圧電素子、インクジェットヘッド、画像形成装置、圧電素子及びインクジェットヘッドの製造方法
【課題】圧電体膜を用いた圧電素子に係わり、特に、駆動電圧を高くすることなく大きな撓み変形が得られる圧電素子を提供する。
【解決手段】
圧電素子を、櫛形形状の導電性弾性板２と、導電性弾性板２の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメント１ａ〜ｅと、により構成し、圧電素子セグメントを。、櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜３及び第１の電極５と、他方の面に順次形成した第１の圧電体膜４と分極方向が同じ第２の圧電体膜及４び第２の電極６と、により構成し、第１の電極５及び第２の電極６の接続点と、導電性弾性板２と、の間に電圧を印加することにより第１の圧電体膜３と第２の圧電体膜４が同方向に撓み変形して大きな撓み変動が起こるようにした。
【解決手段】
圧電素子を、櫛形形状の導電性弾性板２と、導電性弾性板２の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメント１ａ〜ｅと、により構成し、圧電素子セグメントを。、櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜３及び第１の電極５と、他方の面に順次形成した第１の圧電体膜４と分極方向が同じ第２の圧電体膜及４び第２の電極６と、により構成し、第１の電極５及び第２の電極６の接続点と、導電性弾性板２と、の間に電圧を印加することにより第１の圧電体膜３と第２の圧電体膜４が同方向に撓み変形して大きな撓み変動が起こるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電体膜を用いた圧電素子に関し、特に、大きな撓み変形が得られる圧電素子、これらを用いたインクジェットヘッド、画像形成装置、及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にインクジェットヘッドは、圧電素子によりインク滴を吐出するための圧力を発生する複数の圧力室と各圧力室にインクを供給する共通インク室と、各圧力室に連通するノズルから構成される。圧電素子の材料（圧電体材料）は主として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられている。
従来はＰＺＴのグリーンシートを圧力室の形状に合わせて切断したものを積層し、これを焼結することにより圧電素子を作成し、振動板面に圧電素子を貼り付ける方式が用いられてきた。
その後、プロセスの簡略化と高密度配列を目的として複数の圧力室を形成したヘッド基板に振動板を形成し、成膜技術によりこの振動板の表面全体にわたって圧電体膜を形成し、この圧電体膜をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて圧力室ごとに独立した圧電素子を形成することにより、圧電定数ｄ31に基づく撓み変形を利用したベンドタイプのインクジェットヘッドを形成する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
ところで、インクジェット技術が産業用途分野でも利用されるようになり、インクも従来の低粘度インクだけでなく、高粘度インクも使用されるようになってきた。このためインクの吐出力の向上が望まれる。しかしながら、圧電体膜は圧電体のバルクに比べて圧電定数ｄ31は約１／２に低下するため、圧電体膜を用いた圧電素子の変位量が小さくなるという問題がある。さらに、圧電体として用いられるＰＺＴには酸化鉛が重量にして７０％程度含まれるため、環境保全の観点から、ＰＺＴを非鉛系の圧電体材料に変更することが望まれている。しかし、非鉛系の圧電体材料を用いた圧電体膜の圧電定数ｄ31はＰＺＴを用いた圧電体膜の１／２以下と小さい。
このような背景のもと、非鉛系の圧電体層を積層することにより圧電素子駆動時の変位量を確保し、インクジェットヘッドのインク吐出力を向上する方法が提案されている（特許文献２）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２で提案された圧電体膜を積層する構成では、圧電素子の駆動電圧が高くなるという問題と隣接ノズルの圧電素子の影響（クロストーク）を受けるという問題がある。
図９を用いて、従来の、圧電体膜を積層した圧電素子を用いたインクジェットヘッドにおける問題点を説明する。
図９（ａ）は圧電体膜を積層したタイプのインクジェットヘッドの断面を示す図である。
図に示すインクジェットヘッドは、複数のノズル１１１（ａ〜ｅ）を有するノズルプレート１１５、隔壁１１２で囲まれた複数個の圧力室１１３（ａ〜ｅ）から構成される圧力室基板１１０、その上部の振動板１１４の表面に形成された圧電素子１００から構成される。
圧電素子１００は、複数の圧電素子セグメント１００ａ〜ｅからなっており、振動板１１４の表面に順に、各セグメントに共通の第１電極１０１、圧電体膜１０２、セグメント毎に有する第２電極１０３（ａ〜ｅ）、圧電体膜１０４（ａ〜ｅ）そして第３電極１０５（ａ〜ｅ）が形成された２層の圧電体層からなる。
圧電素子セグメントの代表例として１００ａを取り上げて説明する。
第３電極１０５ａ、圧電体膜１０４ａ、第２電極１０３ａがエッチングにより各圧力室に対応して分割されているが、圧電体膜１０２と第１電極１０１は分割されることなく、前記複数の圧力室上部の振動板１１４面上に配置されている。これは圧電材料、特に非鉛系圧電体材料はエッチング速度が遅いため量産性を考慮し、分割を上の層の第３電極１０５、圧電体膜１０４、第２電極１０３のみとしたためである。
【０００５】
図９（ｂ）は圧電素子への駆動電源への接続形態を示す図であり、圧電素子セグメント１００ｂに注目して記載されている。
第１電極１０１を共通電極とし、分割された第３電極群１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅからそれぞれ、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブルプリント基板）１３０を介して、それぞれ駆動電圧源１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅに接続される。
この構成においては、下記の問題点がある。
（１）圧電素子の変位量および変位圧力は圧電体膜に印加される電圧に比例する。しかし、圧電体膜が２層シリーズに積層されているため、圧電素子の駆動電圧をＶ0とすると、各圧電体膜の一層あたりの印加電圧はＶ0／２に低下する。このため、各層への印加電圧をＶ0とするには電源電圧を２Ｖ0にする必要があり、ドライバーＩＣは高電圧タイプとなり、高圧電源と含めコストアップになる。
（２）ノズル密度が高くなると、圧電素子セグメントのピッチＷｐは短くなり、おのずと隣接する圧電素子セグメント間の距離Ｗｋは狭くなる。圧電素子セグメント１００ａに着目すると、隣接セグメント間の圧電体膜１０２の領域に斜め電界Ｅが働くため、この領域で撓み変形が生じ、この影響が隣接する圧力室１１３ｂに干渉して、ノズル１１１ｂからもインク滴１２０ｂが吐出するという異常吐出の現象が発生する危険がある。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、各圧電素子セグメントの駆動電圧を高くすることなく大きな変位量が得られる圧電素子を提供するとともに、隣接するノズルへの干渉の無い吐出特性に優れたインクジェットヘッド、及び、これを搭載したインクジェット装置及びインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を備え、各圧電素子セグメントは、前記櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜及び第１の電極と、前記櫛歯部の他方の面に順次形成した前記第１の圧電体膜と分極方向が同じ第２の圧電体膜及び第２の電極と、から構成され、各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点と、前記導電性弾性板と、の間に電圧を印加することにより、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜が同方向に撓み変形する圧電素子を特徴とする。
また、請求項２の発明は、前記導電性弾性板は立方晶系の金属薄板、前記圧電体膜はチタン酸ビスマスナトリウム系あるいはアルカリニオブ系、チタン酸バリウム等の非鉛系の圧電体材料により形成される請求項１記載の圧電素子を特徴とする。
【０００７】
