アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及び画像形成装置
【課題】低電圧化を可能としたアクチュエータを提供する。
【解決手段】振動板Ａと、振動板Ａの一面に設けた振動板側電極８に密接して設けられて圧電変位して振動板Ａを変位変形させる圧電素子Ｂと、を備え、圧電素子Ｂは、圧電素子側電極１２及び振動板側電極間８に複数の圧電膜９、１１と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極１０と、を備え、各圧電膜は、中間電極１０を構成する各層と、振動板側電極８又は圧電素子側電極１２との間に電位を印加されることで変位するようにした。
【解決手段】振動板Ａと、振動板Ａの一面に設けた振動板側電極８に密接して設けられて圧電変位して振動板Ａを変位変形させる圧電素子Ｂと、を備え、圧電素子Ｂは、圧電素子側電極１２及び振動板側電極間８に複数の圧電膜９、１１と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極１０と、を備え、各圧電膜は、中間電極１０を構成する各層と、振動板側電極８又は圧電素子側電極１２との間に電位を印加されることで変位するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータ、これを利用した液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となってきている。
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室（加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段（アクチュエータ）とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる。
このような液滴吐出ヘッドに用いる圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のものなどがある。ピエゾ型のものにはＤ３３方向の変形を利用した縦振動型、Ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。その中で近年、半導体プロセスやマイクロマシニング技術の進歩により、パターニング加工技術が確立されていて、かつ、コストの安いＳｉ基板に加圧室及び圧電素子を直接形成するアクチュエータ構成が考案されている。
【０００３】
しかし、圧電素子を用いたベンドモード型のアクチュエータは振動板上に直接アクチュエータを形成する必要があり、このため圧電素子の性能が十分ではなく安定した膜の形成や低電圧化及び効率向上を目的とした構造の工夫が必須となっている。
かかる問題について、特許文献１に開示されている製造方法では、２回に分けて圧電膜を成膜する製法が開示されている。
従来製法では圧電体膜の所定の配向度を安定して再現性良く得ることが困難であるという問題があり、このような圧電体素子は、安定した高い圧電特性を得ることが難しく、インクジェット式記録ヘッドないしはプリンタの印字性能を十分に得られない要因となっていたが、特許文献１におけるように、振動板膜上に成膜した下部電極を所定形状にパターニングした後に、当該下部電極上に圧電体膜を成膜する場合には、圧電体膜の所定の配向度を安定して再現性よく得ることできる。
しかしながら、特許文献１には駆動電圧の低電圧化や効率向上の為の方法が記載されていない。
【０００４】
特許文献２には、下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に設けられた上部電極と、を備える圧電体薄膜素子であって、前記圧電体薄膜は、膜厚方向の所定位置より上部電極側における膜厚方向の電気抵抗率に対し、前記所定位置より下部電極側における膜厚方向の電気抵抗率の方が高い圧電体薄膜素子の構成が開示されている。
かかる圧電体薄膜の形成工程において、金属有機化合物のゾルを塗布した後に焼成する成膜工程を複数回行って複数の層からなる圧電体薄膜を形成する工程を用い、複数の層のうち下部電極側の層の成膜と、上部電極側の層の成膜とにおいて、ドーパントの量が互いに異なるゾルを塗布することで膜厚方向の膜の抵抗率が異なる膜を形成している。抵抗の異なる多層膜とすることで膜厚方向にかかる電界を異ならせ、変形量に合せて電界が異なる構成になっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の構成では、低電圧が可能としているがその差は僅かであり、素子としての機能向上や効率向上は不十分なものとなっている。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、特に振動板に直接電極及び圧電材を成膜して圧電素子を形成し、圧電素子の横振動モードによる縮み変形を利用して振動板を撓ませる構成のアクチュエータにおいて、圧電素子が上部電極及び下部電極のほかに中間電極を有し、且つ中間電極が複数の膜から形成されている構成とすることで、電極間にかかる電圧を分けることで低電圧化を可能としたアクチュエータ機構及びこれを用いた液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、振動板と、該振動板の一面に設けた振動板側電極に密接して設けられて圧電変位して前記振動板を変位変形させる圧電素子と、を備えたアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、圧電素子側電極及び前記振動板側電極間に複数の圧電膜と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極と、備え、各圧電膜は、前記中間電極を構成する各層と、前記振動板側電極又は圧電素子側電極との間に電位を印加されることで変位することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、前記中間電極は、複合部材を拡散接合により接合した多層膜である請求項１記載のアクチュエータを特徴とする。
また、請求項３の発明は、前記複合部材が低融点金属を含む請求項２に記載のアクチュエータを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４の発明は、液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室を形成した隔壁基板と、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータと、備え、前記アクチュエータの前記振動板は、前記吐出室の少なくとも一方の壁面を構成し、前記アクチュエータの圧電素子が圧電変位して前記振動板を変位変形させることにより、前記吐出室内の液滴を前記ノズル孔から吐出する液滴吐出ヘッドを特徴とする
また、請求項５の発明は、請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えている画像形成装置を特徴とする。
【０００８】
また、請求項７の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形により生じた力によって液体を輸送するマイクロポンプを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形によりミラーを変形させて光の反射方向を変化させる光変調デバイスを特徴とする。
