(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記圧電体薄膜素子は、電圧対変位特性曲線が前記圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を備え、
前記圧電体膜は、前記駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜と、前記駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜と、を積層した薄膜であ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の薄膜の厚みは前記第２の薄膜の厚みよりも薄いことを特徴とする、請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記第１の薄膜は水熱法で成膜した膜である、請求項１又は請求項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２の薄膜はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜した膜である、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項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の薄膜の結晶粒径は１００ｎｍ乃至１００μｍの範囲である、請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうち何れか1項に記載のインクジェット式記録ヘッドと、略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号で前記インクジェット式記録ヘッドを駆動する制御回路と、を備えるプリンタ。
【請求項７】
インクが充填される加圧室の加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記加圧室基板の一方の面に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に電圧対変位特性曲線が前記圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記加圧室基板をエッチングしてインクを充填する前記加圧室を形成する工程と、
を備え、
前記圧電体膜を形成する工程は、前記駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜を形成する工程と、前記駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜を形成する工程と、をそれぞれ１回以上繰り返す工程である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８】
前記圧電体膜を形成する工程は、前記第１の薄膜の厚みを前記第２の薄膜の厚みよりも薄く成膜する工程である、請求項７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９】
前記第１の薄膜を形成する工程は水熱法で成膜する工程である、請求項７又は請求項８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１０】
前記第２の薄膜を形成する工程はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜する工程である、請求項７乃至請求項９のうち何れか１項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１１】
インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載のインクジェット式記録ヘッドを配置したプリンタを駆動する方法であって、略台形波の駆動電圧で前記インクジェット式記録ヘッドを駆動する、プリンタの駆動制御方法。
【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式記録ヘッドに係わる。特に、インク吐出制御に好適な特性を備える圧電体薄膜素子を備えたインクジェット式記録ヘッドに係わる。また、このインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタの駆動制御方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
入力される印字データに応じて選択的にインク滴を記録用紙に吐出して文字、或いは所望の画像を得るインクジェットプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドは、インク吐出の駆動源として機能する圧電体薄膜素子を備えている。この圧電体薄膜素子はジルコン酸チタン酸鉛等の圧電性セラミックスの薄膜、即ち、圧電体膜が上部電極と下部電極で挟まれた構造をしている。この圧電体膜は電圧を印加することで体積変化を生じ（逆圧電効果）、また、圧力を加えることで電圧変化を生ずるため（圧電効果）、電気機械変換素子として機能する。ペロブスカイト（perovskite）結晶構造を有するセラミックスはこの作用を顕著に示すものが多いため、圧電体膜の材料に用いられている。
