けられた圧力室基板２を収納可能に構成されている。筐体５には、図示しないインクタンクからインクが供給され、図４に示すインクタンク口３３を介して圧力室基板２内にインクを供給可能に構成されている。
【００３１】
振動板膜３は、図４に示すように、圧力室基板２の一方の面に貼り合わせ可能な構成を備えている。圧電体素子４は、振動板３上に所定の形状で形成されて構成されている。
【００３２】
振動板膜３および圧電体素子４の層構造（図４のＡ−Ａ切断面）は、具体的には図１に示すように、圧電体素子４としての上部電極膜４０、第１圧電体層４１および第２圧電体層４２、並びに振動板３としての下部電極膜３０および絶縁膜３１を備えて構成されている。
【００３３】
上部電極膜４０は、圧電体層に電圧を印加するための一方の電極となり、導電性を有する材料、例えば、厚み０．１μｍの白金（Ｐｔ）で構成されている。
【００３４】
第１圧電体層４１は複数の層、例えば４層のセラミックス層４１１乃至４１４から構成されている。各セラミックス層は、一層を形成するごとに乾燥されおよび脱脂されることにより、各層が分極されて構成されている。各セラミックス層４１１乃至４１４は、圧電性セラミックスの中でも誘電率が相対的に高い組成により構成されている。具体的には、第１圧電体層４１は一般式、
Ｐｂ（Ｚｒ（１−ｙ）Ｔｉｙ）（１−ｚ）（ｂ（１−ｘ）ｂ’ｘ）ｚＯ３    …（１）
で表されるペロブスカイト（perovskite）構造の結晶が好ましい。ただし、ｂおよびｂ’は２価乃至６価の金属元素とする。０＜ｘ＜１、ｙを０＜ｙ＜１およびｚを０＜ｚ＜１の実数とする。元素ｂをｎ価（ｎは自然数）、ｂ’をｍ価とした場合、ｎおよびｍは、
ｎ（１−ｘ）＋ｍｘ＝４    …（２）
という関係を満たすように調整される。（２）式は、元素が電気的に中性であることを意味している。例えば、２価から６価の金属元素としては、Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｌａ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｂｉ等の金属元素が挙げられる。例えば第１圧電体層４１のｂ及びｂ‘に関する組成は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｎ１／２Ｗ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／２Ｗ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／２Ｗ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／２Ｗ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｎｉ１／２Ｗ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｆｅ２／３Ｗ１／３）Ｏ３等が挙げられる。例えば良好な圧電特性を示す第１圧電体層の代表的組成例として、Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）０．８（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２Ｏ３が挙げられる。
【００３５】
また、Ｍｇは深さ（厚み）方向に比較的容易に拡散しやすく、圧電体素子の耐電圧特性を劣化させるので、第１圧電体層はＭｇを含まない組成であってもよい。このような第１圧電体層の組成によれば、圧電ｄ特性と比例関係にある誘電率εが向上するためその圧電ｄ特性が向上する。また、比較的深さ方向に拡散しやすいＭｇを使用してない場合には、第３成分が深さ方向により均一に分布することで、その耐電圧特性および耐久性が向上する。
【００３６】
圧電体層の製造時、塗布直後の圧電性セラミックス（以下「前駆体」と称する）はアモルファス状態であり、他の組成物（例えば、第２圧電体層）と接する面において元素の拡散現象が生じる。しかし、本形態では、第２圧電体層４２１が乾燥・脱脂され結晶化されている上、セラミックス層４１４ｂについても、塗布後に乾燥および脱脂を行い結晶化するので、第２圧電体層の組成物との間で拡散現象が及び難い。したがって、少なくともセラミックス層４１１乃至４１３については塗布時の組成のまま維持される。
【００３７】
第２圧電体層４２は複数の層、例えば４層のセラミックス層４２１乃至４２４から構成されている。各セラミックス層は、一層を形成するごとに乾燥されおよび脱脂されることにより、結晶化されて構成されている。各セラミックス層４２１乃至４２４は、圧電性セラミックスの中でも圧電ｇ定数が相対的に高い組成により構成されている。このような組成として、例えば鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタン（Ｔｉ）の酸化物（ＰＺＴ、ジルコン酸チタン酸鉛）等を含む組成が挙げられる。第２圧電体層の具体的組成例として、ＰｂＺｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３が挙げられる。
【００３８】
圧電体層の製造時、塗布直後の第２圧電体層４２におけるセラミックス層の前駆体４２４ｂはアモルファス状態であり、他の組成物（例えば、下部電極膜３０のチタン層３０１）と接する面において元素の拡散現象が生じる。しかし、セラミックス層４２４ｂを塗布後に乾燥および脱脂を行し結晶化するので、下部電極膜３０の組成物との間で拡散現象が及び難い。したがって、少なくともセラミックス層４２１乃至４２３については塗布時の組成のまま維持される。下部電極膜３０に直接接する圧電体層４２４は結晶が最初に成長する層である。この圧電体層の形成時に塗布された圧電体膜前駆体には結晶核が含まれていることが好ましい。下部電極膜に接する層に結晶核が存在すると、その結晶核の界面からペロブスカイト結晶構造が成長する。下部電極膜に接しない圧電体層ではその圧電体層が接する圧電体層の結晶構造に対応して結晶成長が進む。つまり少なくとも下部電極膜に接する層に結晶核が存在することは良好な結晶構造の圧電体素子を形成するために好ましい。
【００３９】