また、請求項３の発明は、前記導電性弾性板の材料は白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレスから選択される請求項２記載の圧電素子を特徴とする。
また、請求項４の発明は、複数のノズルを有するノズルプレートと、該ノズルに対応する複数の個別圧力室を有する圧力室基板と、該圧力室基板に設けた振動板と、該振動板に接合した請求項１乃至３の何れか一項記載の圧電素子と、を備え、前記圧電素子の各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点に電圧を印加して前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を前記振動板方向に撓み変形させ、該変形により各圧力室内のインクを加圧することによりインク滴を対応する各ノズルから吐出させるインクジェットヘッドを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５の発明は、請求項４記載のインクジェットヘッドを備える画像形成装置を特徴とする。
また、請求項６の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、導電性弾性板の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する工程と、前記圧電体膜及び前記電極を、前記導電性弾性板が両面で櫛形形状に露出するようにドライエッチングする工程と、前記導電性弾性板を、前記櫛形形状の櫛歯部分の領域及び前記櫛歯を連結する部分の少なくとも一部をウェットエッチングにより除去する工程と、を備えた圧電素子の製造方法を特徴とする。
【０００９】
また、請求項７の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、櫛形形状に形成した導電性弾性板における各櫛歯部の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する圧電素子の製造方法を特徴とする。
また、請求項８の発明は、シリコン単結晶あるいはガラスからなる圧力室基板の一方の面に振動板を形成する振動板形成工程と、前記圧力室基板を他方の面からエッチングすることにより、インクを充填するための複数の圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記振動板の、前記圧力室とは逆の面に、前記複数の圧力室に対応する複数の圧電素子セグメントを有する圧電素子を接合する工程と、前記圧力室基板のエッチングをされた側にノズルプレートを接合する工程と、を有し、前記圧電素子が、請求項６又は７記載の製造方法によって製造されるインクジェットヘッドの製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の圧電素子は前述のように圧電体膜は２層であるが、各圧電体膜は導電性弾性板の両面に形成され、各圧電体膜の表面に形成された電極と前記導電性弾性板の間に電圧を印加する圧電素子構成のため、印加した駆動電圧がそのまま各圧電体膜に印加される。この結果、駆動電圧値は１層の場合と同じでありながら、大きな変位量の圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の圧電素子の構造の一例を示す図。
【図２】本発明の圧電素子の製造法を説明する図（その１）。
【図３】本発明の圧電素子の製造法を説明する図（その２）。
【図４】本発明の圧電素子に振動板を接着して構成したアクチュエータを示す図。
【図５】本発明の圧電素子を用いたインクジェットヘッドの構成を示す図。
【図６】本発明のインクジェットヘッドの圧電素子と駆動電源の接続状態を示す図。
【図７】本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を示す図。
【図８】本発明のインクジェットヘッドを用いた画像形成装置を説明する図。
【図９】従来の、圧電体膜を積層した圧電素子を用いたインクジェットヘッドを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の圧電素子の構造の一例を示す図である。
図１に示すように、本発明の圧電素子１は、複数個の圧電素子セグメント、例えば１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅから構成されている。ここでは、５つのセグメントからなる例を示しているが、この個数に限定されないことは言うまでもない。
図１の圧電素子１は、導電性弾性板２の両側に圧電体膜３、４を設け、さらにそれらの面上に電極５、６を設けた構成となっている。すなわち、導電性弾性板２の両側に圧電体膜３及び電極５、圧電体膜４及び電極６を順次形成した構成である。
例えば圧電素子セグメント１ａに着目すれば、導電性弾性板２ａの両側に圧電体膜３ａ、４ａを設け、さらにそれらの面上に電極５ａ、６ａを設けている。
各圧電素子セグメントは長さＬｓ、幅Ｗｓで、厚みｔは電極５、６の厚み、圧電体膜３、４の厚み及び導電性弾性板２の厚みの総和である。
【００１３】
導電性弾性板２は櫛形形状で、櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅが複数個の圧電素子セグメント群（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ）に対応し、それぞれが領域２ｋの部分でつながっている。領域２ｋは、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの領域を電気的に接続する目的で設けられたものであり、その幅Ｌｄは、各圧電素子セグメントの変形が干渉しない程度に小さいことが望ましい。これにより、各圧電素子セグメントは、それぞれの電極５、６に印加される電圧によって独立したたわみ変形を生じる。
導電性弾性板２としては、立方晶の結晶構造を持つ、厚み１μｍの白金箔を用いた。圧電体膜３、４は導電性弾性板２の両面にアルカリニオブ酸塩系の非鉛圧電体をスパッタリング法で形成したもので、厚みはそれぞれ１μｍである。圧電体膜の圧電定数ｄ31は５０×１０―12（ｍ／Ｖ）と、非鉛系の圧電体膜としては高い値が得られた。ちなみに、導電性弾性板材料としてＦｅ４２−Ｎｉや燐青銅を用いた場合には配向性が悪く、圧電定数ｄ31は上記値の数分の一と小さい。電極５、６はＰＦマグネトロンスパッタリング法で形成したものである。なお、材料としては白金に限らずニッケル等の材料を用いることができる。
本実施例では、圧電体膜としてアルカリニオブ酸塩系の材料について説明したが、チタン酸ビスマスナトリウム系、チタン酸バリウムを用いても良い。
【００１４】
次に、かかる圧電素子の製造方法を説明する。
図２は本発明の圧電素子の製造法を説明する図である。
図２（ａ）に示すように長方形状の導電性弾性板２（白金製）の片方の面に、ビスマス、ナトリウム、チタンをそれぞれ含有する金属化合物を溶媒に溶解させた溶液をスピンコート法により塗布後、約１５０℃で乾燥し、さらに３００〜４００℃で脱脂することを５回繰り返して片面に厚み１μｍのチタン酸ビスマスナトリウム系圧電膜を形成した。次に、もう片方の面に同様の工程で厚み１μｍの圧電膜を形成した。その後、酸素雰囲気中で６００〜７５０℃の温度で熱処理を行い結晶化を行った。
次に、図２（ｂ）に示すように圧電体膜３、４の表面に厚み０．１μｍの白金電極５、６をスパッタ法により形成した。
さらに、図２（ｃ）に示すようにドライエッチングにより、電極５、６、圧電体膜３、４を圧電素子セグメント形状にエッチングした。
次に、図２（ｄ）に示すように、導電性弾性板２を王水等のエッチング液を用い、共通電極部２ｋと各圧電素子セグメント形状の櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを残してエッチングし除去した。これにより図１に示すような圧電素子セグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅを有する圧電素子が得られた。圧電体膜のトータル厚みは２μｍであるが、実際のエッチング厚みは１μｍであるため、従来の積層構造の圧電体膜（２μｍ）よりもエッチング時間を短くすることができる。
本実施例ではチタン酸ビスマスナトリウム系の圧電膜を用いた圧電素子について説明したが、アルカリニオブ酸塩系、チタン酸バリウムを用いても良い。
【００１５】
図３は本発明の圧電素子の製造法の別の実施例を示す図である。
図３（ａ）に示すようにプレス等の機械加工法やエッチング法により、厚み２μｍの櫛形形状の導電性弾性板２（白金製）を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの両面にスパッタリング法により、厚み２μｍのアルカリニオブ酸塩系の圧電体膜３、４を形成した。