【０００３】
インクジェット式記録ヘッドは、振動板を介して加圧室上に形成された圧電体薄膜素子を備える。記録用紙等に所望の印字をするときには、プリンタ内に内臓されるインクジェット式記録ヘッドの駆動制御回路が圧電体薄膜素子に所望の電圧（本明細書において特に断りがない限り、電圧とは下部電極に対する上部電極の電位とする）を印加することで、圧電体薄膜素子の逆圧電効果を利用して加圧室内の圧力を変化させ、インク滴を吐出している。
【０００４】
ところで、図６に示すように、インク吐出の待機時（同図（Ｉ））に印字データが供給されたとき、インク吐出の直前に加圧室内の圧力を瞬時に一旦低下させてノズル５１近傍にメニスカス９１を形成してから（同図（II））、加圧室内の圧力を高めてインク滴９２を吐出すると（同図（III））、ノズル５１から吐出されるインク滴９２のスピードが速くなり、インク吐出制御が容易になることが知られている。このようなインク吐出制御（以下、本明細書において「引き打ち」という。）ではインクの吐出量は変わらないため、鮮明な印字をする上で好適である。
【０００５】
尚、図中、符号１０１はインクジェット式記録ヘッド、１０は圧電体薄膜素子、３０は振動板、２０は加圧室基板、５はノズルプレート、５１はノズル、９０はインクである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電体膜としてゾル・ゲル法で成膜したものを利用すると、引き打ちによるインク吐出制御が複雑になる問題がある。その理由を図面を参照しながら説明する。ゾル・ゲル法で成膜した圧電体膜の電界対変位特性曲線は図４（Ａ）のようになる。同図において縦軸の変位δ［ｎｍ］は振動板の変位量を表し、加圧室側への変位を正方向とする。横軸の電界Ｅ［ｋＶ／ｃｍ］は上部電極と下部電極間の電界を表す。測定に用いた圧電体膜の組成は、０．９Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）Ｏ３−０．１Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３であり、厚みは１．０μｍである。圧電定数ｄ３１は１８０ｐＣ／Ｎであり、誘電率は１８００である。
【０００７】
同図に示すように、圧電体膜の変位量は電界の絶対値に依存し、変位方向は電界の向きに無関係である。このような電界対変位特性を備える圧電体膜を用いた圧電体薄膜素子で引き打ちを実現するためには、圧電体膜に図９（Ａ）に示すような波形の駆動電圧を圧電体薄膜に印加する必要がある。同図において、各時刻（０≦Ｔ≦Ｔ５）におけるインクジェット式記録ヘッドの状態を図１０を参照して説明する。図中、図６と同一符号のものは同一部を表す。
【０００８】
時刻０≦Ｔ≦Ｔ１では、圧電体薄膜素子１０にオフセット電圧Ｖ０が印加されており、振動板３０は微少距離ｄｘだけ変位した位置でインク吐出の待機状態になっている（同図（Ｉ））。インク吐出の直前、即ち、時刻Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２では、圧電体薄膜素子１０に印加される電圧を０にまで減少させ、加圧室内の圧力を瞬時に一旦低下させる。このステップにより、振動板３０の変位量は０になり、ノズル５１近傍にはメニスカス９１が形成される（同図（II））。時刻Ｔ２≦Ｔ≦Ｔ３では、印加電圧をＶＨまで上げ、インク滴９２を吐出する（同図（III））。時刻Ｔ３≦Ｔ≦Ｔ４において圧電体薄膜素子１０の印加電圧ＶＨを保持し、時刻Ｔ４≦Ｔ≦Ｔ５において印加電圧をオフセット電圧Ｖ０に戻す。
【０００９】
このように、従来では圧電体薄膜素子の駆動波形が複雑になり、制御回路の部品点数が増大する問題がある。プリンタのさらなる普及のためには製造コストを下げることが必要であり、制御回路の部品点数は少ない方が好ましい。また、インク吐出の待機時にオフセット電圧を印加しているため、圧電体薄膜素子の寿命が短くなる問題もある。さらに、上述した従来技術では、引き打ちの効果が小さい。
【００１０】
このような問題点に鑑み、本発明は、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドとその製造方法を提供することを課題とする。また、このインクジェット式記録ヘッドを用いたプリンタを提供することを課題とする。さらに、プリンタの簡易な駆動制御方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドである。この圧電体薄膜素子は、電圧対変位特性曲線が圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を備え、圧電体膜は、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜と、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜と、を積層した薄膜であることを特徴とする。
【００１２】