なお、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は、その積層の順序が逆であってもよい。つまり、第１圧電体層４１を下部電極膜３０上に形成し、その上に第２圧電体層４２を形成し、その上に上部電極膜４０を形成するよう構成してもよい。
【００４０】
また、各圧電体層は、４層で構成する他に４層より多い層で構成しても、より少ない層で構成してもよい。ただしあまり多くの層を積層すると、駆動電圧が高くなり本発明の利点を損なう。積層数を少なくしすぎると、拡散現象による組成の均一化が両圧電体層間で進み、単一の組成で圧電体素子を構成したのと同様の構造となり、圧電ｄ定数の向上が期待できなくなる。また各セラミックス層の厚みは、あまりに厚くすると、層全体の厚みが厚くなり、高い駆動電圧が必要となる。あまりに薄くすると、厚みを均一にできずエッチング後に分離された各圧電体素子の特性がばらついたり、製造工数が多くなり、妥当なコストで製造できなくなったりする。したがって、各圧電体層におけるセラミックス層の積層数は、２層乃至６層が好ましく、特に好適には４層程度である。各セラミックス層の厚みは、８０ｎｍ〜２００ｎｍ、特に好適には１２５ｎｍ程度が好ましい。
【００４１】
また、各圧電体層を構成するセラミックス層はすべて同じ厚みにする必要はなく、例えば、他の組成物と接する層（４１４や４２４）のみ薄くし、他の層を厚めに形成してもよい。このようにすれば、組成物の拡散の生じうる層の厚さをさらに少なくすることができる。
【００４２】
下部電極膜３０は、圧電体層に電圧を印加するための上部電極膜４０と対になる他方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、チタン（Ｔｉ）層３０１、白金（Ｐｔ）層３０２、およびチタン（Ｔｉ）層３０３を積層して構成されている。さらに酸化チタン層３０４およびチタン層３０５は、チタン層３０１、白金層３０２およびチタン層３０３からなる下部電極膜３０と絶縁膜３１との密着性を向上させるために、下部電極膜３０と絶縁膜３１との間に積層されている。
【００４３】
絶縁膜３１は、導電性のない材料、例えば、シリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素により構成され、圧電体層の厚み方向と厚みに垂直な方向の変位により変形し、キャビティ２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。
【００４４】
（作用）
圧電体素子の特性を示す指標として、圧電ｄ定数がある。圧電ｄ定数は、単位Ｃ／Ｎで表わされる。すなわち、１ニュートンの圧力を加えた場合に発生する電荷量で示される。圧電ｄ定数は、電場と応力との間の比例定数である圧電ｇ定数と電場と面電荷密度との間の比例定数である誘電率との積に相関する。
【００４５】
いま、第１の圧電ｇ定数ｇ１および第１の誘電率ε１を有する圧電体層と、第２の圧電ｇ定数ｇ２（ｇ１＜ｇ２）および第２の誘電率ε２（ε１＞ε２）を有する圧電体層とを積層した場合、この二層全体の厚み方向の圧電ｄ定数は、
ｄ≡ｇ×ε×ε0 …（３）
という関係で表わされる。ここで、ｇ１＜ｇ≦ｇ２、ε２＜ε≦ε１、ε０は真空誘電率（＝８．８５×１０−１２[F/m]）である。つまり、複数の圧電体層を重ねた場合に、全体の圧電ｄ定数は、相対的に大きい圧電ｇ定数と相対的に大きい誘電率との積に比例するのである。この理由としては、圧電体素子の構造がコンデンサ配列モデルと力学配列モデルにより解析できることに起因すると考えられる。両層の圧電ｇ定数が異なる場合に全体の圧電ｇ定数がどのようになるかは原子構造レベルでの考察で理解することができる。異なる組成の圧電体層が接触して形成される場合、一方の圧電体層から結晶がエピタキシャル成長して他方の圧電体層に伝播していく。これら両圧電体層の界面付近を高分解能断面ＴＥＭ（transmission electron microscopy）により撮影すると、これら両層の界面付近を超えて原子の格子が連なっているのが観察される。つまり両層における成分がともにエピタキシャル成長し、第２圧電体層と第１圧電体層との間で膜構造的に欠陥なく原子レベルで結晶構造が連続していることを示している。一方の圧電体層における結晶構造の変化は、他方の圧電体層にも及ぼされ、いずれか一方の結晶に、より大きな応力が発生すると他方の結晶がこれに引きずられ、他方の結晶単独で発生しうる応力よりも大きな圧電ｇ定数を生む。したがって、類似の結晶構造を備える異種のセラミックスを重ねると、単独の結晶で圧電セラミックスを構成したときと異なる圧電ｇ定数を示すようになる。圧電ｇ定数がより高い方の圧電体に、より低いほうの圧電体が引きずられるようにして、より圧電ｇ定数が低い方の圧電体においても圧電ｇ定数が向上するのである。
【００４６】
また両層の誘電率が異なる場合に圧電体素子全体の誘電率がどのような値をとるかは、圧電体層をコンデンサの接続関係に見立て考察すると理解しやすい。圧電体層た単一である圧電体素子をコンデンサとして見た場合に比べ、異なる誘電率を備える二つの圧電体層が積層された圧電体素子では、単一層に比べ間隙が狭くなった異なる誘電率のコンデンサが直列接続されたときに類似する誘電特性を備える。全圧電体層における誘電率は両圧電体層の誘電率の中間値に近い値をとる。つまり誘電率の高い層を積層しておくと全体の誘電率を上げることができるのである。
【００４７】
本実施形態では、第２圧電体層４２はＰＺＴで構成されるため、圧電ｇ定数が高い。第１圧電体層４１は、ＰＺＴにさらにマグネシウム（Ｍｇ）とニオブ（Ｎｂ）とを含有する場合、圧電ｇ定数が若干第２圧電体層４２より落ちるが、誘電率が第２圧電体層４２より高くなる。このため、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２とを積層した場合の圧電ｄ定数は、式（３）にしたがえば、それぞれの圧電体層単独で圧電体素子を構成した場合よりも高くなる。したがって、本実施形態の圧電体素子は、従来の単一の組成で圧電体素子を形成した場合よりもより大きな圧電ｄ定数を示し、同一の印加電圧であれば、より大きな変位を生ずる。
【００４８】
次に、インク滴吐出の原理を説明する。図５に、本形態のインクジェット式記録ヘッドのうち、２つのキャビティを含む断面図を示す。キャビティ２１Ａに対応する圧電体素子４Ａには、電圧Ｖ０が印加され、キャビティ２１Ｂに対応する圧電体素子４Ｂには、電圧Ｖ１が印加されている。電圧Ｖ０は、圧電体素子に変位を生じさせない電圧（例えば０Ｖ）であり、電圧Ｖ１は、圧電体素子に変位を生じさせる電圧（例えば１５Ｖ）である。