次に、図３（ｃ）に示すように、両圧電体膜３、４面に白金電極膜５（ａ〜ｅ）、６（ａ〜ｅ）をスパッタリング法により形成した。これにより図１に示す本発明の素子が得られた。
【００１６】
図４は、本発明の圧電素子に振動板を接着して構成したアクチュエータを示す図である。
図４にしたがって、本発明の圧電素子の動作を説明する。
圧電素子１を図４（ａ）に示すように、表面にアルミニウム、ニッケル、銅等の導電膜８が形成された振動板７に、導電性接着層１５により接着することにより振動板に撓み変形を生じさせるアクチュエータとなる。電源２３の電圧Ｖ0を２０Ｖとすると、圧電体膜３、４には、それぞれ２０Ｖが印加され、その時の振動板７の変位量は６００ｎｍとなった。
導電性弾性板２の図中上側の面には圧電体膜３が、さらに圧電体膜３の表面には電極膜５が形成され、導電性弾性板２の図中下側の面には圧電体膜４が形成され、さらに圧電体膜４の表面に電極膜６が形成されている。
圧電体膜の厚みは０．５〜１０μｍ、好ましくは１μｍから５μｍである。圧電素子１は表面にストライプ状の導電膜８が形成された絶縁性の振動板７の表面に導電性接着層１５により接着されている。振動板は絶縁材料であっても、金属薄板の両面を絶縁処理したものでもよい。振動板の厚みは１〜数μｍが望ましい。符号２１、２２はそれぞれ、圧電体膜３、４の分極方向であり、両分極方向を共に下向きとした。圧電膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、溶液塗布法等によって導電性弾性板２の表面に、また、電極はＰＦマグネトロンスパッタリング法で圧電体膜３、４の表面に形成することができる。圧電素子の電極膜５と６を接続して同一端子、導電性弾性板２を、もう一方の端子として、直流電源２３にスイッチＳを介して接続する。ここで、直流電源２３の電圧値はＶ0である。スイッチＳが開放された状態では圧電素子１、振動板７とも平坦である。
【００１７】
図４（ｂ）はスイッチＳを閉じて直流電圧Ｖ0を圧電素子に印加した時の撓み変形状態を示したものである。圧電体膜３、４にそれぞれ電圧Ｖ0が印加される。圧電体膜３では分極方向２２と電界方向２４が同方向であるため圧電体は長手方向に対して収縮、一方、圧電体膜４では逆に分極方向２１と電界方向２５が逆方向であるため長手方向に対して伸張する。この結果、圧電素子１は下を凸にして変形する。この結果、圧電素子１と接着された振動板７は電源をオン−オフすることにより、撓み変形を繰り返す。
【００１８】
以上、述べたように本発明の圧電素子１は図９（ｂ）に示した従来の構成の圧電素子の場合と異なり、各圧電体膜に電圧Ｖ0が印加され、電源電圧を２Ｖ0に増加させることなく、大きな変位量を得ることができる。上述のように、圧電体膜の材料としては、環境保全の観点から、鉛を含まない非鉛系の圧電体、例えばチタン酸ビスマスナトリウム系｛（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3｝やアルカリニオブ系｛（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ3｝、チタン酸バリウム｛ＢａＴｉＯ3｝を使用することができる。非鉛系圧電体材料膜はＰＺＴ薄膜に比べて結晶の配向が難しいため、導電性弾性板２の材料として白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等の立方晶系の材料を用いることが望ましい。すなわち、立方晶材料である導電性弾性板の表面に圧電体の薄膜を形成すると、導電性弾性板の結晶構造が、上記圧電体膜の結晶構造に影響を与え、圧電体膜の結晶の配向性が向上する。なお、この配向規制力のおよぶ範囲は１〜数μｍである。このため、本発明のように立方晶系の材料を用いた導電性弾性板の両面に１〜数μｍ厚の圧電体膜を形成すると配向規制力は圧電体膜内に充分作用するため、良好は結晶配向が得られる。
【００１９】
図５は本発明の圧電素子を用いたインクジェットヘッドの構成を示す図である。
図５（ａ）は、本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図である。
符号１は本発明の圧電素子、符号７は振動板であり、表面に複数個のストライプ形状の導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅが形成されている。符号９は圧力室基板でシリコン単結晶基板のエッチング加工によって形成されたもので、隔壁１２により区画された複数個の圧力室１０と共通インク室１１を有する。１３は複数個のノズル１４が形成されたノズルプレートである。上記の各圧電素子セグメント、各圧力室、各ノズルが、それぞれ対応するように組み立てられる。
組立時の位置精度は、あらかじめ位置合わせ用のピン穴（図示せず）を各構成部材に設けておくことにより確保することができる。
また、本発明の圧電素子１は、圧力室基板の複数の個別圧力室に対応して、複数の圧電素子セグメントに分割されており、また、各圧電素子セグメントは、独立して撓み動作を行うため、隣接するノズルへの干渉が無い優れた吐出性能を有するインクジェットヘッドを提供することができる。
【００２０】
図５（ｂ）はインクジェットヘッドの断面構造を示す図である。
図に示すように、圧電体膜３、４は各圧力室に対応して分割されている。
圧電素子１の電極６と振動板７の表面に形成された導電膜８を導電性接着層１５により電気的かつ機械的に接着している。各圧力室の幅Ｗp、長さＬpと圧電素子セグメントの幅Ｗs、Ｌsとの間には、Ｗp＞Ｗs、Ｌp＞Ｌsの関係がある。
なお、図５のインクジェットヘッドの製造方法は、例えば以下の通りである。
【００２１】
図５（ａ）において、図１の場合と同様に、圧電素子１の圧電体膜３、４の厚みはそれぞれ１μｍ、各圧電素子セグメントの寸法Ｗｓは６０μｍ、長さＬsは１．５ｍｍ、Ｌｄは０．５ｍｍである。これはノズルピッチが８５μｍの３００ｎｐｉ（ノズル／インチ）のインクジェットヘッドとするためである。この図では振動板７と圧力室基板９が別体に記載しているが、実際は一体構造であり、１枚のシリコン基板（厚み２００μｍ）の上側の面を熱酸化することにより絶縁膜ＳｉＯ2を形成した後に、下側の面から異方性エッチングすることにより圧力室１０と共通インク室１１を形成した。エッチングされずに残された部分が隔壁１２となり、絶縁膜ＳｉＯ2の部分が振動板７となる。振動板７の厚みは１μｍで、その表面にアルミニウム、ニッケル、銅あるいは白金等により導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅを形成した。圧電素子セグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅをそれぞれ、導電性接着層（図示せず）により、導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅに接着した。
この導電膜８は、圧電素子１の下電極６の電極引き出し機能と振動板の機能を有する。導電膜の幅ＷLと圧電素子の電極の幅ＷSについては、ＷL≧ＷSの関係が望ましい。ＷLをＷSよりも多少拡げておくことにより、圧電素子１を振動板７に接着する際に位置合わせ精度の裕度を向上することができる。ノズルプレート１３には、ニッケルやステンレスの薄板（厚み数十〜数百μｍ）に穴加工によりノズル１４（ａ〜ｅ）を形成する。ニッケル材の場合は電鋳法、ステンレスの場合にはプレス加工により行うことができる。
なお、ノズルプレート１３は圧力室基板９に絶縁性接着剤を用いて貼り合わせる。
【００２２】
図６は本発明のインクジェットヘッドの圧電素子と駆動電源の接続状態を示す図である。
複数の圧電素子セグメントのうちの１ａを代表例として説明する。圧電素子セグメント１ａの電極５ａと導電膜８ａをリード線１６ａで接続して同電位とする。
図には示されていないが、複数の圧電素子セグメントの信号電極端子である導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅからＦＰＣ１８を用いて、各駆動電源１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅの高電圧端子に接続する。一方、導電性弾性板の２ｋの部分からリード線１７により各駆動電源の共通端子（通常、アース電位）と接続する。電極５ａと導電性弾性板２ａで挟まれた圧電体膜３ａと電極６ａと導電性弾性板２ａで挟まれた圧電体膜４ａに、それぞれ、電圧Ｖ0（但し、電界方向は逆方向）が印加され、図４（ｂ）に示すような下に凸となる大きなたわみ変形が発生し、高粘度インクであっても、圧力室１０ａ内のインクは加圧されノズル１４ａから、インク滴２０ａが安定に吐出される。