ここで、電圧対変位特性曲線とは、圧電体薄膜素子に印加される電圧を横軸にとり、圧電体薄膜素子の変位を縦軸にとった場合の特性曲線である。圧電体薄膜素子の変位は加圧室側へ変位する方向を正とする。この圧電体薄膜素子は上記の特性を有することで、駆動電圧の範囲内で印加電圧を変化させると、圧電体薄膜素子は一旦負の方向に変位した後、正方向へ変位する。従って、この圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源とすることで、インク吐出直前にノズル近傍にメニスカスを形成することができ、インク吐出スピードが向上するとともに、インク吐出制御が容易になる。また、電圧対変位特性曲線は圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極点を１つだけ有することが好ましい。この電圧の範囲内において駆動電圧を直線的に変化させるだけで引き打ちを容易に実現できる。
【００１４】
好ましくは、第１の薄膜の厚みを第２の薄膜の厚みよりも薄くする。例えば、第２の薄膜の膜厚が１．０μｍの場合、第１の薄膜の膜厚を０．５μｍとする。これらの膜厚は第１の薄膜の電圧対変位特性と第２の薄膜の電圧対変位特性に応じて適宜調整すればよい。また、第１の薄膜は水熱法で成膜すると良い。圧電体膜前駆体を水熱処理で結晶化することで、第１の薄膜は上記のような電圧対変位特性を備える薄膜になる。第２の薄膜はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜すると良い。これらの成膜法で得られる第２の薄膜は上記のような電圧対変位特性を備える薄膜になる。また、第１の薄膜と第２の薄膜は同一の組成の圧電体膜でもよく、異なる組成の圧電体膜でもよい。また、第１の薄膜の結晶粒径は１００ｎｍ乃至１００μｍの範囲が好ましい。
【００１５】
本発明のプリンタは、本発明のインクジェット式記録ヘッドと、略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号で前記インクジェット式記録ヘッドを駆動する制御回路とを備える。本発明のプリンタによれば、インクジェット式記録ヘッドを駆動する制御回路を簡易な回路構成で実現できる。
【００１６】
インクが充填される加圧室の加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドの製造方法である。この方法は、加圧室基板の一方の面に下部電極を形成する工程と、下部電極上に電圧対変位特性曲線が圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を形成する工程と、圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、加圧室基板をエッチングしてインクを充填する加圧室を形成する工程と、を備え、圧電体膜を形成する工程は、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜を形成する工程と、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜を形成する工程と、をそれぞれ１回以上繰り返す工程であることを特徴とする。
【００１７】
また、圧電体膜を形成する工程は、第１の薄膜の厚みを第２の薄膜の厚みよりも薄く成膜する工程とする。第１の薄膜を形成する工程は水熱法で成膜する工程が好ましい。第２の薄膜を形成する工程はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜する工程が好ましい。
【００１８】
本発明のプリンタの駆動制御方法は、インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に本発明のインクジェット式記録ヘッドを配置したプリンタを駆動する方法である。特に、略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号でプリンタを駆動することを特徴とする。本発明のプリンタの駆動制御方法によれば、引き打ちのような複雑なインク吐出制御を簡易な方法で実現できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を各図を参照して説明する。
【００２０】
（インクジェットプリンタの構造）
インクジェットプリンタの構造を図１を参照して説明する。インクジェットプリンタ１００は、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方向に往復し、所望の印字データに基づいてノズルからインク滴を吐出することで用紙１０５に印字する。本体１０２は背面にトレイ１０３を備えるとともに、その内部に用紙送り機構を備え、用紙１０５の印字が終了すると、正面の排出口１０４から用紙１０５を排紙する。
【００２１】
後述するように、インク吐出の駆動源である圧電体薄膜素子は積層構造を成している圧電体膜を備えている。この圧電体膜を構成する一部の層を水熱法で成膜するため、低温下での成膜が可能である。このため、膜内残留応力を低減することができ、圧電体薄膜素子の大型化が可能である。従って、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドをラインプリンタのインク吐出駆動源として機能させることも可能である。
【００２２】