また、請求項９の発明は、第１のシリコン基板に、振動板材料と、振動板側の電極となる第１の電極材料と、第１の圧電材層と、第１の部分電極と、インサート材と、を順に形成し、第２のシリコン基板に、第２の電極材料と、第２の圧電材層と、第２の部分電極と、を順に形成し、前記第１のシリコン基板と、前記第２のシリコン基板を対向させて、加熱及び加圧を行うことにより前記インサート材に拡散反応を生じさせ、前記第１の部分電極及び第２の部分電極を結合させて、前記第１の圧電材層及び前記第２の圧電材層との間に、２層からなる中間電極を形成し、前記第２のシリコン基板をエッチングにより除去し、前記第１の圧電材層、前記第２の圧電材層、前記中間電極、及び前記第２の電極材料にエッチングによってレジストパターンを形成するアクチュエータの製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドでは振動板の一部を成す下電極と吐出室に対応する領域に圧電材層と中間電極を有し、更に圧電材層及び上電極を積層した構成とし、その中間電極が複数の層からなるようにして電極間にかかる電圧を分けるように構成したことにより低電圧化を可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明の液滴吐出ヘッドの組み立てられた装置全体の断面図。
【図３】本発明の液滴吐出ヘッドの透過平面図。
【図４】図１、３のＸ−Ｘ線における断面工程図。
【図５】図１、３のＸ−Ｘ線における断面工程図。
【図６】本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクカートリッジを示す図。
【図７】本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図。
【図８】本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図。
【図９】本発明のアクチュエータを用いたマイクロポンプの構成を示す図。
【図１０】本発明の液滴吐出ヘッドを光学デバイスに応用した例を示す図（その１）。
【図１１】本発明の液滴吐出ヘッドを光学デバイスに応用した例を示す図（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、一部を断面図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の例を示すもので図示している。
図２は組み立てられた全体装置の断面図を示すものであり、図１に示した断面Ｘ−Ｘに対応する断面図で、便宜上２つの吐出室のみ示してある。図３は透過平面図である。
図１−３を参照して、本発明の液滴吐出ヘッドの構造を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の液滴吐出ヘッドは、ニッケル高速電鋳法を用いて厚さ２０ミクロンに形成したニッケル基板であり、インクを吐出するためのノズル孔２０を有するノズル基板２と、振動板Ａ、圧電素子Ｂ、シリコン基板Ｃからなる液室基板１と、圧電素子Ｂと当接し、その保護及び変位を妨げない為の圧電素子保護空間２２を配した保護基板３、の３枚の基板を重ねた積層構造となっている。
また、液室基板１を構成するシリコン基板Ｃには、シリコンを隔壁４を残してエッチングすることで、吐出室１４が形成されている。シリコン基板Ｃは、ノズル基板２と当接し、吐出室１４は、ノズル基板２のノズル孔２０と連通する。
また、液室基板１の、ノズル基板２とは逆側の面には、シリコン基板Ｃ上に積層膜により振動板Ａが形成されており、振動板Ａは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて、ノズル基板側からシリコン酸化膜５、シリコン活性層６、シリコン酸化膜７、及び圧電素子Ｂの下電極（振動板側電極）となる白金膜８が多層に積層されている。
また、圧電素子Ｂは、図２に示すように、パターニングされた第１圧電材層（圧電膜）９及び中間電極１０、第２圧電材層（圧電膜）１１、及び上電極（圧電素子側電極）１２からなる多層構造膜であり、第１圧電材層９が、白金膜８に当接する構成となっている。
振動板Ａの白金膜電極８、圧電素子Ｂの中間電極１０、上電極１２は外部配線へ接続し電圧を供給することでベンドモードの圧電アクチュエータとして機能し、上記隔壁４に対向する領域の多層膜は構造壁及び保護基板３との接合面として機能する。
なお、図１に示すように、保護基板３は、外部装置からインクを供給するためのインク供給孔２４を備え、液室基板１は、共通液室１８及び流体抵抗１５を備えている。
【００１３】
上記のように構成された液滴吐出ヘッドの動作を説明する。
まず構造完成後に圧電材（圧電アクチュエータ）の分極処理（ポーリング）を行なう。上電極１２及び中間電極１０を短絡させ下電極８との間に１０Ｖから３０Ｖ迄電圧を徐々に上昇させ約１０分間印加する。
更に上電極１２と中間電極１０及び下電極８を短絡させた間に同様に電圧を印加する。これにより第１圧電膜９及び第２圧電膜１１の分極方向を揃えることができる。このように前処理を行なった液滴吐出ヘッドに対しインク充填を行なう。
インク供給孔２４から共通液室１８及び流体抵抗１５を経由して各吐出室１４内にインクが供給される。吐出室１４がインクにより満たされた状態で下電極８及び中間電極１０間と中間電極１０及び上電極１２間に同時に２０Ｖのパルス電位を加える。これにより第１及び第２圧電材９、１１が横振動モードで変形（縮み）し、圧電素子Ｂと密着している振動板Ａ全体が吐出室１４側に凸形状に変形する。これにより吐出室１４の体積が減少し吐出室１４内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔２０よりインク液滴２１を記録紙４０に向けて吐出する。パルス電圧を連続的に印加し繰り返すことによりインクを連続的に吐出することが出来る。
【００１４】
次に、かかる液滴吐出ヘッドの製作方法、構成など実施例をあげて詳細に説明する。
図４、５は図１、３におけるＸ−Ｘ線における断面工程図である。
本発明においてはシリコン基板Ｃに振動板材料及び圧電素子材料を成膜していくことでアクチュエータを作成していく。
図４（ａ）に示すような、厚み２５０ｕｍの＜１００＞シリコン基板Ｃの表面に絶縁膜となるシリコン酸化膜５が０．１ｕｍ、次に振動板材料となるシリコン活性層６が０．５ｕｍ次にシリコン酸化膜７が０．３ｕｍ形成されたＳＯＩ基板を用いる。
なお、シリコン基板Ｃの反対面には、シリコン酸化膜５、７とは別に酸化膜ａが設けられている。
図４（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜７上に、圧電素子Ｂの下電極８となるＴｉ／Ｐｔ層をスパッタ法によりそれぞれ０．０５ｕｍ／０．１ｕｍ成膜する。更にスパッタ法により第１圧電材層９としてのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）及び中間電極１０の一部となるＰｔ（白金）層１０−１をそれぞれ１．０ｕｍ、０．０５ｕｍずつ形成する。さらに前記Ｐｔ層１０−１上に、拡散接合を行なう為のインサート材ｂとして、Ｃｕ及び低融点金属であるＳｎ−Ｉｎ合金をそれぞれ０．０５ｕｍ、０．０５ｕｍづつ成膜する。
なお、別途、図４（ｂ’）に示すように、両面にシリコン酸化膜ｄ、ｅを０．３ｕｍ形成した２００ｕｍ厚のシリコン基板Ｄの一方の面上に前記シリコン基板Ｃ上に形成したものと同様にＴｉ／Ｐｔ層（０．０４ｕｍ／０．１ｕｍ）１２を成膜し、さらに第２圧電材層１１としてスパッタ法によりＰＺＴ（１．０ｕｍ）形成し、かつ中間電極１０の一部としてＰｔ／Ｃｕ層１０−２（それぞれ０．０５ｕｍ、０．０５ｕｍ）を形成したものを準備する。