【００４９】
電圧Ｖ０が印加されている圧電体素子４Ａは変位を生じないので、キャビティ２１Ａ内の圧力に変化は生じない。ノズル１１Ａにはインクのメカニカス１０７Ａが生ずるのみで、インク滴は吐出されない。
【００５０】
一方、電圧Ｖ１が印加されている圧電体素子４Ｂでは複数の圧電体層の積層構造により、大きな変位を生じる。下部電極膜３０および絶縁膜３１が図５の破線の３２ｂおよび３１ｂで示すような位置に大きくたわみ、キャビティ２１Ｂ内の体積を減少させる。このためキャビティ２１Ｂ内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル１１Ｂからインク滴１０８が吐出する。
【００５１】
（製造方法の説明）
次に、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する。
【００５２】
振動板形成工程（図６(a)）：  まず、シリコン基板２０に振動板膜３となる絶縁膜３１と下部電極膜３０を形成する。絶縁膜３１は、例えば、１１００℃の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させ、約１μｍの厚みの熱酸化膜とすることで形成される。あるいは、１１００℃の炉の中で、水蒸気を含む酸素を流して５時間程度熱酸化させ、約１μｍの厚みの熱酸化膜を形成してもよい。これらの方法により形成された絶縁膜は、電気的な絶縁をする他、エッチング処理に対する保護層となる。
【００５３】
下部電極膜３０としては、例えば、チタン層３０５を約２０ｎｍ、酸化チタン層３０４を約２０ｎｍ、チタン層３０３を約５ｎｍ、白金３０２を約５００ｎｍおよびチタン層３０１を約５ｎｍの各厚みで、直流スパッタ法等を用いて順次積層して形成する。なお、厚み約８００ｎｍの白金層をスパッタ法等により形成してもよい。ただし、白金層３０２の下のチタン層３０３は必要である。
【００５４】
第２圧電体層形成工程（図６(b)(c)）：  次に第２圧電体層４２を形成する。
【００５５】
ｉ）  塗布工程（同図(b)）：  一定値以上の圧電ｇ定数を有する圧電性セラミックス材料（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛：ＰＺＴ）あるいはそれらの固溶体を主成分とする材料を、スピンコーディング法で下部電極膜３０の上に塗布（形成）する。層の厚みは、本形態のように４層重ねる場合には、一層当たり１２５ｎｍ程度の厚さにする。各層の厚みを均一化するために、スピンコーティングする回転台は、小さい回転速度（例えば５００r.p.mで３０秒程度）から始め、次第に大きい回転速度（例えば１５００r.p.mで３０秒程度）に加速され、最後に再び小さい回転速度（例えば５００r.p.mで１０秒程度）まで減速される。
【００５６】
なお、塗布直後からセラミックス層と下部電極膜との界面で拡散現象が生ずるが、次の乾燥・脱脂工程後さらに当該セラミックス層４２４を結晶化することで、拡散現象は止まる。
【００５７】
ｉｉ）  乾燥・脱脂工程（図６(c)）：  塗布直後のセラミックス層４２４ｂはアモルファス状態の圧電体膜前駆体というものであり、結晶化していない。このため、セラミックス層４２４ｂの塗布後、有機溶媒を蒸発させるべく、一定温度（例えば１８０度）で一定時間（例えば１０分程度）乾燥させる。乾燥後、所定の高温（例えば４００度）で一定時間（３０分間）脱脂する。脱脂により圧電体膜前駆体中の金属元素に配位している有機の配位子が熱分解され、金属が酸化されて金属酸化物となる。この工程で、前駆体であったセラミックス層４２４ｂはセラミックス層４２４に変化する。
【００５８】
乾燥・脱脂によりセラミックス層４２４が形成されると、この上にさらに上記ｉ）およびｉｉ）の工程をくり返し、セラミックス層４２３を形成し、さらにもう２回、上記ｉ）およびｉｉ）の工程をくり返してセラミックス層４２２、４２１を形成する。この塗布→乾燥→脱脂の各工程を所定回数、例えば４回繰り返す。これらの乾燥や脱脂により、前駆体中の金属アルコキシドが加水分解や重縮合され金属−酸素−金属のネットワークが形成される。
【００５９】
４回重ねてセラミックス層を形成した後、所定の雰囲気下で熱処理する。例えば、酸素中において、高速熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）するため、６００度で５分間、さらに７２５度で１分間加熱する。この熱処理によりアモルファス状態のゲルからペロブスカイト結晶構造の結晶化が促進され圧電体としての特性が向上する。
【００６０】
第１圧電体層形成工程（図６(d)(e)）：  上記工程で形成された第２圧電体層４２上に、さらに第１圧電体層４１を形成する。
【００６１】
ｉ）  塗布工程（図６(d)）：  一定値以上の誘電率を有する圧電性セラミックス（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＭｇおよびＮｂの酸化物）またはその固溶体の材料を、第１セラミックス層形成時と同様に、スピンコーティング法等により第２圧電体層４２上に塗布する。塗布条件、厚み等は上記第１セラミックス層形成工程と同様である。
【００６２】
ｉｉ）  乾燥・脱脂工程（図６(e)）：  最初のセラミックス層の前駆体４１４ｂを塗布後、乾燥・脱脂させる処理および条件についても上記第１セラミックス層形成工程と同様である。また、セラミックス層４１４形成後、さらにセラミックス層４１３乃至４１１を積層してく点も、第１セラミックス層形成工程と同様である。
【００６３】
また４回重ねてセラミックス層を形成した後、セラミックス層の結晶化を促進し、圧電体層の特性を向上させるために、所定の雰囲気下で熱処理する。例えば、酸素中において、高速熱処理（ＲＴＡ）するために、６５０度で５分間、さらに９００度で１分間加熱する。これにより８層積層されて１０００ｎｍ程度の厚みの圧電体層が形成される。
【００６４】
上部電極形成工程（図６(f)）：  第１圧電体層４１の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッタ法等の技術を用いて、上部電極膜４０を形成する。上部電極の材料は、アルミニウム、白金等を用いる。厚みは１００ｎｍ程度にする。