（インクジェット式記録ヘッドの構造）
インクジェット式記録ヘッド１０１の構造を図２を参照して説明する。同図に示すインクジェット式記録ヘッド１０１の分解斜視図は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成されるタイプである。同図に示すように、インクジェット式記録ヘッド１０１は、主に加圧室基板１、ノズルプレート５及び基体３から構成される。
【００２３】
加圧室基板１はシリコン単結晶基板上に形成された後、各々に分離される。加圧室基板１は複数の短冊状の加圧室１１が設けられ、全ての加圧室１１にインクを供給するための共通流路１３を備える。加圧室１１の間は側壁１２により隔てられている。加圧室１１は２列に配列され、一列当たり１２８個形成されており、２５６ノズルの印字密度を有するインクジェット式記録ヘッドを実現している。加圧室基板１の基体３側には振動板膜及び圧電体薄膜素子（図示せず）が形成されている。また、各圧電体薄膜素子からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板４に収束され、インク吐出制御回路（図示せず）と接続される。インク吐出制御回路は本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドの駆動制御方法（詳細については後述する）でインク吐出を制御する。
【００２４】
ノズルプレート５は加圧室基板１に接合される。ノズルプレート５における加圧室１１に対応する位置にはインク滴を摘出するためのノズル５１が形成されている。ノズル５１は所定の配列ピッチで２列形成されている。各列の間隔は１８０分の１インチであり、ノズル５１の配列ピッチは３６０分の１インチである。
【００２５】
基体３はプラスチック、金属等の鋼体であり、加圧室基板１の取付台となる。
【００２６】
（圧電体薄膜素子の構造）
圧電体薄膜素子の構造を図３を参照して説明する。圧電体薄膜素子１０は上部電極６０と下部電極４０に挟まれた圧電体膜５０とから構成される。上部電極６０と下部電極４０は、白金、イリジウム、酸化イリジウム、金、アルミニウム、ニッケル等から選択される導電性材質である。
【００２７】
圧電体膜５０の組成として圧電特性を有する圧電性セラミックスを用いる。例えば、ＰＺＴ系圧電性材料や、この系に酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。圧電体膜５０の組成は圧電体薄膜素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。
【００２８】
図３に示すように、圧電体膜５０は下層５０Ａと上層５０Ｂの積層構造となっている。下層５０Ａは水熱法を用いて成膜した薄膜であり、上層５０Ｂはゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の水熱法以外の製法で成膜した薄膜である。このような薄膜の製法上の相違から、下層５０Ａと上層５０Ｂは圧電体薄膜素子１０の駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性（以下、本明細書において「Ｖ−δ特性」という場合がある。）が異なる薄膜になる。
【００２９】
ここで、下層５０ＡのＶ−δ特性を図４（Ｂ）を参照して説明する。同図において、縦軸の変位δ［ｎｍ］は下層５０Ａの変位を表し、下層５０Ａが加圧室側へ変位する方向を正方向としている。横軸の電圧Ｖ［Volt］は下層５０Ａに印加される電圧である。測定に用いた圧電体膜（下層５０Ａ）の組成は、Ｐｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３であり、厚みは５００ｎｍである。圧電定数ｄ３１は１２０ｐＣ／Ｎであり、誘電率は１０００である。この図から明らかなように、下層５０Ａの変位量δは印加電圧Ｖに対して単調増加をする。即ち、印加電圧を０から正方向に印加することで下層５０Ａは加圧室を加圧する方向へ変位し、印加電圧を０から負方向に印加することで下層５０Ａは加圧室を減圧する方向へ変位する。
【００３０】
これに対し、水熱法以外の製法、例えば、ゾルゲル法で成膜した上層５０Ｂの電界対変位特性は図４（Ａ）に示すようになる。上述したように、変位量δは電界Ｅの絶対値に依存し、変位方向は電界Ｅの向きに無関係である。電界は電圧と比例関係にあるから上層５０ＢのＶ−δ特性曲線は図４（Ａ）の電界対変位特性曲線と相似する。このように、上層５０Ｂと下層５０Ａは圧電体薄膜素子１０の駆動電圧の範囲内においてＶ−δ特性が異なる圧電体膜であることがわかる。
【００３１】
このＶ−δ特性の異なる２種類の薄膜から構成される圧電体膜５０のＶ−δ特性を図５を参照して説明する。同図中、符号５０１で示される曲線は下層５０ＡのＶ−δ曲線を示し、符号５０２で示される曲線は上層５０ＢのＶ−δ曲線を示す。また、圧電体膜５０の駆動電圧を―ＶＱ≦Ｖ≦０の範囲とする。圧電体膜５０は下層５０Ａと上層５０Ｂとから構成されるため、圧電体膜５０のＶ−δ曲線は両者の曲線を合成したものであり、符号５０３で示される。同図に示すように、圧電体膜５０のＶ−δ曲線５０３は、印加電圧Ｖを０から負の方向に印加すると、下記の（１）式で示される所定の電圧―ＶＰまではδは単調減少する。このときの変位量をｄ１とする（δ＝−ｄ１）。