【００１５】
次いで、図４（ｃ）に示すように、上記２枚の基板の圧電層側（インサート材ｂとＰｔ／Ｃｕ層１０−２）を対向させ加圧・加熱（１５０℃）をう。これによりインサート材であるＳｎ‐ＩｎとＣｕ間での拡散反応が促され、強固な接合が実現され２枚の基板が接合される。
次に、図４（ｄ）に示すように、張り合わせた２００ｕｍ厚のシリコン基板Ｄの表面のシリコン酸化膜ｅをドライエッチング法により除去し、シリコン層Ｄをアルカリエッチにより剥離し、次工程のためにマスクする。
【００１６】
その後、図５（ａ）に示すように、シリコン基板Ｃの反対面に同時に形成されていたシリコン酸化膜ａをリソエッチ法によりパターニングする。
そして、ＢＨＦにより酸化膜ａ（０．３ｕｍ）を除去する。残った部分をマスクする。
その後、リソ法によりレジストパターンを形成し、図４（ｄ）で用意したマスクを用いて上電極１２、第２圧電材１１、をドライエッチング法によりエッチングする。さらにリソ法によりレジストパターンを形成し中間電極１０、第１圧電材９、をドライエッチング法によりエッチングする。図示しないがその後通常のＡｕ成膜、リソエッチ、保護膜形成の繰り返しによりＡｕ配線層を中間電極１０、上電極１２にたいして形成する。
更に、図５（ｂ）に示すように、この酸化膜ａをマスクにシリコン基板ＣをＩＣＰドライエッチングによりエッチングし隔壁４、吐出室１４、流体抵抗部１５及び共通液室１７となる凹部を形成する。
その後、図５（ｃ）に示すように、スルファミン酸浴で高速電鋳法により製作したノズル基板２を隔壁４側に接着する。
最後に、図５（ｄ）に示すように、別途シリコン基板にリソエッチ法で凹部２２を形成してある保護基板３を製作しておき、基板１の圧電素子面に接着する。
【００１７】
保護基板３は＜１１０＞シリコン基板をＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでも良いし、樹脂モールドやメタルインジェクションモールドなどの成型部品で代用しても構わない。この後、図示していないが圧電素子Ｂの各電極を駆動回路に接続することで本発明の液滴吐出ヘッドが完成する。
本発明の液滴吐種ヘッドにおいては、２層の薄膜ＰＺＴ（第１圧電材層９、第２圧電材層１１）がそれぞれ中間電極１０と交互に積層された構造になっている。
薄膜のＰＺＴを形成する方法としては、スパッタ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＡＤ法等があるが成膜するＰＺＴ膜の配向性は下地材の結晶方位により影響を受ける。このため単純に積層して多層膜を形成した場合、１層目と、２層目で形成された薄膜ＰＺＴの配向性が異なり、圧電定数や電気機械結合係数が低下し、また安定した膜質を得ることが困難である。
【００１８】
それに対し、本発明においては、１層目、２層目を共にシリコン基板上に形成した熱酸化膜上に形成し、その後ＰＺＴのキュリー点以下の温度で接合することで常に安定した膜質の積層ＰＺＴ膜を得ることが出来る。これにより、駆動電圧を１層の場合と同じ電圧でＰＺＴ１層のアクチュエータより大きな変位及び力を発揮できるアクチュエータが形成できる。これにより駆動回路系を低電圧のものが使えるため、低コストな液滴吐出ヘッドか形成できる。又液室長も小さくできるため低コスト且つ高速駆動が可能なヘッドとすることが可能である。ここでは低温で行なう拡散接合により２層のＰＺＴアクチュエータを接合する例をあげたが、有機系接着剤や無機系接着材のような絶縁体である接着剤で接着しヘッド外部の配線領域で両者をマージ（接続）しても一体として駆動できるし、２層のＰＺＴアクチュエータをそれぞれ個別に制御し、例えば一方は常に一定周期のパルスで駆動し（微駆動）、他方がインク吐出時に追加駆動するような駆動とするようにしても構わない。
【００１９】
本発明で用いることができる液滴吐出ヘッドは、インク流路から吐出口にかけての形状が直線的であるエッジシューター方式であっても良いし、インク流路の向きと吐出口の向きが異なるサイドシューター方式であっても良い。
本発明の液滴吐出ヘッドでは振動板Ａの一部を成す下電極８と吐出室１４に対応する領域に圧電材層９、１１と中間電極１０を有し、更に圧電材層及び上電極１２を積層した構成であり、その中間電極１０が複数の層からなることを特徴としている。
このように、中間電極１０が複数の膜から形成されている構成として、上下電極８、１２間にかかる電圧を分けることで低電圧化を可能となる。
ここで、圧電材層９、１１、中間電極１０を順次積層して多層膜を形成するのではなく、それぞれ最適な状態で別々に作った圧電素子を接合することで最適な状態の配向性を持った圧電素子を形成できる。
それぞれの圧電素子は最適な条件で処理された場合、成膜されたＰＺＴの結晶配向が（００１）／（１００）方向に配向したＰＺＴ薄膜が得られるが、この（００１））／（１００）配向が強いほど、圧電定数が大きくなって特性の良い膜になる。
これにより圧電材の特性を低下させることなく多層圧電素子が形成できる為、低電圧駆動が可能で且つ振動板変位量も大きくできるため小さな液室サイズで所望の液滴を吐出できるヘッドを形成できる。またほとんどの工程を半導体製造で用いられている工法で製作できるので、歩留りよく低コストな液滴吐出ヘッドを作ることができる。
【００２０】
また、本発明の液滴吐出ヘッドでは、多層圧電素子の中間電極が複合部材からなる多層膜であり、その複合部材が低融点金属を含むことを特徴としている。このようにすることで、低融点金属の融点に近い温度で強固な接合が可能となる。別々に製作した圧電材基板を接合する際に、圧電材のキュリー点より十分に低い温度で且つ強固な接合界面を形成することは、圧電材のＤ定数を維持し且つ、高い信頼性、耐久性を確保する為にも不可欠である。このため本実施例の構成とすることで、高性能で信頼性の高い液滴吐出ヘッドを作ることができる。
なお、本実施例の説明中、圧電材層は、２層の薄膜ＰＺＴ（第１圧電材層９、第２圧電材層１１）としたが、これらに限定されるものではなく、３層以上としてもよい。
【００２１】
［第２の実施例］
図６は、本発明のアクチュエータ（滴吐出ヘッド）を用いたインクカートリッジを示す図である。
このインクカートリッジは、ノズル２０等を有する本発明の液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド６１と、このインクジェットヘッド６１に対してインクを供給するインクタンク６２とを一体化したものである。
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの低コスト化、信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性向上につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図れる。
【００２２】
［第３の実施例］
次に、図７、８は、本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図であり、図７は同記録装置の斜視図、図８は同記録装置の機構部の概略断面図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。
印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３にはヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