【００６５】
エッチング工程（図６(g)）：  各層を形成後、振動板膜３上の積層構造を、各キャビティの形状に合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチングし、上部電極膜と圧電体層を取り除く。すなわち、スピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジストを塗布し、露光・現像して、レジストを上部電極膜４０上に形成する。これに、通常用いるイオンミリング、あるいはドライエッチング法等を適用して、不要な層構造部分を除去する。以上の工程で、圧電体素子が完成する。
【００６６】
圧力室形成・ノズル板設置工程（図６(h)）：  圧力室基板２の他方の面にキャビティ２１を形成する。例えば、異方性エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを用いて、キャビティ空間のエッチングを行う。エッチングされずに残された部分が側壁２２になる。エッチング後の圧力室基板２にノズル板１を樹脂等を用いて貼り合わせる。このとき、各ノズル１１が圧力室基板２のキャビティ２１の各々の空間に配置されるよう位置合せする。ノズル板１の貼り合わせられた圧力室基板２を筐体５に取り付ければ、インクジェット式記録ヘッド１０１が完成する。
【００６７】
（実施例１）
上記製造方法によりインクジェット式記録ヘッド１０１を製造した。第１圧電体層の組成には、Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）０．８（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２Ｏ３を採用した。第２圧電体層の組成には、ＰｂＺｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３を使用した。実施例のインクジェット式記録ヘッドの圧電体層深度に対する各元素のイオン数（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｏ、Ｐｔ、Ｓｉ）を測定すると、図７に示すように変化した。
【００６８】
図７に示すように、第１圧電体層４１では、第２圧電体層４２に比べ、マグネシウムＭｇとニオブＮｂの含有量が上昇している。同図によれば、イオンの拡散が防止され、それぞれ圧電体の当初の組成が維持されていることがわかる。これは、各圧電体層を４層の積層構造としたことによると考えられる。このときの第１圧電体層の厚みは５００ｎｍ、第２圧電体層の厚みは５００ｎｍである。最表面の平滑性をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で評価したところ、３０ｎｍ〜１００ｎｍであった。
【００６９】
表１に、本実施例のインクジェット式記録ヘッドの圧電ｄ定数、圧電ｇ定数および誘電率を、第１圧電体層の組成で同厚の圧電体素子を形成した場合と第２圧電体層の組成で同厚の圧電体素子を形成した場合と比較した結果を示す。なお、分極電場強度Ｅｐを、Ｅｐ＝２７５ｋＶ／ｃｍとした条件下で測定した。
【００７０】
【表１】
0003832075.tif 000002
【００７１】
表１で添字３１は、圧電体素子の厚み方向の値であることを示している。表１に示すように、第１圧電体層のみで圧電体素子を形成した場合や、第２圧電体層のみで圧電体素子を形成した場合に比べ、これら２種類の圧電体層を積層した本発明の圧電体素子では、圧電ｇ定数および誘電率ともに比較的大きく、高い圧電ｄ定数が得られている。
【００７２】
（実施例２）
本発明の実施例２は第１圧電体層におけるＭｇの影響を調べたものである。表２に、実施例１の第１圧電体層の組成の代わりに上記（１）式および（２）式にしたがった組成を使用した場合の圧電体素子の圧電特性を、耐電圧特性および耐久性と併せて示す。比較のため従来の単層のみで構成した圧電体素子の圧電特性も示す。
【００７３】
【表２】
0003832075.tif 000003
【００７４】
この表からも判るように、Ｍｇが第１圧電体層にＭｇが含まれていないと、全体の圧電ｄ特性が向上し、さらに耐電圧特性および耐久性に優れる。
【００７５】
上記実施形態１によれば、複数種類の圧電体層を積層することにより、高い圧電ｄ定数を得ることができる。同一の電圧であれば、より大きい変位を生ずる圧電体素子を製造できる。したがって、同一の電圧でより多量のインク滴を高速に吐出できるインクジェット式記録ヘッドを提供できる。
【００７６】
また、圧電体層を、セラミックス層一層ごとに結晶化することにより、アモルファス状態のセラミックスであっても、拡散現象を抑えることができ、高い圧電ｄ定数を維持可能な層構造を提供することができる。
【００７７】
また、複数の圧電体層のうち一部の圧電体層に特定の組成を使用することで圧電体素子全体の誘電率を挙げることができる。特にＭｇを含まない圧電体層の組成を使用すると高い圧電ｄ特性とともに、耐電圧特性にも優れた圧電体素子を提供できる。
【００７８】
＜実施形態２＞
上記実施形態１では第１圧電体層の厚みと第２圧電体層の厚みとが同じであったが、本実施形態２では、両層の厚みを変更することにより、新たな用途を提供するものである。
【００７９】
（層構造の説明）
本実施形態２の圧電体素子は、上記実施形態１と同様のインクジェットプリンタ（図２参照）、インクジェット式記録ヘッド（図３および図４参照）に使用されるものであるため、その説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の圧電体素子４ｂの層構造（図４におけるＡ−Ａ切断面）は、図８に示すように、上部電極膜４０およびセラミックス層４３１〜４３８を備えて構成されている。
【００８１】
上部電極膜４０は、実施形態１と同様に、圧電体層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、厚み０．１μｍの白金（Ｐｔ）で構成されている。
【００８２】