【００２３】
本実施例はシリコン単結晶基板を用いた場合について説明したが、ガラス基板をエッチング加工することにより、圧力室基板を作成することができる。
さらに、本発明のインクジェットヘッドの吐出性能を説明する。駆動電圧Ｖ0を２０Ｖとした時、圧電体膜３、圧電体膜４にそれぞれ２０Ｖが印加され、それぞれ撓み変形を生じる。このときの振動板の最大変位は６００ｎｍである。一方、図９（ａ）に示す従来のインクジェットヘッドでは駆動電圧Ｖ0が同じ２０Ｖの時、各圧電体膜３、４に印加される電圧はそれぞれ１０Ｖであるため、振動板７の最大変位も約３００ｎｍに低下する。
すなわち、振動板が圧力室のインクを押し出す力も本発明のインクジェットは、従来ヘッドの２倍と大きくなる。さらに、圧電素子が圧力室基板の複数の個別圧力室に対応して複数の圧電素子セグメントに分割されているため、選択された圧電素子セグメントの撓み変形が隣接する圧力室に影響をおよぼすという問題は生じない。この結果、圧電定数の小さい非鉛系の圧電体材料を用いても吐出性能に優れたインクジェットヘッドを実現できる。また、圧電体のトータル厚みは２μｍであるが、導電性弾性板の両面の圧電体膜（１μｍ厚）を個別に加工できるため、エッチング加工速度が遅い非鉛系圧電体であっても、従来の積層構造に比べて加工に要する時間が短く、生産性にも優れる。
従来のインクジェットヘッド製造法では圧力室基板／振動板上に、圧電体膜を直接形成していく方法であるため、圧電体素子製造工程において不良が生じると、圧力室基板／振動板および圧電体素子のいずれも不良品となる。しかし、本発明では圧力室基板／振動板と、圧電素子は別体で形成されるため、一方が不良になっても、もう一方を活かすことができる効果もある。
【００２４】
図７（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を示す図である。図５（ｂ）のインクジェットヘッドとの違いは、圧電素子１の電極６を省略したもので、導電性接着層１５が電極６を兼用する構成である。これにより電極６を形成する工程を省略できるため、インクジェットヘッドの製造コストの低減を図ることができる。
図７（ｂ）は本発明のインクジェットヘッドのさらに別の実施例を示す図である。本発明のインクジェットヘッドの実施例である図５（ｂ）との違いは、圧電素子の電極６および振動板７の表面に形成していた導電膜８を省略したもので、導電性接着層１５を圧電体膜４面より少しはみ出させることにより、はみ出した領域で電極５との間で接続をとる。これにより、導電性接着層１５が電極６および導電膜８を兼用する構成となる。これにより電極６および導電膜８を形成する工程を省略できるため、インクジェットヘッドの製造コストのさらなる低減を図ることができる。
【００２５】
図８は本発明のインクジェットヘッドを用いた画像形成装置（インクジェット装置）を説明する図である。
図８（ａ）は複数個のインクジェットヘッド（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ）をヘッド取り付け基板２７に千鳥配置したラインヘッド２８の構成を示す。
インクジェットヘッド２６ａ、２６ｃ、２６ｅで一列のノズル列、インクジェットヘッド２６ｂ、２６ｄ、２６ｆで一列のノズル列を形成し、両列のヘッドの駆動タイミングをずらすことにより、一列のライン記録が可能となる。
図８（ｂ）はラインヘッドを用いた高速連帳カラーインクジェットプリンタの構成を示す。
ラインヘッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは、それぞれ、黒画像、シアン画像、マゼンタ画像、イエロー画像形成用ラインヘッドである。ロール紙等の記録媒体２９が給紙装置３０から引き出され、ラインヘッド群の下を通過時に４色のインク滴が記録媒体上に吐出されてカラー画像が形成され、定着装置３１を通過後、巻き取り装置３２により巻き取られる。
ここで、定着装置３１はインクが水性インクの場合にはロールヒータや熱風乾燥機や、インクがＵＶインクの場合には紫外線照射装置（ランプ、ＵＶ−ＬＥＤ）を意味する。
カラー印刷対応ライン記録インクジェット装置では、４個のラインヘッドを配置するため、装置に占めるヘッドの容積が大きく装置の小型化が難しいという問題があったが、本発明のインイッジェットヘッドは圧電体膜を用いた薄型のヘッドであるため、装置の小型化を図ることができる。なお、図８（ｂ）では省略したが、ラインヘッド２８ａの上流側に用紙の表面処理液塗布装置を設けても良い。
なお、用紙の搬送系をカット紙対応に変更すれば、カット紙にも対応できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００２６】
１ 圧電素子、１ａ〜ｅ 圧電素子セグメント、２ 導電性弾性板、２ｋ 共通電極部、
３（ａ〜ｅ） 圧電体膜、４（ａ〜ｅ） 圧電体膜、５（ａ〜ｅ） 電極、６（ａ〜ｅ） 電極、７ 振動板、８（ａ〜ｅ） 導電膜、９ 圧力室基板、１０ 圧力室基板、１０ａ〜ｅ 圧力室、１１ 共通インク室、１２ 隔壁、１３ ノズルプレート、１４ ノズル、１５ 導電性接着層、１６ａ リード線、１７ リード線、１９ａ〜ｅ 各駆動電源、２０ａ インク滴、２１、２２ 分極方向、２３ 直流電源、２６ａ〜ｆ インクジェットヘッド、２７ 基板、２８、２８ａ〜ｄ ラインヘッド、２９ 記録媒体、３０ 給紙装置、３１ 定着装置、３２ 装置、１００ 圧電素子、１００ａ〜ｅ 圧電素子セグメント、１００、１０１ 電極、１０２ 圧電体膜、１０３ 電極、１０３ａ 電極、１０４ 圧電体膜、１０４ａ 圧電体膜、１０５ 電極、１０５ａ 電極、１１０ 圧力室基板、１１１ ノズル、１１１ｂ ノズル、１１２ 隔壁、１１３ 圧力室、１１３ｂ 圧力室、１１４ 振動板、１１５ ノズルプレート、１２０ｂ インク滴、
１３１ａ 駆動電圧源、Ｅ 電界方向、
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開平５−２８６１３１号公報
【特許文献２】特開２００７−２６６３４６公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電体膜を用いた圧電素子に関し、特に、大きな撓み変形が得られる圧電素子、これらを用いたインクジェットヘッド、画像形成装置、及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にインクジェットヘッドは、圧電素子によりインク滴を吐出するための圧力を発生する複数の圧力室と各圧力室にインクを供給する共通インク室と、各圧力室に連通するノズルから構成される。圧電素子の材料（圧電体材料）は主として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられている。
従来はＰＺＴのグリーンシートを圧力室の形状に合わせて切断したものを積層し、これを焼結することにより圧電素子を作成し、振動板面に圧電素子を貼り付ける方式が用いられてきた。
その後、プロセスの簡略化と高密度配列を目的として複数の圧力室を形成したヘッド基板に振動板を形成し、成膜技術によりこの振動板の表面全体にわたって圧電体膜を形成し、この圧電体膜をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて圧力室ごとに独立した圧電素子を形成することにより、圧電定数ｄ31に基づく撓み変形を利用したベンドタイプのインクジェットヘッドを形成する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
ところで、インクジェット技術が産業用途分野でも利用されるようになり、インクも従来の低粘度インクだけでなく、高粘度インクも使用されるようになってきた。このためインクの吐出力の向上が望まれる。しかしながら、圧電体膜は圧電体のバルクに比べて圧電定数ｄ31は約１／２に低下するため、圧電体膜を用いた圧電素子の変位量が小さくなるという問題がある。さらに、圧電体として用いられるＰＺＴには酸化鉛が重量にして７０％程度含まれるため、環境保全の観点から、ＰＺＴを非鉛系の圧電体材料に変更することが望まれている。しかし、非鉛系の圧電体材料を用いた圧電体膜の圧電定数ｄ31はＰＺＴを用いた圧電体膜の１／２以下と小さい。
このような背景のもと、非鉛系の圧電体層を積層することにより圧電素子駆動時の変位量を確保し、インクジェットヘッドのインク吐出力を向上する方法が提案されている（特許文献２）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２で提案された圧電体膜を積層する構成では、圧電素子の駆動電圧が高くなるという問題と隣接ノズルの圧電素子の影響（クロストーク）を受けるという問題がある。