【００２３】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００２４】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００２５】
また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００２６】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
なお、本実施例においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド（スポッタ）などの他の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
【００２７】
［第４の実施例］
次に、図９は、本発明のアクチュエータを用いたマイクロポンプの構成を示す図である。
振動板が長手方向に連続して複数設けられており流路２００の中を流体が流れる構造となっている。図では省略しているがＰＺＴ及び電極は、第１の実施例に示した液滴吐種ヘッドの説明に記載した積層構造になっている。
振動板を図中右側から順次駆動することによって流路２００内の流体は矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。本実施例では振動板を複数設けた例を示したが、振動板は一つでも良く、液体流入孔及び流出孔の形状を工夫することで、輸送効率を上げる構成にできる。
本実施例では動作原理を簡単に述べたが、第１の実施例に示した製造方法、構成を適用することで大流量の液体を効率よく送液できる駆動力（輸送力）の高いマイクロポンプとすることが出来る。
本発明の構成は液滴吐出ヘッド、マイクロポンプを例としてあげたが、これ以外の液体輸送デバイスにも応用可能である。
【００２８】
［第５の実施例］
図１０は、本発明のアクチュエータを光学デバイスに応用した例を示す図である。
図では省略しているがＰＺＴ及び電極が第１の実施例で説明した積層構造になっている振動板が複数配列され、振動板はミラー３０６をかねる。このようにミラー材料が一体成形により振動板面等の必要部位に成膜され、繋ぎ目などが無い信頼性の高いアクチュエータを搭載しているので、信頼性の高い光変調デバイスが実現できる。
このデバイスを応用した例を示す。光源３０１からの光はレンズ３０４を介してミラー３０６に照射され、ミラー３０６を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ３０２へ入射する。一方ヒーターに電圧印加して振動板を変位させミラー３０６を変形させているところは凹面ミラーとなるので光は発散し投影用レンズ３０２にほとんど入射しない。投影用レンズ３０２に入射した光はスクリーン（図示しない）などに投影される。この構造を図１１のように２次元に配列し、それぞれのミラー３０６を独立に駆動することによって、スクリーンに画像を表示できる。図では例として４×４の配列を示したがもっと多数配列することも可能でありこの限りではない。
本発明の構成は液滴吐出ヘッド、マイクロポンプ、光学変調デバイスを例としてあげたが、これ以外の光学デバイス、マイクロアクチュエータなどにも適用可能である。
また上記実施例中に記載した膜厚等の数値や材料はこれに限らないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２９】
１ 液室基板、２ ノズル基板、３ 保護基板、４ 隔壁、５ シリコン酸化膜、６ シリコン活性層、７ シリコン酸化膜、８ 下電極、９ 第１圧電膜、１０ 中間電極、１１ 第２圧電膜、１２ 上電極、１４ 吐出室、１５ 流体抵抗、１７ 共通液室、１８ 共通液室、２０ ノズル孔、２２ 圧電素子保護空間、２４ インク供給孔、４０ 記録紙、６１ インクジェットヘッド、６２ インクタンク、８１ 記録装置本体、８２ 印字機構部、８３ 用紙、８４ 給紙カセット、８５ トレイ、８６ 排紙トレイ、９１ 主ガイドロッド、９２ 従ガイドロッド、９３ キャリッジ、９４ 記録ヘッド、９５ インクカートリッジ、９７ 主走査モータ、９８ 駆動プーリ、９９ 従動プーリ、１００ タイミングベルト、１０１ 給紙ローラ、１０２ フリクションパッド、１０３ ガイド部材、１０４ 搬送ローラ、１０５ 搬送コロ、１０６ 先端コロ、１０７ 副走査モータ、１０９ 部材、１１１ 搬送コロ、１１２ 拍車、１１３ 排紙ローラ、１１４ 拍車、１１５ ガイド部材、１１７ 回復装置、２００ 流路、３０１ 光源、３０２ 投影用レンズ、３０４ レンズ、３０６ ミラー
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００８−７８６６９公報
【特許文献２】特許第４０７８６２９号
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータ、これを利用した液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となってきている。
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室（加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段（アクチュエータ）とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる。
このような液滴吐出ヘッドに用いる圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のものなどがある。ピエゾ型のものにはＤ３３方向の変形を利用した縦振動型、Ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。その中で近年、半導体プロセスやマイクロマシニング技術の進歩により、パターニング加工技術が確立されていて、かつ、コストの安いＳｉ基板に加圧室及び圧電素子を直接形成するアクチュエータ構成が考案されている。
【０００３】
しかし、圧電素子を用いたベンドモード型のアクチュエータは振動板上に直接アクチュエータを形成する必要があり、このため圧電素子の性能が十分ではなく安定した膜の形成や低電圧化及び効率向上を目的とした構造の工夫が必須となっている。
かかる問題について、特許文献１に開示されている製造方法では、２回に分けて圧電膜を成膜する製法が開示されている。
従来製法では圧電体膜の所定の配向度を安定して再現性良く得ることが困難であるという問題があり、このような圧電体素子は、安定した高い圧電特性を得ることが難しく、インクジェット式記録ヘッドないしはプリンタの印字性能を十分に得られない要因となっていたが、特許文献１におけるように、振動板膜上に成膜した下部電極を所定形状にパターニングした後に、当該下部電極上に圧電体膜を成膜する場合には、圧電体膜の所定の配向度を安定して再現性よく得ることできる。
しかしながら、特許文献１には駆動電圧の低電圧化や効率向上の為の方法が記載されていない。
【０００４】
特許文献２には、下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に設けられた上部電極と、を備える圧電体薄膜素子であって、前記圧電体薄膜は、膜厚方向の所定位置より上部電極側における膜厚方向の電気抵抗率に対し、前記所定位置より下部電極側における膜厚方向の電気抵抗率の方が高い圧電体薄膜素子の構成が開示されている。