【００３２】
―ＶＰ≦Ｖ≦０…（１）
更に、下記の（２）式に示すように、印加電圧を―ＶＰから負の方向に印加すると、δは単調増加をする。ここで同図中、―ＶＱは負の印加電圧の最大値であり、このときのδ＝ｄ２は加圧室方向の最大変位である。
【００３３】
―ＶＱ≦Ｖ≦―ＶＰ…（２）
即ち、（１）式で示される範囲では、上層５０Ｂが正方向に変位する作用よりも下層５０Ａが負方向に変位する作用の方が強いため、圧電体膜５０全体としては負方向へ変位する。一方、（２）式で示される範囲では、下層５０Ａが負方向に変位する作用よりも上層５０Ｂが正方向に変位する作用の方が強いため、圧電体膜５０全体としては正方向へ変位する。圧電体膜５０がこのようなＶ−δ特性を備えるためには、下層５０Ａの厚さは上層５０Ｂの厚さよりも薄い方が好ましい。即ち、圧電体薄膜素子１０が駆動電圧（―ＶＱ≦Ｖ≦０）の範囲において、極点（―ＶＰ，−ｄ１）を有するためには、以下の条件を満たす必要がある。
【００３４】
例えば、下層５０Ａの膜厚をｄＡ、単位厚み当たりの電圧対変位特性曲線をｆＡ（Ｖ）、上層５０Ｂの膜厚をｄＢ、単位厚み当たりの電圧対変位特性曲線をｆＢ（Ｖ）とすると、圧電体膜５０の電圧対変位特性曲線ｆ（Ｖ）は、
ｆ（Ｖ）＝ｄＡｆＡ（Ｖ）＋ｄＢｆＢ（Ｖ）
で表せる。従って、―ＶＱ≦Ｖ≦０の電圧の範囲内においてｆ（Ｖ）の微分値が０となるＶが存在するようにｄＡとｄＢを定めればよい。具体的には、下層５０Ａの厚さ０．５μｍに対し、上層５０Ｂの厚さを１．０μｍとする。この条件下で上記―ＶＰは−８Ｖ、―ＶＱは−２５Ｖ、ｄ１は４０ｎｍ、ｄ２は２４０ｎｍとなる測定結果を得た。
【００３５】
（インクジェット式記録ヘッドの駆動原理）
このインクジェット式記録ヘッド１０１の駆動原理を図７を参照して説明する。この図はインクジェット式記録ヘッドの主要部における電気的な接続関係を示したものである。駆動電圧源８の一方の電極は配線８１を介し、インクジェット式記録ヘッドの下部電極４０に接続する。駆動電圧源８の他方の電極は配線８２及びスイッチ８３ａ〜８３ｃを介して各加圧室１１ａ〜１１ｃに対応する上部電極６０に接続する。
【００３６】
この図では、加圧室１１ｂのスイッチ８３ｂのみが閉じられ、他のスイッチ８３ａ、８３ｃが開放されている。スイッチ８３ａ、８３ｃが開放されている加圧室１１ａ、１１ｃはインク吐出の待機状態を示す。インク吐出時には、例えば、スイッチ８３ｂのようにスイッチが閉じられ、圧電体膜５０に電圧が印加される。この電圧は、矢印Ａに示す圧電体膜５０の分極方向と同極性、換言すると、分極時の印加電圧の極性と同じように電圧が印加される。圧電体膜５０は厚み方向に膨張するとともに、厚み方向と垂直方向に収縮する。この収縮で圧電体膜５０と振動板３０の界面に応力が働き、圧電体膜５０及び振動板３０は下方向にたわむ。このたわみにより加圧室１１ｂの体積が減少し、ノズル５１からインク滴９２が吐出する。その後再びスイッチ８３ｂを開くと、たわんでいた圧電体膜５０及び振動板３０が復元し、加圧室１１ｂの体積が膨張することでインク供給路（図示せず）より加圧室１１ｂへインクが充填される。
【００３７】
（インクジェット式記録ヘッドの駆動制御方法）
図５に示すＶ−δ特性を有する圧電体膜５０を備える圧電体薄膜素子１０をインクジェット式記録ヘッド１０１のインク吐出の駆動源として用いるときの駆動制御方法を図９（Ｂ）、図６を参照して説明する。ここで、図９（Ｂ）はインクジェット式記録ヘッドの駆動波形である。図６はインク吐出時の各時刻におけるインクジェット式記録ヘッドの状態図である。
【００３８】
時刻０≦Ｔ≦Ｔ１では、印加電圧Ｖは０であり、インクジェット式記録ヘッド１０１はインク吐出の待機状態にある（図６（I））。時刻Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２では印加電圧Ｖは、―ＶＰ≦Ｖ≦０の範囲で負の方向に印加される。このとき、圧電体薄膜素子１０は負の方向（加圧室を減圧する方向）に変位し、印加電圧Ｖが―ＶＰのときにｄ１だけ変位する（図６（II））。この状態でノズル５１近傍にメニスカス９１が形成される。時刻Ｔ２≦Ｔ≦Ｔ３では印加電圧Ｖは―ＶＱ≦Ｖ≦―ＶＰの範囲で負の方向に印加される。このとき、圧電体薄膜素子１０は正の方向（加圧室を加圧する方向）に変位し、印加電圧Ｖが―ＶＱのときにｄ２だけ変位する（図６（III））。この状態でインク滴９２が吐出される。時刻Ｔ３≦Ｔ≦Ｔ４では印加電圧Ｖは―ＶＱのまま一時的に保持され、時刻Ｔ４≦Ｔ≦Ｔ５では印加電圧Ｖは―ＶＱから０へ正方向に徐々に印加される。このとき圧電体薄膜素子１０の変位はｄ２から０へ徐々に戻る。時刻Ｔ５≦Ｔでインクジェット式記録ヘッド１０１は再びインク吐出の待機状態になる（図６（I））。
【００３９】
このように、本実施の形態の圧電体薄膜素子によれば、単純な台形波を印加するだけで引き打ちを実現することができるため、従来のように複雑な駆動制御をする必要がない。
【００４０】
尚、引き打ちを効率よく実現するためには、（Ｔ３−Ｔ１）≦（Ｔ５−Ｔ４）とし、インク吐出時（時刻Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ３）の電圧変化を大きくすると効果的である。例えば、圧電体薄膜素子１０の振動周波数を１４．４ｋＨｚとすると、インク滴を１滴吐出するために必要な時間、即ち、Ｔ５−Ｔ１は６９．４μｓとなるから、Ｔ３−Ｔ１を１０μｓとし、Ｔ５−Ｔ４を２９．４μｓとすると効果的である。