セラミックス層４３１〜４３８は、上記実施形態１と同様の第１圧電体層４１および第2圧電体層４２に分けられるが、両圧電体層の境界は、第２層４３２と第３層４３３との間から第６層４３６と第７層４３７との間まで任意に変化させて構成する。各セラミックス層の厚みは上記実施形態１と同様に例えば１２５ｎｍの厚みで形成する。
【００８３】
第１圧電体層４１に割り当てられるセラミックス層の組成は、実施形態１と同様、圧電性セラミックスの中でも誘電率が相対的に高い組成により構成されている。その組成には実施形態１と同様のものが適用できる。例えば第１圧電体層の組成例として、Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）０．８（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２Ｏ３が挙げられる。
【００８４】
第２圧電体層４２に割り当てられる層の組成は、実施形態１と同様、圧電性セラミックスの中でも誘電率が比較的低く、圧電ｇ定数が相対的に高い組成により構成されている。その組成には実施形態１と同様のものが適用できる。例えば第２圧電体層の組成例として、ＰｂＺｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３が挙げられる。
【００８５】
また上記実施形態１と同様の理由により、少なくとも下部電極膜に接する層に結晶核が存在することは良好な結晶構造の圧電体素子を形成するために好ましい。
【００８６】
振動板膜３は、下部電極膜３０と絶縁膜３１とにより構成され、その具体的な層構造については上記実施形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００８７】
なお、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は、その積層の順序が逆であってもよい。つまり、第１圧電体層４１を下部電極膜３０上に形成し、その上に第２圧電体層４２を形成し、その上に上部電極膜４０を形成するよう構成してもよい。
【００８８】
本実施形態２における圧電体素子の製造方法は、各圧電体層の積層数を除き、上記実施形態１とほぼ同様である。すなわち、振動板形成工程（図６(a)）により、シリコン基板２０に振動板膜３となる絶縁膜３１と下部電極膜３０を形成し、第２圧電体層形成工程（図６(b)(c)）により、第２圧電体層４２を形成する。このとき、積層するセラミックス層の層数を適宜変化させる。積層するセラミックス層の層数は、圧電体素子全体が所望の圧電ｇ定数を示すように、あるいは所望の誘電率を示すように両圧電体層の厚みの比を変えて調整する。すなわち、第１圧電体層が圧電ｇ定数ｇ１を備え、前記第２圧電体層が圧電ｇ定数ｇ２（ｇ２＞ｇ１）を備える場合には、所望の圧電ｇ定数ｇ（ｇ２＞ｇ＞ｇ１）となるように、第１圧電体層と第２圧電体層との厚みの比を調整する。
【００８９】
また、第１圧電体層が誘電率ε１を備え、第２圧電体層が誘電率ε２（ε１＞ε２）を備える場合には、所望の誘電率ε（ε１＞ε＞ε２）となるようにセラミックス層の積層数を変える。もちろんセラミックス層の厚みを変えて第１圧電体層と第２圧電体層との厚みの比を調整することも可能である。セラミックス層の層数は、第１圧電体層と第２圧電体層とを合せた全層数が、１２層程度を超えないようにする。層数が多すぎると、駆動電圧が高くなってしまうからである。
【００９０】
各セラミックス層は、塗布工程（図６(b)）による上記圧電性セラミックス材料等の塗布と、乾燥・脱脂工程（図６(c)）による、塗布されたセラミックス層の乾燥および脱脂により夫々形成される。また複数層を積層したのち高速熱処理を行う点も同じである。高速熱処理を行うタイミングはその圧電体層の積層数に応じて定める。最初の高速熱処理はセラミックス層の積層数が約半数のところで行う。最初の高速熱処理では、例えば酸素中においてセラミックス層を６００度で５分間、さらに７２５度で１分間加熱する。
【００９１】
次いで、第１セラミックス層形成工程（図６(d)(e)）により、第２圧電体層４２上に、さらに第１圧電体層４１を形成する。第１圧電体層における各セラミックス層も、第２圧電体層と同様に、上記圧電性セラミックス材料の塗布と、乾燥・脱脂により形成される。総てのセラミックス層を積層したところでさらに最後の高速熱処理を一回行う。この最後の高速熱処理では、例えば酸素中においてセラミックス層を６５０度で５分間、さらに９００度で１分間加熱する。そして、上部電極形成工程（図６(f)）により、第１圧電体層４１上に上部電極膜４０を形成する。
【００９２】
圧電体素子の形状をキャビティに合せた形状にするために、上記実施形態１と同様にエッチング工程（図６（ｇ）により残したい圧電体素子以外の層を除去する。以上の工程で、圧電体素子４ｂが完成する。その後は、圧力室形成・ノズル板設置工程（図６(h)）により、圧力室基板２の他方の面にキャビティ２１を形成し、ノズルを貼り合わせる。
【００９３】
（作用）
本発明によれば、二つの圧電体層を積層した場合、層全体の圧電ｇ定数および誘電率は、各層の圧電ｇ定数や誘電率の間の値をとる。層全体の圧電ｇ定数や誘電率は、両圧電体層の厚みの比によって変化するので、所望の圧電ｇ定数や誘電率をとるように両圧電体層の厚みを変化させることができる。
【００９４】
圧電ｇ定数が両層の圧電ｇ定数の間の値をとる理由は、上記実施形態１と同様に原子構造レベルでの考察で理解することができる。誘電率が両圧電体層の誘電率の間の値をとる理由も上記実施形態１と同様、圧電体層をコンデンサの接続関係に見立て考察することで理解できる。圧電体層全体の誘電率は、両圧電体層の厚みの比によって変化するので、所望の誘電率をとるように両圧電体層の厚みを変化させることができる。したがって圧電体素子の圧電ｇ定数あるいは誘電率に制限がある場合には、その制限に合わせて積層数を変化させることで、圧電体素子全体の圧電ｄ定数を向上させながらも、圧電ｇ定数または誘電率のどちらかを低く抑えた圧電体素子を設計できる。例えば、コンパクトディスク等から信号を読み取るためのアクチュエータでは、回路電流を少なくすることが望ましい。このためアクチュエータ用の圧電体素子では、誘電率を低く抑える必要がある。したがって所望の回路電流を提供する圧電体素子の誘電率を計算し、この誘電率以下で圧電体素子を設計すればよい。
【００９５】