かかる圧電体薄膜の形成工程において、金属有機化合物のゾルを塗布した後に焼成する成膜工程を複数回行って複数の層からなる圧電体薄膜を形成する工程を用い、複数の層のうち下部電極側の層の成膜と、上部電極側の層の成膜とにおいて、ドーパントの量が互いに異なるゾルを塗布することで膜厚方向の膜の抵抗率が異なる膜を形成している。抵抗の異なる多層膜とすることで膜厚方向にかかる電界を異ならせ、変形量に合せて電界が異なる構成になっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の構成では、低電圧が可能としているがその差は僅かであり、素子としての機能向上や効率向上は不十分なものとなっている。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、特に振動板に直接電極及び圧電材を成膜して圧電素子を形成し、圧電素子の横振動モードによる縮み変形を利用して振動板を撓ませる構成のアクチュエータにおいて、圧電素子が上部電極及び下部電極のほかに中間電極を有し、且つ中間電極が複数の膜から形成されている構成とすることで、電極間にかかる電圧を分けることで低電圧化を可能としたアクチュエータ機構及びこれを用いた液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、振動板と、該振動板の一面に設けた振動板側電極に密接して設けられて圧電変位して前記振動板を変位変形させる圧電素子と、を備えたアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、圧電素子側電極及び前記振動板側電極間に複数の圧電膜と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極と、備え、各圧電膜は、前記中間電極を構成する各層と、前記振動板側電極又は圧電素子側電極との間に電位を印加されることで変位することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、前記中間電極は、複合部材を拡散接合により接合した多層膜である請求項１記載のアクチュエータを特徴とする。
また、請求項３の発明は、前記複合部材が低融点金属を含む請求項２に記載のアクチュエータを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４の発明は、液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室を形成した隔壁基板と、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータと、備え、前記アクチュエータの前記振動板は、前記吐出室の少なくとも一方の壁面を構成し、前記アクチュエータの圧電素子が圧電変位して前記振動板を変位変形させることにより、前記吐出室内の液滴を前記ノズル孔から吐出する液滴吐出ヘッドを特徴とする
また、請求項５の発明は、請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えている画像形成装置を特徴とする。
【０００８】
また、請求項７の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形により生じた力によって液体を輸送するマイクロポンプを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形によりミラーを変形させて光の反射方向を変化させる光変調デバイスを特徴とする。
また、請求項９の発明は、第１のシリコン基板に、振動板材料と、振動板側の電極となる第１の電極材料と、第１の圧電材層と、第１の部分電極と、インサート材と、を順に形成し、第２のシリコン基板に、第２の電極材料と、第２の圧電材層と、第２の部分電極と、を順に形成し、前記第１のシリコン基板と、前記第２のシリコン基板を対向させて、加熱及び加圧を行うことにより前記インサート材に拡散反応を生じさせ、前記第１の部分電極及び第２の部分電極を結合させて、前記第１の圧電材層及び前記第２の圧電材層との間に、２層からなる中間電極を形成し、前記第２のシリコン基板をエッチングにより除去し、前記第１の圧電材層、前記第２の圧電材層、前記中間電極、及び前記第２の電極材料にエッチングによってレジストパターンを形成するアクチュエータの製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドでは振動板の一部を成す下電極と吐出室に対応する領域に圧電材層と中間電極を有し、更に圧電材層及び上電極を積層した構成とし、その中間電極が複数の層からなるようにして電極間にかかる電圧を分けるように構成したことにより低電圧化を可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明の液滴吐出ヘッドの組み立てられた装置全体の断面図。
【図３】本発明の液滴吐出ヘッドの透過平面図。
【図４】図１、３のＸ−Ｘ線における断面工程図。
【図５】図１、３のＸ−Ｘ線における断面工程図。
【図６】本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクカートリッジを示す図。
【図７】本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図。
【図８】本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図。
【図９】本発明のアクチュエータを用いたマイクロポンプの構成を示す図。
【図１０】本発明の液滴吐出ヘッドを光学デバイスに応用した例を示す図（その１）。
【図１１】本発明の液滴吐出ヘッドを光学デバイスに応用した例を示す図（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、一部を断面図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の例を示すもので図示している。
図２は組み立てられた全体装置の断面図を示すものであり、図１に示した断面Ｘ−Ｘに対応する断面図で、便宜上２つの吐出室のみ示してある。図３は透過平面図である。
図１−３を参照して、本発明の液滴吐出ヘッドの構造を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の液滴吐出ヘッドは、ニッケル高速電鋳法を用いて厚さ２０ミクロンに形成したニッケル基板であり、インクを吐出するためのノズル孔２０を有するノズル基板２と、振動板Ａ、圧電素子Ｂ、シリコン基板Ｃからなる液室基板１と、圧電素子Ｂと当接し、その保護及び変位を妨げない為の圧電素子保護空間２２を配した保護基板３、の３枚の基板を重ねた積層構造となっている。
また、液室基板１を構成するシリコン基板Ｃには、シリコンを隔壁４を残してエッチングすることで、吐出室１４が形成されている。シリコン基板Ｃは、ノズル基板２と当接し、吐出室１４は、ノズル基板２のノズル孔２０と連通する。
また、液室基板１の、ノズル基板２とは逆側の面には、シリコン基板Ｃ上に積層膜により振動板Ａが形成されており、振動板Ａは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて、ノズル基板側からシリコン酸化膜５、シリコン活性層６、シリコン酸化膜７、及び圧電素子Ｂの下電極（振動板側電極）となる白金膜８が多層に積層されている。