【００４１】
（インクジェット式記録ヘッドの製造工程）
インクジェット式記録ヘッドの製造工程を図８を参照して説明する。
【００４２】
振動板と下部電極の形成工程（図８(Ａ)）
本工程は基板２０上に振動板となる絶縁膜３０と下部電極膜４０を成膜する工程である。基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２２０μｍのシリコン単結晶基板を用いる。絶縁膜３０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の膜厚の熱酸化膜とすることで形成する。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の膜厚の熱酸化膜を形成してもよい。その他、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。
【００４３】
絶縁膜３０は、基板２０と下部電極４０間を電気的に絶縁する他、エッチング処理に対する保護層となる。絶縁膜３０として、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよく、さらに、振動板自体をなくして後述する下部電極に振動板の役割を兼ねてもよい。この絶縁膜３０の圧電体薄膜素子が形成される側の表面上にスパッタ成膜法等の薄膜形成法により下部電極４０となる白金を、例えば、０．５μｍの厚さで成膜する。この場合、絶縁膜３０と下部電極４０間の密着力を上げるために、極薄のチタン、クロム等を中間層として介在させてもよい。
【００４４】
圧電体膜（下層）形成工程（同図（Ｂ））
本工程は下部電極４０上に水熱法で圧電体膜（下層５０Ａ）を成膜する工程である。まず、圧電体膜の原料となるゾルを調製する。２−ｎ−ブトキシエタノールを主溶媒とし、イミノジエタノールを添加した溶媒に酢酸鉛三水化物、チタニウムテトライソプロポキシド、テトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムを混合し、室温下で２０分間攪拌する。その後、室温になるまで自然冷却する。この工程でゾルが得られる。このゾルを下部電極４０上に１２５ｎｍの厚さでスピンコーティングする。ゾルの膜厚を均一にするために最初は５００ｒｐｍで３０秒間、次に１５００ｒｐｍで３０秒間、最後に５００ｒｐｍで１０秒間、スピンコーティングする。この段階で圧電体膜を構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。ゾルを下部電極に塗布した後、例えば、１８０℃で１０分間乾燥させる。次いで、大気雰囲気下において、例えば、３５０℃で６０分間脱脂する。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し、酸化燃焼反応を生じて大気中に拡散する。このゾルの塗布／乾燥／脱脂を４回繰り返すことで０．５μｍの圧電体膜前駆体を得る。
【００４５】
次いで、この圧電体膜前駆体を水熱処理する。まず、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）、水酸化バリウム水溶液（Ｂａ（ＯＨ）２）又は水酸化カリウムと水酸化鉛の混合水溶液（ＫＯＨ＋Ｐｂ（ＯＨ）２）の何れかのアルカリ水溶液を処理液２０１として調製する。濃度は０．５ｍｏｌ／ｌ程度とする。この処理液２０１を水槽２００に満たす。上述の工程で得られた圧電体膜前駆体を基板２０ごと水槽２００に浸漬し、オートクレーブ中で結晶化を促進させる。このときの水熱処理の温度は１００℃〜２００℃の範囲に設定する。この範囲より低い温度では結晶化が促進されず、この範囲より高い温度では圧電体膜前駆体や基板２０がエッチングされる不都合が生じるからである。処理圧力は２ｋｇ／ｃｍ２以上で１０ｋｇ／ｃｍ２以下に設定することで良質な結晶を得ることができる。処理時間は１０分〜６０分の範囲とする。１０分未満では十分な結晶を得ることができず、６０分位以上では圧電体膜前駆体や基板２０がエッチングされる不都合が生じるからである。以上の工程を経て圧電体膜（下層５０Ａ）が形成される。この圧電体膜の平均結晶粒は１００ｎｍ乃至１μｍの範囲であり、表面の平坦性に優れている。
【００４６】
尚、圧電体膜前駆体を下部電極４０上に成膜する工程は上述の方法（ゾル・ゲル法）の他に、スパッタ法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法等で成膜することもできる。
【００４７】
本工程で得られる下層５０ＡのＶ−δ特性は図４（Ｂ）のようになる。これは、上述した水熱法で圧電体膜（下層５０Ａ）を成膜することで、結晶中の合成双極子の向きが一方向になることによる。合成双極子の向きは圧電縦効果が得られる向きである。
【００４８】
圧電体膜（上層）形成工程（同図（Ｃ））