図９を用いて、従来の、圧電体膜を積層した圧電素子を用いたインクジェットヘッドにおける問題点を説明する。
図９（ａ）は圧電体膜を積層したタイプのインクジェットヘッドの断面を示す図である。
図に示すインクジェットヘッドは、複数のノズル１１１（ａ〜ｅ）を有するノズルプレート１１５、隔壁１１２で囲まれた複数個の圧力室１１３（ａ〜ｅ）から構成される圧力室基板１１０、その上部の振動板１１４の表面に形成された圧電素子１００から構成される。
圧電素子１００は、複数の圧電素子セグメント１００ａ〜ｅからなっており、振動板１１４の表面に順に、各セグメントに共通の第１電極１０１、圧電体膜１０２、セグメント毎に有する第２電極１０３（ａ〜ｅ）、圧電体膜１０４（ａ〜ｅ）そして第３電極１０５（ａ〜ｅ）が形成された２層の圧電体層からなる。
圧電素子セグメントの代表例として１００ａを取り上げて説明する。
第３電極１０５ａ、圧電体膜１０４ａ、第２電極１０３ａがエッチングにより各圧力室に対応して分割されているが、圧電体膜１０２と第１電極１０１は分割されることなく、前記複数の圧力室上部の振動板１１４面上に配置されている。これは圧電材料、特に非鉛系圧電体材料はエッチング速度が遅いため量産性を考慮し、分割を上の層の第３電極１０５、圧電体膜１０４、第２電極１０３のみとしたためである。
【０００５】
図９（ｂ）は圧電素子への駆動電源への接続形態を示す図であり、圧電素子セグメント１００ｂに注目して記載されている。
第１電極１０１を共通電極とし、分割された第３電極群１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅからそれぞれ、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブルプリント基板）１３０を介して、それぞれ駆動電圧源１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅに接続される。
この構成においては、下記の問題点がある。
（１）圧電素子の変位量および変位圧力は圧電体膜に印加される電圧に比例する。しかし、圧電体膜が２層シリーズに積層されているため、圧電素子の駆動電圧をＶ0とすると、各圧電体膜の一層あたりの印加電圧はＶ0／２に低下する。このため、各層への印加電圧をＶ0とするには電源電圧を２Ｖ0にする必要があり、ドライバーＩＣは高電圧タイプとなり、高圧電源と含めコストアップになる。
（２）ノズル密度が高くなると、圧電素子セグメントのピッチＷｐは短くなり、おのずと隣接する圧電素子セグメント間の距離Ｗｋは狭くなる。圧電素子セグメント１００ａに着目すると、隣接セグメント間の圧電体膜１０２の領域に斜め電界Ｅが働くため、この領域で撓み変形が生じ、この影響が隣接する圧力室１１３ｂに干渉して、ノズル１１１ｂからもインク滴１２０ｂが吐出するという異常吐出の現象が発生する危険がある。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、各圧電素子セグメントの駆動電圧を高くすることなく大きな変位量が得られる圧電素子を提供するとともに、隣接するノズルへの干渉の無い吐出特性に優れたインクジェットヘッド、及び、これを搭載したインクジェット装置及びインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を備え、各圧電素子セグメントは、前記櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜及び第１の電極と、前記櫛歯部の他方の面に順次形成した前記第１の圧電体膜と分極方向が同じ第２の圧電体膜及び第２の電極と、から構成され、各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点と、前記導電性弾性板と、の間に電圧を印加することにより、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜が同方向に撓み変形する圧電素子を特徴とする。
また、請求項２の発明は、前記導電性弾性板は立方晶系の金属薄板、前記圧電体膜はチタン酸ビスマスナトリウム系あるいはアルカリニオブ系、チタン酸バリウム等の非鉛系の圧電体材料により形成される請求項１記載の圧電素子を特徴とする。
【０００７】
また、請求項３の発明は、前記導電性弾性板の材料は白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレスから選択される請求項２記載の圧電素子を特徴とする。
また、請求項４の発明は、複数のノズルを有するノズルプレートと、該ノズルに対応する複数の個別圧力室を有する圧力室基板と、該圧力室基板に設けた振動板と、該振動板に接合した請求項１乃至３の何れか一項記載の圧電素子と、を備え、前記圧電素子の各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点に電圧を印加して前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を前記振動板方向に撓み変形させ、該変形により各圧力室内のインクを加圧することによりインク滴を対応する各ノズルから吐出させるインクジェットヘッドを特徴とする。
【０００８】
また、請求項５の発明は、請求項４記載のインクジェットヘッドを備える画像形成装置を特徴とする。
また、請求項６の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、導電性弾性板の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する工程と、前記圧電体膜及び前記電極を、前記導電性弾性板が両面で櫛形形状に露出するようにドライエッチングする工程と、前記導電性弾性板を、前記櫛形形状の櫛歯部分の領域及び前記櫛歯を連結する部分の少なくとも一部をウェットエッチングにより除去する工程と、を備えた圧電素子の製造方法を特徴とする。
【０００９】
また、請求項７の発明は、櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、櫛形形状に形成した導電性弾性板における各櫛歯部の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する圧電素子の製造方法を特徴とする。
また、請求項８の発明は、シリコン単結晶あるいはガラスからなる圧力室基板の一方の面に振動板を形成する振動板形成工程と、前記圧力室基板を他方の面からエッチングすることにより、インクを充填するための複数の圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記振動板の、前記圧力室とは逆の面に、前記複数の圧力室に対応する複数の圧電素子セグメントを有する圧電素子を接合する工程と、前記圧力室基板のエッチングをされた側にノズルプレートを接合する工程と、を有し、前記圧電素子が、請求項６又は７記載の製造方法によって製造されるインクジェットヘッドの製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の圧電素子は前述のように圧電体膜は２層であるが、各圧電体膜は導電性弾性板の両面に形成され、各圧電体膜の表面に形成された電極と前記導電性弾性板の間に電圧を印加する圧電素子構成のため、印加した駆動電圧がそのまま各圧電体膜に印加される。この結果、駆動電圧値は１層の場合と同じでありながら、大きな変位量の圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の圧電素子の構造の一例を示す図。
【図２】本発明の圧電素子の製造法を説明する図（その１）。
【図３】本発明の圧電素子の製造法を説明する図（その２）。
【図４】本発明の圧電素子に振動板を接着して構成したアクチュエータを示す図。
【図５】本発明の圧電素子を用いたインクジェットヘッドの構成を示す図。
【図６】本発明のインクジェットヘッドの圧電素子と駆動電源の接続状態を示す図。
【図７】本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を示す図。
【図８】本発明のインクジェットヘッドを用いた画像形成装置を説明する図。
【図９】従来の、圧電体膜を積層した圧電素子を用いたインクジェットヘッドを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の圧電素子の構造の一例を示す図である。
図１に示すように、本発明の圧電素子１は、複数個の圧電素子セグメント、例えば１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅから構成されている。ここでは、５つのセグメントからなる例を示しているが、この個数に限定されないことは言うまでもない。