また、圧電素子Ｂは、図２に示すように、パターニングされた第１圧電材層（圧電膜）９及び中間電極１０、第２圧電材層（圧電膜）１１、及び上電極（圧電素子側電極）１２からなる多層構造膜であり、第１圧電材層９が、白金膜８に当接する構成となっている。
振動板Ａの白金膜電極８、圧電素子Ｂの中間電極１０、上電極１２は外部配線へ接続し電圧を供給することでベンドモードの圧電アクチュエータとして機能し、上記隔壁４に対向する領域の多層膜は構造壁及び保護基板３との接合面として機能する。
なお、図１に示すように、保護基板３は、外部装置からインクを供給するためのインク供給孔２４を備え、液室基板１は、共通液室１８及び流体抵抗１５を備えている。
【００１３】
上記のように構成された液滴吐出ヘッドの動作を説明する。
まず構造完成後に圧電材（圧電アクチュエータ）の分極処理（ポーリング）を行なう。上電極１２及び中間電極１０を短絡させ下電極８との間に１０Ｖから３０Ｖ迄電圧を徐々に上昇させ約１０分間印加する。
更に上電極１２と中間電極１０及び下電極８を短絡させた間に同様に電圧を印加する。これにより第１圧電膜９及び第２圧電膜１１の分極方向を揃えることができる。このように前処理を行なった液滴吐出ヘッドに対しインク充填を行なう。
インク供給孔２４から共通液室１８及び流体抵抗１５を経由して各吐出室１４内にインクが供給される。吐出室１４がインクにより満たされた状態で下電極８及び中間電極１０間と中間電極１０及び上電極１２間に同時に２０Ｖのパルス電位を加える。これにより第１及び第２圧電材９、１１が横振動モードで変形（縮み）し、圧電素子Ｂと密着している振動板Ａ全体が吐出室１４側に凸形状に変形する。これにより吐出室１４の体積が減少し吐出室１４内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔２０よりインク液滴２１を記録紙４０に向けて吐出する。パルス電圧を連続的に印加し繰り返すことによりインクを連続的に吐出することが出来る。
【００１４】
次に、かかる液滴吐出ヘッドの製作方法、構成など実施例をあげて詳細に説明する。
図４、５は図１、３におけるＸ−Ｘ線における断面工程図である。
本発明においてはシリコン基板Ｃに振動板材料及び圧電素子材料を成膜していくことでアクチュエータを作成していく。
図４（ａ）に示すような、厚み２５０ｕｍの＜１００＞シリコン基板Ｃの表面に絶縁膜となるシリコン酸化膜５が０．１ｕｍ、次に振動板材料となるシリコン活性層６が０．５ｕｍ次にシリコン酸化膜７が０．３ｕｍ形成されたＳＯＩ基板を用いる。
なお、シリコン基板Ｃの反対面には、シリコン酸化膜５、７とは別に酸化膜ａが設けられている。
図４（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜７上に、圧電素子Ｂの下電極８となるＴｉ／Ｐｔ層をスパッタ法によりそれぞれ０．０５ｕｍ／０．１ｕｍ成膜する。更にスパッタ法により第１圧電材層９としてのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）及び中間電極１０の一部となるＰｔ（白金）層１０−１をそれぞれ１．０ｕｍ、０．０５ｕｍずつ形成する。さらに前記Ｐｔ層１０−１上に、拡散接合を行なう為のインサート材ｂとして、Ｃｕ及び低融点金属であるＳｎ−Ｉｎ合金をそれぞれ０．０５ｕｍ、０．０５ｕｍづつ成膜する。
なお、別途、図４（ｂ’）に示すように、両面にシリコン酸化膜ｄ、ｅを０．３ｕｍ形成した２００ｕｍ厚のシリコン基板Ｄの一方の面上に前記シリコン基板Ｃ上に形成したものと同様にＴｉ／Ｐｔ層（０．０４ｕｍ／０．１ｕｍ）１２を成膜し、さらに第２圧電材層１１としてスパッタ法によりＰＺＴ（１．０ｕｍ）形成し、かつ中間電極１０の一部としてＰｔ／Ｃｕ層１０−２（それぞれ０．０５ｕｍ、０．０５ｕｍ）を形成したものを準備する。
【００１５】
次いで、図４（ｃ）に示すように、上記２枚の基板の圧電層側（インサート材ｂとＰｔ／Ｃｕ層１０−２）を対向させ加圧・加熱（１５０℃）をう。これによりインサート材であるＳｎ‐ＩｎとＣｕ間での拡散反応が促され、強固な接合が実現され２枚の基板が接合される。
次に、図４（ｄ）に示すように、張り合わせた２００ｕｍ厚のシリコン基板Ｄの表面のシリコン酸化膜ｅをドライエッチング法により除去し、シリコン層Ｄをアルカリエッチにより剥離し、次工程のためにマスクする。
【００１６】
その後、図５（ａ）に示すように、シリコン基板Ｃの反対面に同時に形成されていたシリコン酸化膜ａをリソエッチ法によりパターニングする。
そして、ＢＨＦにより酸化膜ａ（０．３ｕｍ）を除去する。残った部分をマスクする。
その後、リソ法によりレジストパターンを形成し、図４（ｄ）で用意したマスクを用いて上電極１２、第２圧電材１１、をドライエッチング法によりエッチングする。さらにリソ法によりレジストパターンを形成し中間電極１０、第１圧電材９、をドライエッチング法によりエッチングする。図示しないがその後通常のＡｕ成膜、リソエッチ、保護膜形成の繰り返しによりＡｕ配線層を中間電極１０、上電極１２にたいして形成する。
更に、図５（ｂ）に示すように、この酸化膜ａをマスクにシリコン基板ＣをＩＣＰドライエッチングによりエッチングし隔壁４、吐出室１４、流体抵抗部１５及び共通液室１７となる凹部を形成する。
その後、図５（ｃ）に示すように、スルファミン酸浴で高速電鋳法により製作したノズル基板２を隔壁４側に接着する。
最後に、図５（ｄ）に示すように、別途シリコン基板にリソエッチ法で凹部２２を形成してある保護基板３を製作しておき、基板１の圧電素子面に接着する。
【００１７】
保護基板３は＜１１０＞シリコン基板をＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでも良いし、樹脂モールドやメタルインジェクションモールドなどの成型部品で代用しても構わない。この後、図示していないが圧電素子Ｂの各電極を駆動回路に接続することで本発明の液滴吐出ヘッドが完成する。
本発明の液滴吐種ヘッドにおいては、２層の薄膜ＰＺＴ（第１圧電材層９、第２圧電材層１１）がそれぞれ中間電極１０と交互に積層された構造になっている。
薄膜のＰＺＴを形成する方法としては、スパッタ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＡＤ法等があるが成膜するＰＺＴ膜の配向性は下地材の結晶方位により影響を受ける。このため単純に積層して多層膜を形成した場合、１層目と、２層目で形成された薄膜ＰＺＴの配向性が異なり、圧電定数や電気機械結合係数が低下し、また安定した膜質を得ることが困難である。
【００１８】
それに対し、本発明においては、１層目、２層目を共にシリコン基板上に形成した熱酸化膜上に形成し、その後ＰＺＴのキュリー点以下の温度で接合することで常に安定した膜質の積層ＰＺＴ膜を得ることが出来る。これにより、駆動電圧を１層の場合と同じ電圧でＰＺＴ１層のアクチュエータより大きな変位及び力を発揮できるアクチュエータが形成できる。これにより駆動回路系を低電圧のものが使えるため、低コストな液滴吐出ヘッドか形成できる。又液室長も小さくできるため低コスト且つ高速駆動が可能なヘッドとすることが可能である。ここでは低温で行なう拡散接合により２層のＰＺＴアクチュエータを接合する例をあげたが、有機系接着剤や無機系接着材のような絶縁体である接着剤で接着しヘッド外部の配線領域で両者をマージ（接続）しても一体として駆動できるし、２層のＰＺＴアクチュエータをそれぞれ個別に制御し、例えば一方は常に一定周期のパルスで駆動し（微駆動）、他方がインク吐出時に追加駆動するような駆動とするようにしても構わない。
【００１９】