本工程は下層５０Ａ上に上層５０Ｂを成膜する工程である。本実施の形態では、、ゾル・ゲル法で上層５０Ｂを成膜する場合を説明する。上述の工程で得られたゾルを下層５０Ａ上に最終的な厚さが１．０μｍの厚さになるように１０回に分けて塗布、乾燥、脱脂処理をし、圧電体膜前駆体を形成する。塗布工程は、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、バーコート法等の慣用技術で行えば良い。乾燥工程は、自然乾燥又は２００℃以下の温度に加熱することで行えば良い。脱脂工程は、ゾル組成物の膜をゲル化し、且つ、膜中から有機物を除去するのに充分な温度で、十分な時間加熱することで行う。この工程で残留有機物を実質的に含まない非晶質の金属酸化物からなる多孔質ゲル薄膜とする。この場合、圧電体膜前駆体を結晶化させるために５回目と１０回目の脱脂後に基板全体を高速熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）する。この工程は赤外線輻射光源（図示せず）を用いて基板の両面から酸素雰囲気中で６５０℃で５分保持した後、８００℃で１分加熱し、その後自然降温させる。この工程で圧電体膜前駆体は結晶化及び焼結し、ペロブスカイト結晶構造を備える圧電体膜（上層５０Ｂ）となる。
【００４９】
本工程で得られる上層５０ＢのＶ−δ特性は図４（Ａ）のようになる。また、本工程により、下層５０Ａと上層５０Ｂとから構成される、厚さ１．５μｍの圧電体膜５０が得られる。この圧電体膜５０のＶ−δ特性は図５のようになる。
【００５０】
上部電極形成工程（同図(Ｄ)）
本工程は圧電体膜５０上に上部電極６０を成膜する工程である。圧電体膜５０の上に、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６０を形成する。上部電極の材料は白金を用いる。膜厚は１００ｎｍ程度にする。また、白金に限らず、イリジウム、白金とイリジウムの合金、酸化イリジウム、アルミニウム等でもよい。
【００５１】
エッチング工程（同図(Ｅ)）
本工程は絶縁膜３０上に形成された積層構造をエッチングし、所定の領域に分離することで圧電体薄膜素子１０を形成する工程である。上述の工程で各層を形成後、絶縁膜３０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６０、圧電体５０及び下部電極４０を取り除く。エッチング工程は、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６０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。本工程により、次工程で形成されるべき加圧室の位置に対応して圧電体薄膜素子１０が形成される。
【００５２】
加圧室形成・ノズルプレート接合工程（同図(Ｆ)）
本工程は基板２０に加圧室１１を形成し、ノズルプレート５を接合する工程である。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、加圧室１１が形成される空間をエッチングする。エッチングされずに残された基板部分が側壁１２になる。エッチング後の基板２０にノズルプレート５を樹脂等を用いて接合する。このとき、各ノズル５１が加圧室１１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。加圧室１１を接合した基板２０を基体３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。
【００５３】
尚、ノズルプレート５と基板２０を一体的にエッチングして形成する場合は、ノズルプレート５の接合工程は不要である。
【００５４】
（圧電体薄膜素子の変形例）
圧電体薄膜素子１０の変形例を説明する。上述の例では圧電体膜５０を、水熱法で成膜した圧電体膜（下層５０Ａ）と水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜（上層５０Ｂ）とからなる２層構造としたが、図３（Ｂ）のように多層構造としてもよい。即ち、水熱法で成膜した圧電体膜５０Ｃ、５０Ｅの間を水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜５０Ｄ、５０Ｆで挟んだ多層構造とする。但し、４層に限らず、５層、６層等、Ｖ−δ特性を考慮して適当な層数に適宜設定すればよい。また、水熱法で成膜した圧電体膜の膜厚の合計は水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜の膜厚の合計よりも薄くすることが好ましい。
【００５５】
尚、圧電体膜（下層５０Ａ）を、記述の水熱法とは異なる水熱法で成膜することもできる。例えば、図８（Ａ）において、下部電極４０としてチタンを成膜した基板２０を、鉱化剤として水酸化ナトリウム（ＫＯＨ）を５ｍｏｌ／ｌ含む水溶液に、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ３）２）を０．５ｍｏｌ／ｌ、塩化酸化ジルコニウム８水和物（ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏ）を０．８ｍｏｌ／ｌ、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を４ｍｏｌ／ｌ溶解させ、この溶液中で温度１５０℃の環境下で３０時間水熱処理をする。この成膜法では、基板２０上に膜厚４００ｎｍ、組成がＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３である圧電体膜５０Ａが得られた。