ただし一方の圧電体層が他方の圧電体層に影響を及ぼすためには、一方の圧電体層における結晶格子間距離の変化が、他方の圧電体層における格子間距離に変化を及ぼすことができるよう、一方の圧電体層に十分な応力を発生させなければならない。したがって、たとえば、セラミックス層を１２５ｎｍの厚みで積層するなら、第１圧電体層４１および第２圧電体層４２は、最低でも２層、すなわち２５０ｎｍ程度の厚みを確保できるように設計する必要がある。
【００９６】
（実施例）
本実施形態２の実施例として、表３に全８層の圧電体素子において、第１圧電体層の層数と第２圧電体層の層数とを変化させていった場合の圧電ｄ定数ｄ31（厚み方向における圧電ｄ特性）と、そのときの圧電ｇ定数ｇ３１（厚み方向における圧電ｇ特性）と誘電率とを示す。その組成は上記実施形態１の実施例１と同様のものを使用した。なお、分極電場強度Ｅｐを、Ｅｐ＝２７５ｋＶ／ｃｍとした条件下で測定した。
【００９７】
【表３】
0003832075.tif 000004
【００９８】
表３から判るように、第１圧電体層の層数を少なくし厚みを薄くすると、誘電率を低く抑えることができるが、圧電ｄ特性自体は高い値を維持させることができる。
【００９９】
上述したように本実施形態２によれば、上記実施形態１の効果を奏する他、第１圧電体層の厚みと第２圧電体層の厚みとを変えることにより、誘電率や圧電ｇ定数を所望の値に抑えることができ、かつ圧電体素子として高い圧電ｄ定数を維持させることができる。
【０１００】
＜実施形態３＞
上記各実施形態では第１圧電体層と第２圧電体層とを一層ずつ積層したものであったが、本実施形態３ではさらに第３圧電体層を設け、それらの積層構造のバリエーションを提供するものである。
【０１０１】
（層構造の説明）
図９に本実施形態の圧電体素子４ｃの断面図を示す。この断面図は圧電体素子４ｃを振動板３および圧力室基板２を含めて幅方向に切断した様子を示す。本圧電体素子４ｃが適用されるインクジェットプリンタ（図２参照）およびインクジェット式記録ヘッド（図３および図４参照）は上記実施形態１と同様の構成であるため、その説明を省略する。
【０１０２】
本実施形態３の圧電体素子は３種類以上の圧電体層を備えるものである。本実施形態では３種類以上の圧電体層のうち最も誘電率の高い層を第１圧電体層と称し、最も圧電ｇ定数の高い層を第２圧電体層と称し、それ以外の層を総称して第３圧電体層を称するものとする。したがって第３圧電体層というときは複数種類の層を指しうる。
【０１０３】
本実施形態の圧電体素子４ｃの層構造（図４におけるＡ−Ａ切断面）は、図９に示すように、上部電極膜４０と振動板３との間に３種類以上（図では６種類）の圧電体層４１〜４６を備えて構成されている。
【０１０４】
上部電極膜４０、振動板３および圧力室基板２については、実施形態１と同様であり説明を省略する。
【０１０５】
圧電体層４１〜４６はそれぞれが異なる組成を備えている。その組成は上記実施形態１における第１圧電体層や第２圧電体層の具体的組成が適用される。例えば実施形態１と同一の符号４１を付してある層が第１圧電体層、符号４２を付してある層が第２圧電体層であるとする。他の層、すなわち第３圧電体層４３〜４６は、誘電率を上げる目的、圧電ｇ定数を上げる目的、またはそれ以外の目的で積層される。例えば圧電体層の内部応力を緩和するというような目的で積層される。具体的には例えば第１圧電体層４１に上記実施形態１の式（１）や式（２）で表される組成を用い、第２圧電体層４２にＰＺＴを用い、第３圧電体層４３〜４６に式（１）や式（２）で表される組成を混入させた組成を用いる。第３圧電体層４３〜４６のそれぞれには、例えば式（１）や式（２）においてｂやｂ’の金属元素を変更して組成したものを適用する。
【０１０６】
各圧電体層４１〜４６は上記実施形態１と同様の考え方で複数のセラミックス層を積層して構成することが好ましい。一時に厚い層を形成するとクラックの発生が生じ結晶状態のよい層が作れないからである。また上記実施形態１と同様の理由により、少なくとも下部電極膜に接する層に結晶核が存在することは良好な結晶構造の圧電体素子を形成するために好ましい。
【０１０７】
なお、積層の順番は図９に限定されることなく、種々に変更可能である。例えば第３圧電体層４３〜４６は４層に限らず任意（４３〜４ｎ（ｎは自然数））に設定可能である。第１圧電体層４１と第２圧電体層４２が接している必要はない。また各圧電体層の厚みやセラミックス層の積層数は同じである必要はなく、各層の目的に応じて適宜変更可能である。例えば誘電率の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第１圧電体層４１における厚みやセラミックス層の積層数を多くする。圧電ｇ定数の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第２圧電体層４２における厚みやセラミックス層の積層数を多くする。
【０１０８】
（作用）
上記層構造の圧電体素子４ｃによれば、上記実施形態１と同様の理由により、圧電体素子全体として高い誘電率や圧電ｇ定数を備え、圧電ｄ定数を向上させることができる。具体的に各圧電体層４１〜４ｎの誘電率をそれぞれε１〜εｎとすると、ε１＞ε２〜εｎであり、各圧電体層４１〜４ｎの圧電ｇ定数をそれぞれｇ１〜ｇｎとすると、ｇ２＞ｇ１、ｇ３〜ｇｎである。これら誘電率および圧電ｇ定数を備える圧電体層を積層すると、圧電体素子全体の厚み方向の圧電ｄ定数は、ｄ≡ｇ×ε×ε0、すなわち前記した式（３）と同様に表せる。ここで、ｇ１、ｇ３〜ｇｎのうち最小のもの＜ｇ≦ｇ２、ε２〜εｎのうち最小のもの＜ε≦ε１、ε０は真空誘電率（＝８．８５×１０−１２[F/m]）である。
【０１０９】
したがって各圧電体層のうち誘電率が低い層があっても他の圧電体層の誘電率を高く設定しておけば圧電体素子全体の誘電率を上げられる。誘電率の影響は前記したように層の厚みが厚いほど大きい。同様に、各圧電体層のうち圧電ｇ定数が低い層があっても他の圧電体層の圧電ｇ定数を高く設定しておけば圧電体素子全体の圧電ｇ定数を上げられる。誘電率や圧電ｇ定数を上げたい場合には誘電率や圧電ｇ定数が高い圧電体層の厚みやセラミックス層の積層数を多くすればよい。
【０１１０】
上記したように本実施形態３によれば、３種類以上の圧電体層を備えても上記実施形態１で説明した効果を奏する圧電体素子を提供できる。特に誘電率や圧電ｇ定数が少なくても、別の利点がある層を積層する際に本実施形態の層構造を適用できる。