図１の圧電素子１は、導電性弾性板２の両側に圧電体膜３、４を設け、さらにそれらの面上に電極５、６を設けた構成となっている。すなわち、導電性弾性板２の両側に圧電体膜３及び電極５、圧電体膜４及び電極６を順次形成した構成である。
例えば圧電素子セグメント１ａに着目すれば、導電性弾性板２ａの両側に圧電体膜３ａ、４ａを設け、さらにそれらの面上に電極５ａ、６ａを設けている。
各圧電素子セグメントは長さＬｓ、幅Ｗｓで、厚みｔは電極５、６の厚み、圧電体膜３、４の厚み及び導電性弾性板２の厚みの総和である。
【００１３】
導電性弾性板２は櫛形形状で、櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅが複数個の圧電素子セグメント群（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ）に対応し、それぞれが領域２ｋの部分でつながっている。領域２ｋは、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの領域を電気的に接続する目的で設けられたものであり、その幅Ｌｄは、各圧電素子セグメントの変形が干渉しない程度に小さいことが望ましい。これにより、各圧電素子セグメントは、それぞれの電極５、６に印加される電圧によって独立したたわみ変形を生じる。
導電性弾性板２としては、立方晶の結晶構造を持つ、厚み１μｍの白金箔を用いた。圧電体膜３、４は導電性弾性板２の両面にアルカリニオブ酸塩系の非鉛圧電体をスパッタリング法で形成したもので、厚みはそれぞれ１μｍである。圧電体膜の圧電定数ｄ31は５０×１０―12（ｍ／Ｖ）と、非鉛系の圧電体膜としては高い値が得られた。ちなみに、導電性弾性板材料としてＦｅ４２−Ｎｉや燐青銅を用いた場合には配向性が悪く、圧電定数ｄ31は上記値の数分の一と小さい。電極５、６はＰＦマグネトロンスパッタリング法で形成したものである。なお、材料としては白金に限らずニッケル等の材料を用いることができる。
本実施例では、圧電体膜としてアルカリニオブ酸塩系の材料について説明したが、チタン酸ビスマスナトリウム系、チタン酸バリウムを用いても良い。
【００１４】
次に、かかる圧電素子の製造方法を説明する。
図２は本発明の圧電素子の製造法を説明する図である。
図２（ａ）に示すように長方形状の導電性弾性板２（白金製）の片方の面に、ビスマス、ナトリウム、チタンをそれぞれ含有する金属化合物を溶媒に溶解させた溶液をスピンコート法により塗布後、約１５０℃で乾燥し、さらに３００〜４００℃で脱脂することを５回繰り返して片面に厚み１μｍのチタン酸ビスマスナトリウム系圧電膜を形成した。次に、もう片方の面に同様の工程で厚み１μｍの圧電膜を形成した。その後、酸素雰囲気中で６００〜７５０℃の温度で熱処理を行い結晶化を行った。
次に、図２（ｂ）に示すように圧電体膜３、４の表面に厚み０．１μｍの白金電極５、６をスパッタ法により形成した。
さらに、図２（ｃ）に示すようにドライエッチングにより、電極５、６、圧電体膜３、４を圧電素子セグメント形状にエッチングした。
次に、図２（ｄ）に示すように、導電性弾性板２を王水等のエッチング液を用い、共通電極部２ｋと各圧電素子セグメント形状の櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを残してエッチングし除去した。これにより図１に示すような圧電素子セグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅを有する圧電素子が得られた。圧電体膜のトータル厚みは２μｍであるが、実際のエッチング厚みは１μｍであるため、従来の積層構造の圧電体膜（２μｍ）よりもエッチング時間を短くすることができる。
本実施例ではチタン酸ビスマスナトリウム系の圧電膜を用いた圧電素子について説明したが、アルカリニオブ酸塩系、チタン酸バリウムを用いても良い。
【００１５】
図３は本発明の圧電素子の製造法の別の実施例を示す図である。
図３（ａ）に示すようにプレス等の機械加工法やエッチング法により、厚み２μｍの櫛形形状の導電性弾性板２（白金製）を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、櫛歯部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの両面にスパッタリング法により、厚み２μｍのアルカリニオブ酸塩系の圧電体膜３、４を形成した。
次に、図３（ｃ）に示すように、両圧電体膜３、４面に白金電極膜５（ａ〜ｅ）、６（ａ〜ｅ）をスパッタリング法により形成した。これにより図１に示す本発明の素子が得られた。
【００１６】
図４は、本発明の圧電素子に振動板を接着して構成したアクチュエータを示す図である。
図４にしたがって、本発明の圧電素子の動作を説明する。
圧電素子１を図４（ａ）に示すように、表面にアルミニウム、ニッケル、銅等の導電膜８が形成された振動板７に、導電性接着層１５により接着することにより振動板に撓み変形を生じさせるアクチュエータとなる。電源２３の電圧Ｖ0を２０Ｖとすると、圧電体膜３、４には、それぞれ２０Ｖが印加され、その時の振動板７の変位量は６００ｎｍとなった。
導電性弾性板２の図中上側の面には圧電体膜３が、さらに圧電体膜３の表面には電極膜５が形成され、導電性弾性板２の図中下側の面には圧電体膜４が形成され、さらに圧電体膜４の表面に電極膜６が形成されている。
圧電体膜の厚みは０．５〜１０μｍ、好ましくは１μｍから５μｍである。圧電素子１は表面にストライプ状の導電膜８が形成された絶縁性の振動板７の表面に導電性接着層１５により接着されている。振動板は絶縁材料であっても、金属薄板の両面を絶縁処理したものでもよい。振動板の厚みは１〜数μｍが望ましい。符号２１、２２はそれぞれ、圧電体膜３、４の分極方向であり、両分極方向を共に下向きとした。圧電膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、溶液塗布法等によって導電性弾性板２の表面に、また、電極はＰＦマグネトロンスパッタリング法で圧電体膜３、４の表面に形成することができる。圧電素子の電極膜５と６を接続して同一端子、導電性弾性板２を、もう一方の端子として、直流電源２３にスイッチＳを介して接続する。ここで、直流電源２３の電圧値はＶ0である。スイッチＳが開放された状態では圧電素子１、振動板７とも平坦である。
【００１７】
図４（ｂ）はスイッチＳを閉じて直流電圧Ｖ0を圧電素子に印加した時の撓み変形状態を示したものである。圧電体膜３、４にそれぞれ電圧Ｖ0が印加される。圧電体膜３では分極方向２２と電界方向２４が同方向であるため圧電体は長手方向に対して収縮、一方、圧電体膜４では逆に分極方向２１と電界方向２５が逆方向であるため長手方向に対して伸張する。この結果、圧電素子１は下を凸にして変形する。この結果、圧電素子１と接着された振動板７は電源をオン−オフすることにより、撓み変形を繰り返す。
【００１８】
以上、述べたように本発明の圧電素子１は図９（ｂ）に示した従来の構成の圧電素子の場合と異なり、各圧電体膜に電圧Ｖ0が印加され、電源電圧を２Ｖ0に増加させることなく、大きな変位量を得ることができる。上述のように、圧電体膜の材料としては、環境保全の観点から、鉛を含まない非鉛系の圧電体、例えばチタン酸ビスマスナトリウム系｛（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3｝やアルカリニオブ系｛（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ3｝、チタン酸バリウム｛ＢａＴｉＯ3｝を使用することができる。非鉛系圧電体材料膜はＰＺＴ薄膜に比べて結晶の配向が難しいため、導電性弾性板２の材料として白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等の立方晶系の材料を用いることが望ましい。すなわち、立方晶材料である導電性弾性板の表面に圧電体の薄膜を形成すると、導電性弾性板の結晶構造が、上記圧電体膜の結晶構造に影響を与え、圧電体膜の結晶の配向性が向上する。なお、この配向規制力のおよぶ範囲は１〜数μｍである。このため、本発明のように立方晶系の材料を用いた導電性弾性板の両面に１〜数μｍ厚の圧電体膜を形成すると配向規制力は圧電体膜内に充分作用するため、良好は結晶配向が得られる。
【００１９】
図５は本発明の圧電素子を用いたインクジェットヘッドの構成を示す図である。
図５（ａ）は、本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図である。