本発明で用いることができる液滴吐出ヘッドは、インク流路から吐出口にかけての形状が直線的であるエッジシューター方式であっても良いし、インク流路の向きと吐出口の向きが異なるサイドシューター方式であっても良い。
本発明の液滴吐出ヘッドでは振動板Ａの一部を成す下電極８と吐出室１４に対応する領域に圧電材層９、１１と中間電極１０を有し、更に圧電材層及び上電極１２を積層した構成であり、その中間電極１０が複数の層からなることを特徴としている。
このように、中間電極１０が複数の膜から形成されている構成として、上下電極８、１２間にかかる電圧を分けることで低電圧化を可能となる。
ここで、圧電材層９、１１、中間電極１０を順次積層して多層膜を形成するのではなく、それぞれ最適な状態で別々に作った圧電素子を接合することで最適な状態の配向性を持った圧電素子を形成できる。
それぞれの圧電素子は最適な条件で処理された場合、成膜されたＰＺＴの結晶配向が（００１）／（１００）方向に配向したＰＺＴ薄膜が得られるが、この（００１））／（１００）配向が強いほど、圧電定数が大きくなって特性の良い膜になる。
これにより圧電材の特性を低下させることなく多層圧電素子が形成できる為、低電圧駆動が可能で且つ振動板変位量も大きくできるため小さな液室サイズで所望の液滴を吐出できるヘッドを形成できる。またほとんどの工程を半導体製造で用いられている工法で製作できるので、歩留りよく低コストな液滴吐出ヘッドを作ることができる。
【００２０】
また、本発明の液滴吐出ヘッドでは、多層圧電素子の中間電極が複合部材からなる多層膜であり、その複合部材が低融点金属を含むことを特徴としている。このようにすることで、低融点金属の融点に近い温度で強固な接合が可能となる。別々に製作した圧電材基板を接合する際に、圧電材のキュリー点より十分に低い温度で且つ強固な接合界面を形成することは、圧電材のＤ定数を維持し且つ、高い信頼性、耐久性を確保する為にも不可欠である。このため本実施例の構成とすることで、高性能で信頼性の高い液滴吐出ヘッドを作ることができる。
なお、本実施例の説明中、圧電材層は、２層の薄膜ＰＺＴ（第１圧電材層９、第２圧電材層１１）としたが、これらに限定されるものではなく、３層以上としてもよい。
【００２１】
［第２の実施例］
図６は、本発明のアクチュエータ（滴吐出ヘッド）を用いたインクカートリッジを示す図である。
このインクカートリッジは、ノズル２０等を有する本発明の液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド６１と、このインクジェットヘッド６１に対してインクを供給するインクタンク６２とを一体化したものである。
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの低コスト化、信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性向上につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図れる。
【００２２】
［第３の実施例］
次に、図７、８は、本発明の液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す図であり、図７は同記録装置の斜視図、図８は同記録装置の機構部の概略断面図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。
印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３にはヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
【００２３】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００２４】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００２５】
また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００２６】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
なお、本実施例においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド（スポッタ）などの他の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
【００２７】
［第４の実施例］
次に、図９は、本発明のアクチュエータを用いたマイクロポンプの構成を示す図である。
振動板が長手方向に連続して複数設けられており流路２００の中を流体が流れる構造となっている。図では省略しているがＰＺＴ及び電極は、第１の実施例に示した液滴吐種ヘッドの説明に記載した積層構造になっている。
振動板を図中右側から順次駆動することによって流路２００内の流体は矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。本実施例では振動板を複数設けた例を示したが、振動板は一つでも良く、液体流入孔及び流出孔の形状を工夫することで、輸送効率を上げる構成にできる。
本実施例では動作原理を簡単に述べたが、第１の実施例に示した製造方法、構成を適用することで大流量の液体を効率よく送液できる駆動力（輸送力）の高いマイクロポンプとすることが出来る。
本発明の構成は液滴吐出ヘッド、マイクロポンプを例としてあげたが、これ以外の液体輸送デバイスにも応用可能である。
【００２８】
［第５の実施例］
図１０は、本発明のアクチュエータを光学デバイスに応用した例を示す図である。
図では省略しているがＰＺＴ及び電極が第１の実施例で説明した積層構造になっている振動板が複数配列され、振動板はミラー３０６をかねる。このようにミラー材料が一体成形により振動板面等の必要部位に成膜され、繋ぎ目などが無い信頼性の高いアクチュエータを搭載しているので、信頼性の高い光変調デバイスが実現できる。
このデバイスを応用した例を示す。光源３０１からの光はレンズ３０４を介してミラー３０６に照射され、ミラー３０６を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ３０２へ入射する。一方ヒーターに電圧印加して振動板を変位させミラー３０６を変形させているところは凹面ミラーとなるので光は発散し投影用レンズ３０２にほとんど入射しない。投影用レンズ３０２に入射した光はスクリーン（図示しない）などに投影される。この構造を図１１のように２次元に配列し、それぞれのミラー３０６を独立に駆動することによって、スクリーンに画像を表示できる。図では例として４×４の配列を示したがもっと多数配列することも可能でありこの限りではない。
本発明の構成は液滴吐出ヘッド、マイクロポンプ、光学変調デバイスを例としてあげたが、これ以外の光学デバイス、マイクロアクチュエータなどにも適用可能である。
また上記実施例中に記載した膜厚等の数値や材料はこれに限らないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２９】