【０１１１】
＜実施形態４＞
上記各実施形態では互いに異なる圧電体層が積層されるものであったが、本実施形態では第１圧電体層および第２圧電体層を複数層用いた層構造のバリエーションに関するものである。
【０１１２】
（層構造の説明）
図１０に本実施形態の圧電体素子４ｄの断面図を示す。この断面図は圧電体素子４ｄを振動板３および圧力室基板２を含めて幅方向に切断した様子を示す。本圧電体素子４ｄが適用されるインクジェットプリンタ（図２参照）およびインクジェット式記録ヘッド（図３および図４参照）は上記実施形態１と同様の構成であるため、その説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態４の圧電体素子４ｄ（図４におけるＡ−Ａ切断面）は図１０に示すように、実施形態１における第１圧電体層４１と第２圧電体層４２を交互に複数回積層して構成されている。具体的な組成については上記実施形態１と同様なので説明を省略する。
【０１１４】
各圧電体層４１および４２は上記実施形態１と同様の考え方で複数のセラミックス層を積層して構成することが好ましい。一時に厚い層を形成するとクラックの発生が生じ結晶状態のよい層が作れないからである。また上記実施形態１と同様の理由により、少なくとも下部電極膜に接する層に結晶核が存在することは良好な結晶構造の圧電体素子を形成するために好ましい。
【０１１５】
なお、積層の順番は図１０に限定されることなく、種々に変更可能である。第１圧電体層４１と第２圧電体層４２との配置を逆にしてもよい。また第１圧電体層や第２圧電体層の厚みやセラミックス層の積層数は同じである必要はなく適宜変更可能である。例えば誘電率の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第１圧電体層４１の厚みやセラミックス層の積層数を多くする。圧電ｇ定数の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第２圧電体層４２の厚みやセラミックス層の積層数を多くする。
【０１１６】
（作用）
上記層構造の圧電体素子４ｄによれば、上記実施形態１と同様の理由により、圧電体素子全体として高い誘電率や圧電ｇ定数を備え、圧電ｄ定数を向上させることができる。各圧電体層の誘電率は各圧電体層の厚みをそれぞれ積算した厚みの圧電体層により得られる誘電率と同等である。圧電体素子の誘電率はコンデンサの直列接続であるためその位置を変えても圧電体素子全体における誘電率は変わらないからである。すなわち積算した第１圧電体層の厚みが実施形態１の第１圧電体層の厚みと同じであれば、圧電体素子に対する誘電率の寄与率は同じである。また圧電ｇ定数に関しては実施形態１よりも高くできる可能性がある。上記したように本発明の圧電体素子では圧電ｇ定数が高い方の第２圧電体層の応力が低い方の第１圧電体層の結晶構造に及ぼされる結果、圧電体素子全体の圧電ｇ定数が高くなる。この応力の影響は第２圧電体層表面からの距離が小さい程大きいと考えられるので、図１０のように第２圧電体層を分散させた方が、第１圧電体層に力学的影響を多く及ぼすことが可能となるからである。
【０１１７】
上記したように本実施形態４によれば第１圧電体層と第２圧電体層の繰り返し構造を使用しても上記実施形態１で説明した効果を奏する圧電体素子を提供できる。特に本実施形態によれば圧電ｇ定数の影響を多くすることが可能である。
【０１１８】
＜実施形態５＞
上記実施形態４は第１圧電体層および第２圧電体層の繰り返し構造であったが、本実施形態５ではさらに実施形態３で述べた第３圧電体層を用いた繰り返し構造等の層構造のバリエーションに関するものである。
【０１１９】
（層構造の説明）
図１１に本実施形態の圧電体素子４ｅの断面図を示す。この断面図は圧電体素子を振動板３および圧力室基板２を含めて幅方向に切断した様子を示す。本圧電体素子４ｅが適用されるインクジェットプリンタ（図２参照）およびインクジェット式記録ヘッド（図３および図４参照）は上記実施形態１と同様の構成であるため、その説明を省略する。
【０１２０】
本実施形態５の圧電体素子４ｅ（図４におけるＡ−Ａ切断面）は図１１に示すように、実施形態４における第１圧電体層４１と第２圧電体層４２の他に、さらに実施形態３で用いた第３圧電体層４３を含めた層構造が複数回繰り返されて構成されている。なお図１１では第３圧電体層４３を一種類のみで示してあるが、図９で説明したように複数種類の第３圧電体層４３〜４ｎ（ｎは自然数）の繰り返し構造であってもよい。具体的な組成については上記実施形態１や上記実施形態３と同様なので説明を省略する。
【０１２１】
各圧電体層４１〜４３は上記実施形態１と同様の考え方で複数のセラミックス層を積層して構成することが好ましい。一時に厚い層を形成するとクラックの発生が生じ結晶状態のよい層が作れないからである。また上記実施形態１と同様の理由により、少なくとも下部電極膜に接する層に結晶核が存在することは良好な結晶構造の圧電体素子を形成するために好ましい。
【０１２２】
なお、積層の順番は図１１に限定されることなく、種々に変更可能である。例えば第１圧電体層４１、第２圧電体層４２、第３圧電体層４３のいずれか二層を逆に配置してもよい。また図１２に示すように各圧電体層４１〜４３を不規則に積層した圧電体素子４ｆであってもよい。このときある種類の圧電体層の数が他の種類の圧電体層の数と異なっていもよい。また各圧電体層の厚みやセラミックス層の積層数は同じである必要はなく適宜変更可能である。例えば誘電率の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第１圧電体層４１の層数や一層当たりの厚み、セラミックス層の積層数を多くする。圧電ｇ定数の影響を全体に強く及ぼしたい場合には第２圧電体層４２の層数や一層当たりの厚み、セラミックス層の積層数を多くする。
【０１２３】
（作用）
上記層構造の圧電体素子４ｅや４ｆによれば、上記実施形態１と同様の理由により、圧電体素子全体として高い誘電率や圧電ｇ定数を備え、圧電ｄ定数を向上させることができる。したがって各圧電体層のうち誘電率が低い層があっても他の圧電体層の誘電率を高く設定しておけば圧電体素子全体の誘電率を上げられる。誘電率の影響は前記したように層の厚みが厚いほど大きい。同様に、各圧電体層のうち圧電ｇ定数が低い層があっても他の圧電体層の圧電ｇ定数を高く設定しておけば圧電体素子全体の圧電ｇ定数を上げられる。誘電率や圧電ｇ定数を上げたい場合には誘電率や圧電ｇ定数が高い圧電体層の層数、一層当たりの厚み、セラミックス層の積層数を多くすればよい。特に圧電ｇ定数については上記実施形態４と同様の作用が働き、第１圧電体層に力学的影響を他の圧電体層に多く及ぼすことが可能となる。