【００５６】
（作用）
以上、説明したように、本実施の形態によれば、駆動電圧の範囲内でＶ−δ特性曲線の電圧に対する微分値の符号が異なる薄膜を積層して圧電体膜を構成したので、インク吐出制御に優れたＶ−δ特性を有する圧電体薄膜素子を備えたインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。このＶ−δ特性曲線の電圧に対する微分値の符号が異なる薄膜とは、例えば、水熱法で成膜された圧電体膜（上記微分値が正）と、水熱法以外の成膜法で成膜された圧電体膜（上記微分値が負）である。この圧電体薄膜素子をインクジェット式記録ヘッドに応用することでインク吐出制御が容易になる。即ち、単純な台形波形の印加電圧で引きうちを実現することができ、従来のように複雑な駆動波形でインクジェット式記録ヘッドを駆動する必要がないため制御回路を簡易に構成することができる。また、複雑な駆動波形を実現するためには多くのトランジスタ等を必要とするが、これが不要となるため、消費電力を下げることができるとともに、製造コストを下げることができる。また、従来のようにインク吐出待機時にオフセット電圧を印加する必要がないため、圧電体薄膜素子の経年劣化を防止することができる。
【００５７】
また、積層構造を有する圧電体膜の一部の層を水熱法で成膜するため、低温下での成膜が可能である。このため、膜内残留応力を低減することができ、圧電体薄膜素子の大型化が可能である。従って、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドをラインプリンタのインク吐出駆動源として機能させることも可能である。
【００５８】
【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、インク吐出制御に好適な電圧対変位特性を備える圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源としたため、インク吐出制御が容易になる。
【００５９】
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、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００６０】
本発明のプリンタによれば、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドを備えるため、インクジェット式記録ヘッドの駆動回路を簡易に構成することができる。
【００６１】
本発明のプリンタの駆動制御方法によれば、単純な駆動波形で圧電体薄膜素子の複雑な駆動制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のインクジェットプリンタの全体斜視図である。
【図２】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】本実施の形態の圧電体薄膜素子の構造を説明する断面図である。
【図４】（Ａ）は本実施の形態の圧電体膜を構成する薄膜の電界対変位特性曲線のグラフであり、（Ｂ）は電圧対変位特性曲線のグラフである。
【図５】本実施の形態の圧電体膜の電圧対変位特性曲線のグラフである。
【図６】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドのインク吐出時の状態図である。
【図７】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作原理を説明する図である。
【図８】本実施の形態のインクジェット式記録の製造工程断面図である。
【図９】（Ａ）は従来のインクジェット式記録ヘッドの駆動波形であり、（Ｂ）は本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの駆動波形である。
【図１０】従来のインクジェット式記録ヘッドのインク吐出時の状態図である。
【符号の説明】
１００          インクジェットプリンタ
１０１          インクジェット式記録ヘッド
１０２          本体
１０３          トレイ
１０４          排紙口
１０５          用紙
１              加圧室基板
１１            加圧室
１２            側壁
１３            共通流路
３              基体
４              配線基板
５              ノズルプレート
５１            ノズル
１０            圧電体薄膜素子
２０            基板
３０            振動板（絶縁膜）」
４０            下部電極
５０            圧電体膜
５０Ａ          下層
５０Ｂ          上層
６０            上部電極
【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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