１ 液室基板、２ ノズル基板、３ 保護基板、４ 隔壁、５ シリコン酸化膜、６ シリコン活性層、７ シリコン酸化膜、８ 下電極、９ 第１圧電膜、１０ 中間電極、１１ 第２圧電膜、１２ 上電極、１４ 吐出室、１５ 流体抵抗、１７ 共通液室、１８ 共通液室、２０ ノズル孔、２２ 圧電素子保護空間、２４ インク供給孔、４０ 記録紙、６１ インクジェットヘッド、６２ インクタンク、８１ 記録装置本体、８２ 印字機構部、８３ 用紙、８４ 給紙カセット、８５ トレイ、８６ 排紙トレイ、９１ 主ガイドロッド、９２ 従ガイドロッド、９３ キャリッジ、９４ 記録ヘッド、９５ インクカートリッジ、９７ 主走査モータ、９８ 駆動プーリ、９９ 従動プーリ、１００ タイミングベルト、１０１ 給紙ローラ、１０２ フリクションパッド、１０３ ガイド部材、１０４ 搬送ローラ、１０５ 搬送コロ、１０６ 先端コロ、１０７ 副走査モータ、１０９ 部材、１１１ 搬送コロ、１１２ 拍車、１１３ 排紙ローラ、１１４ 拍車、１１５ ガイド部材、１１７ 回復装置、２００ 流路、３０１ 光源、３０２ 投影用レンズ、３０４ レンズ、３０６ ミラー
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００８−７８６６９公報
【特許文献２】特許第４０７８６２９号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、該振動板の一面に設けた振動板側電極に密接して設けられて圧電変位して前記振動板を変位変形させる圧電素子と、を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、圧電素子側電極及び前記振動板側電極間に複数の圧電膜と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極と、備え、各圧電膜は、前記中間電極を構成する各層と、前記振動板側電極又は圧電素子側電極との間に電位を印加されることで変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記中間電極は、複合部材を拡散接合により接合した多層膜であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記複合部材が低融点金属を含むことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室を形成した隔壁基板と、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータと、備え、
前記アクチュエータの前記振動板は、前記吐出室の少なくとも一方の壁面を構成し、
前記アクチュエータの圧電素子が圧電変位して前記振動板を変位変形させることにより、前記吐出室内の液滴を前記ノズル孔から吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクカートリッジ。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形により生じた力によって液体を輸送することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項８】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形によりミラーを変形させて光の反射方向を変化させることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項９】
第１のシリコン基板に、振動板材料と、振動板側の電極となる第１の電極材料と、第１の圧電材層と、第１の部分電極と、インサート材と、を順に形成し、
第２のシリコン基板に、第２の電極材料と、第２の圧電材層と、第２の部分電極と、を順に形成し、
前記第１のシリコン基板と、前記第２のシリコン基板を対向させて、加熱及び加圧を行うことにより前記インサート材に拡散反応を生じさせ、前記第１の部分電極及び第２の部分電極を結合させて、前記第１の圧電材層及び前記第２の圧電材層との間に、２層からなる中間電極を形成し、
前記第２のシリコン基板をエッチングにより除去し、
前記第１の圧電材層、前記第２の圧電材層、前記中間電極、及び前記第２の電極材料にエッチングによってレジストパターンを形成することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【請求項１】
振動板と、該振動板の一面に設けた振動板側電極に密接して設けられて圧電変位して前記振動板を変位変形させる圧電素子と、を備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、圧電素子側電極及び前記振動板側電極間に複数の圧電膜と、各圧電膜と交互に積層された隣り合う複数の層からなる中間電極と、備え、各圧電膜は、前記中間電極を構成する各層と、前記振動板側電極又は圧電素子側電極との間に電位を印加されることで変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記中間電極は、複合部材を拡散接合により接合した多層膜であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記複合部材が低融点金属を含むことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室を形成した隔壁基板と、請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータと、備え、
前記アクチュエータの前記振動板は、前記吐出室の少なくとも一方の壁面を構成し、
前記アクチュエータの圧電素子が圧電変位して前記振動板を変位変形させることにより、前記吐出室内の液滴を前記ノズル孔から吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクカートリッジ。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形により生じた力によって液体を輸送することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項８】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のアクチュエータを備え、前記振動板の変形によりミラーを変形させて光の反射方向を変化させることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項９】
第１のシリコン基板に、振動板材料と、振動板側の電極となる第１の電極材料と、第１の圧電材層と、第１の部分電極と、インサート材と、を順に形成し、
第２のシリコン基板に、第２の電極材料と、第２の圧電材層と、第２の部分電極と、を順に形成し、
前記第１のシリコン基板と、前記第２のシリコン基板を対向させて、加熱及び加圧を行うことにより前記インサート材に拡散反応を生じさせ、前記第１の部分電極及び第２の部分電極を結合させて、前記第１の圧電材層及び前記第２の圧電材層との間に、２層からなる中間電極を形成し、
前記第２のシリコン基板をエッチングにより除去し、
前記第１の圧電材層、前記第２の圧電材層、前記中間電極、及び前記第２の電極材料にエッチングによってレジストパターンを形成することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１６５７２４（Ｐ２０１０−１６５７２４Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４６５０（Ｐ２００９−４６５０）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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