符号１は本発明の圧電素子、符号７は振動板であり、表面に複数個のストライプ形状の導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅが形成されている。符号９は圧力室基板でシリコン単結晶基板のエッチング加工によって形成されたもので、隔壁１２により区画された複数個の圧力室１０と共通インク室１１を有する。１３は複数個のノズル１４が形成されたノズルプレートである。上記の各圧電素子セグメント、各圧力室、各ノズルが、それぞれ対応するように組み立てられる。
組立時の位置精度は、あらかじめ位置合わせ用のピン穴（図示せず）を各構成部材に設けておくことにより確保することができる。
また、本発明の圧電素子１は、圧力室基板の複数の個別圧力室に対応して、複数の圧電素子セグメントに分割されており、また、各圧電素子セグメントは、独立して撓み動作を行うため、隣接するノズルへの干渉が無い優れた吐出性能を有するインクジェットヘッドを提供することができる。
【００２０】
図５（ｂ）はインクジェットヘッドの断面構造を示す図である。
図に示すように、圧電体膜３、４は各圧力室に対応して分割されている。
圧電素子１の電極６と振動板７の表面に形成された導電膜８を導電性接着層１５により電気的かつ機械的に接着している。各圧力室の幅Ｗp、長さＬpと圧電素子セグメントの幅Ｗs、Ｌsとの間には、Ｗp＞Ｗs、Ｌp＞Ｌsの関係がある。
なお、図５のインクジェットヘッドの製造方法は、例えば以下の通りである。
【００２１】
図５（ａ）において、図１の場合と同様に、圧電素子１の圧電体膜３、４の厚みはそれぞれ１μｍ、各圧電素子セグメントの寸法Ｗｓは６０μｍ、長さＬsは１．５ｍｍ、Ｌｄは０．５ｍｍである。これはノズルピッチが８５μｍの３００ｎｐｉ（ノズル／インチ）のインクジェットヘッドとするためである。この図では振動板７と圧力室基板９が別体に記載しているが、実際は一体構造であり、１枚のシリコン基板（厚み２００μｍ）の上側の面を熱酸化することにより絶縁膜ＳｉＯ2を形成した後に、下側の面から異方性エッチングすることにより圧力室１０と共通インク室１１を形成した。エッチングされずに残された部分が隔壁１２となり、絶縁膜ＳｉＯ2の部分が振動板７となる。振動板７の厚みは１μｍで、その表面にアルミニウム、ニッケル、銅あるいは白金等により導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅを形成した。圧電素子セグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅをそれぞれ、導電性接着層（図示せず）により、導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅに接着した。
この導電膜８は、圧電素子１の下電極６の電極引き出し機能と振動板の機能を有する。導電膜の幅ＷLと圧電素子の電極の幅ＷSについては、ＷL≧ＷSの関係が望ましい。ＷLをＷSよりも多少拡げておくことにより、圧電素子１を振動板７に接着する際に位置合わせ精度の裕度を向上することができる。ノズルプレート１３には、ニッケルやステンレスの薄板（厚み数十〜数百μｍ）に穴加工によりノズル１４（ａ〜ｅ）を形成する。ニッケル材の場合は電鋳法、ステンレスの場合にはプレス加工により行うことができる。
なお、ノズルプレート１３は圧力室基板９に絶縁性接着剤を用いて貼り合わせる。
【００２２】
図６は本発明のインクジェットヘッドの圧電素子と駆動電源の接続状態を示す図である。
複数の圧電素子セグメントのうちの１ａを代表例として説明する。圧電素子セグメント１ａの電極５ａと導電膜８ａをリード線１６ａで接続して同電位とする。
図には示されていないが、複数の圧電素子セグメントの信号電極端子である導電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅからＦＰＣ１８を用いて、各駆動電源１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅの高電圧端子に接続する。一方、導電性弾性板の２ｋの部分からリード線１７により各駆動電源の共通端子（通常、アース電位）と接続する。電極５ａと導電性弾性板２ａで挟まれた圧電体膜３ａと電極６ａと導電性弾性板２ａで挟まれた圧電体膜４ａに、それぞれ、電圧Ｖ0（但し、電界方向は逆方向）が印加され、図４（ｂ）に示すような下に凸となる大きなたわみ変形が発生し、高粘度インクであっても、圧力室１０ａ内のインクは加圧されノズル１４ａから、インク滴２０ａが安定に吐出される。
【００２３】
本実施例はシリコン単結晶基板を用いた場合について説明したが、ガラス基板をエッチング加工することにより、圧力室基板を作成することができる。
さらに、本発明のインクジェットヘッドの吐出性能を説明する。駆動電圧Ｖ0を２０Ｖとした時、圧電体膜３、圧電体膜４にそれぞれ２０Ｖが印加され、それぞれ撓み変形を生じる。このときの振動板の最大変位は６００ｎｍである。一方、図９（ａ）に示す従来のインクジェットヘッドでは駆動電圧Ｖ0が同じ２０Ｖの時、各圧電体膜３、４に印加される電圧はそれぞれ１０Ｖであるため、振動板７の最大変位も約３００ｎｍに低下する。
すなわち、振動板が圧力室のインクを押し出す力も本発明のインクジェットは、従来ヘッドの２倍と大きくなる。さらに、圧電素子が圧力室基板の複数の個別圧力室に対応して複数の圧電素子セグメントに分割されているため、選択された圧電素子セグメントの撓み変形が隣接する圧力室に影響をおよぼすという問題は生じない。この結果、圧電定数の小さい非鉛系の圧電体材料を用いても吐出性能に優れたインクジェットヘッドを実現できる。また、圧電体のトータル厚みは２μｍであるが、導電性弾性板の両面の圧電体膜（１μｍ厚）を個別に加工できるため、エッチング加工速度が遅い非鉛系圧電体であっても、従来の積層構造に比べて加工に要する時間が短く、生産性にも優れる。
従来のインクジェットヘッド製造法では圧力室基板／振動板上に、圧電体膜を直接形成していく方法であるため、圧電体素子製造工程において不良が生じると、圧力室基板／振動板および圧電体素子のいずれも不良品となる。しかし、本発明では圧力室基板／振動板と、圧電素子は別体で形成されるため、一方が不良になっても、もう一方を活かすことができる効果もある。
【００２４】
図７（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を示す図である。図５（ｂ）のインクジェットヘッドとの違いは、圧電素子１の電極６を省略したもので、導電性接着層１５が電極６を兼用する構成である。これにより電極６を形成する工程を省略できるため、インクジェットヘッドの製造コストの低減を図ることができる。
図７（ｂ）は本発明のインクジェットヘッドのさらに別の実施例を示す図である。本発明のインクジェットヘッドの実施例である図５（ｂ）との違いは、圧電素子の電極６および振動板７の表面に形成していた導電膜８を省略したもので、導電性接着層１５を圧電体膜４面より少しはみ出させることにより、はみ出した領域で電極５との間で接続をとる。これにより、導電性接着層１５が電極６および導電膜８を兼用する構成となる。これにより電極６および導電膜８を形成する工程を省略できるため、インクジェットヘッドの製造コストのさらなる低減を図ることができる。
【００２５】
図８は本発明のインクジェットヘッドを用いた画像形成装置（インクジェット装置）を説明する図である。
図８（ａ）は複数個のインクジェットヘッド（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ）をヘッド取り付け基板２７に千鳥配置したラインヘッド２８の構成を示す。
インクジェットヘッド２６ａ、２６ｃ、２６ｅで一列のノズル列、インクジェットヘッド２６ｂ、２６ｄ、２６ｆで一列のノズル列を形成し、両列のヘッドの駆動タイミングをずらすことにより、一列のライン記録が可能となる。
図８（ｂ）はラインヘッドを用いた高速連帳カラーインクジェットプリンタの構成を示す。
ラインヘッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは、それぞれ、黒画像、シアン画像、マゼンタ画像、イエロー画像形成用ラインヘッドである。ロール紙等の記録媒体２９が給紙装置３０から引き出され、ラインヘッド群の下を通過時に４色のインク滴が記録媒体上に吐出されてカラー画像が形成され、定着装置３１を通過後、巻き取り装置３２により巻き取られる。
ここで、定着装置３１はインクが水性インクの場合にはロールヒータや熱風乾燥機や、インクがＵＶインクの場合には紫外線照射装置（ランプ、ＵＶ−ＬＥＤ）を意味する。