【０１２４】
上記したように本実施形態５によれば、３種類以上の圧電体層を１層以上任意の配置で積層しても上記各実施形態で説明した効果を奏する圧電体素子を提供できる。特に圧電体素子を厚膜化する上で、複数種類の圧電体層を機能に併せて配置したい場合には、各圧電体層の機能を利用しながらも本実施形態の考え方を利用することで、圧電体素子全体の圧電特性を調整することができる。
【０１２５】
（その他の変形例）
なお、本発明は上記実施形態によらず種々に変形が可能である。例えば上記各実施形態で示した層構造は例示であり他の層構造も適用可能である。すなわち圧電体素子を複数の組成で構成し、その中に誘電率の高い層と圧電ｇ定数の高い層とを配置しておけば本発明の効果を奏する圧電体素子を構成できる。その圧電体素子の組成は上記した実施形態の例に限定されるものではなく、高い誘電率を示したり高い圧電ｇ定数を示すあらゆる組成が適用可能である。
【０１２６】
また圧電体素子の形状や配置、その他振動板や圧力室基板の構造は種々に変更が可能であり本発明の主旨に影響を与えるものではない。
【０１２７】
また、本発明はインクジェット式記録ヘッドの圧電体素子を主たる適用対象としたが、本発明により形成される圧電体層を、二つの電極膜で狭持された圧電体素子として使用してもよい。すなわち上記各実施形態における圧電体層を積層し、適用対象の大きさに合わせた形状となるように切り出せば、高性能の圧電体素子が得られる。本発明の圧電体層によれば、高い圧電ｄ定数を有するので、従来の圧電体素子と比べ、同一の圧力を加えた際にはより大きな電荷を発生させ、同一の電圧を加えた際にはより大きな変位をすることが期待できる。このような圧電体素子の適用対象としては、フィルタ、遅延線、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、ＳＡＷフィルタ、ＲＦモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等が考えられる。
【０１２８】
【発明の効果】
本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する構造を備えたので、従来品より高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を形成し、より少ない電圧でより多量のインク滴の吐出を可能とし、より速いインク滴の吐出を可能とすることができる。
【０１２９】
本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法によれば、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する工程を備えることにより、従来品より高い圧電ｄ定数を備えた圧電体素子を形成し、より少ない電圧でより多量のインク滴の吐出を可能とし、より速いインク滴の吐出を可能とすることができる。
【０１３０】
本発明の圧電体素子によれば、異なる特性の圧電性セラミックスを積層する構造を備えることにより、従来品より高い圧電ｄ定数を備え、従来品より少ない電圧でおより大きな体積収縮を生じさせ、従来品より少ない力で同等の電圧を生じさせる等、電気機械変換特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の圧電体素子の層構造を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【図２】本発明のインクジェットプリンタの全体斜視図である。
【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図４】本発明のインクジェット式記録ヘッドの圧力室基板の斜視図で一部断面図である。
【図５】本発明のインクジェット式記録ヘッドの動作原理を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から観察したものである。
【図６】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する製造工程断面図である。
【図７】本発明の実施例のインクジェット式記録ヘッドの組成分布図であり、横軸のスパッタ時間は、圧電体の表面からの膜厚方向への深度に相当するものである。
【図８】実施形態２の圧電体素子の層構造を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【図９】実施形態３の圧電体素子の層構造を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【図１０】実施形態４の圧電体素子の層構造を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【図１１】実施形態５の圧電体素子の層構造を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【図１２】実施形態５における圧電体素子の層構造の変形例を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ切断面から一つの圧電体素子を観察したものである。
【符号の説明】
１…ノズル板
２…圧力室基板
３…振動板
３０…下部電極膜
３１…絶縁膜
４，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ…圧電体素子
２１…キャビティ
４０…上部電極膜
４１…第１圧電体層
４１１〜４１４…セラミックス層
４２…第２圧電体層
４２１〜４２４…セラミックス層
４３〜４６…第３圧電体層
１０１…インクジェット式記録ヘッド
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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