カラー印刷対応ライン記録インクジェット装置では、４個のラインヘッドを配置するため、装置に占めるヘッドの容積が大きく装置の小型化が難しいという問題があったが、本発明のインイッジェットヘッドは圧電体膜を用いた薄型のヘッドであるため、装置の小型化を図ることができる。なお、図８（ｂ）では省略したが、ラインヘッド２８ａの上流側に用紙の表面処理液塗布装置を設けても良い。
なお、用紙の搬送系をカット紙対応に変更すれば、カット紙にも対応できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００２６】
１ 圧電素子、１ａ〜ｅ 圧電素子セグメント、２ 導電性弾性板、２ｋ 共通電極部、
３（ａ〜ｅ） 圧電体膜、４（ａ〜ｅ） 圧電体膜、５（ａ〜ｅ） 電極、６（ａ〜ｅ） 電極、７ 振動板、８（ａ〜ｅ） 導電膜、９ 圧力室基板、１０ 圧力室基板、１０ａ〜ｅ 圧力室、１１ 共通インク室、１２ 隔壁、１３ ノズルプレート、１４ ノズル、１５ 導電性接着層、１６ａ リード線、１７ リード線、１９ａ〜ｅ 各駆動電源、２０ａ インク滴、２１、２２ 分極方向、２３ 直流電源、２６ａ〜ｆ インクジェットヘッド、２７ 基板、２８、２８ａ〜ｄ ラインヘッド、２９ 記録媒体、３０ 給紙装置、３１ 定着装置、３２ 装置、１００ 圧電素子、１００ａ〜ｅ 圧電素子セグメント、１００、１０１ 電極、１０２ 圧電体膜、１０３ 電極、１０３ａ 電極、１０４ 圧電体膜、１０４ａ 圧電体膜、１０５ 電極、１０５ａ 電極、１１０ 圧力室基板、１１１ ノズル、１１１ｂ ノズル、１１２ 隔壁、１１３ 圧力室、１１３ｂ 圧力室、１１４ 振動板、１１５ ノズルプレート、１２０ｂ インク滴、
１３１ａ 駆動電圧源、Ｅ 電界方向、
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開平５−２８６１３１号公報
【特許文献２】特開２００７−２６６３４６公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を備え、
各圧電素子セグメントは、前記櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜及び第１の電極と、前記櫛歯部の他方の面に順次形成した前記第１の圧電体膜と分極方向が同じ第２の圧電体膜及び第２の電極と、から構成され、
各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点と、前記導電性弾性板と、の間に電圧を印加することにより、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜が同方向に撓み変形することを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記導電性弾性板は立方晶系の金属薄板、前記圧電体膜はチタン酸ビスマスナトリウム系あるいはアルカリニオブ系、チタン酸バリウム等の非鉛系の圧電体材料により形成されることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記導電性弾性板の材料は白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレスから選択されることを特徴とする請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
複数のノズルを有するノズルプレートと、該ノズルに対応する複数の個別圧力室を有する圧力室基板と、該圧力室基板に設けた振動板と、該振動板に接合した請求項１乃至３の何れか一項記載の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子の各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点に電圧を印加して前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を前記振動板方向に撓み変形させ、該変形により各圧力室内のインクを加圧することによりインク滴を対応する各ノズルから吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項４記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項６】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、
導電性弾性板の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する工程と、
前記圧電体膜及び前記電極を、前記導電性弾性板が両面で櫛形形状に露出するようにドライエッチングする工程と、
前記導電性弾性板を、前記櫛形形状の櫛歯部分の領域及び前記櫛歯を連結する部分の少なくとも一部をウェットエッチングにより除去する工程と、を備えたことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項７】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、
櫛形形状に形成した導電性弾性板における各櫛歯部の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項８】
シリコン単結晶あるいはガラスからなる圧力室基板の一方の面に振動板を形成する振動板形成工程と、
前記圧力室基板を他方の面からエッチングすることにより、インクを充填するための複数の圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記振動板の、前記圧力室とは逆の面に、前記複数の圧力室に対応する複数の圧電素子セグメントを有する圧電素子を接合する工程と、
前記圧力室基板のエッチングをされた側にノズルプレートを接合する工程と、
を有し、前記圧電素子が、請求項６又は７記載の製造方法によって製造され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１】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を備え、
各圧電素子セグメントは、前記櫛歯部の一方の面に順次形成した第１の圧電体膜及び第１の電極と、前記櫛歯部の他方の面に順次形成した前記第１の圧電体膜と分極方向が同じ第２の圧電体膜及び第２の電極と、から構成され、
各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点と、前記導電性弾性板と、の間に電圧を印加することにより、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜が同方向に撓み変形することを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記導電性弾性板は立方晶系の金属薄板、前記圧電体膜はチタン酸ビスマスナトリウム系あるいはアルカリニオブ系、チタン酸バリウム等の非鉛系の圧電体材料により形成されることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記導電性弾性板の材料は白金、ルテニウム、イリジウム、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル、ステンレスから選択されることを特徴とする請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
複数のノズルを有するノズルプレートと、該ノズルに対応する複数の個別圧力室を有する圧力室基板と、該圧力室基板に設けた振動板と、該振動板に接合した請求項１乃至３の何れか一項記載の圧電素子と、を備え、
前記圧電素子の各圧電素子セグメントにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極の接続点に電圧を印加して前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を前記振動板方向に撓み変形させ、該変形により各圧力室内のインクを加圧することによりインク滴を対応する各ノズルから吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項４記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項６】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、
導電性弾性板の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成する工程と、
前記圧電体膜及び前記電極を、前記導電性弾性板が両面で櫛形形状に露出するようにドライエッチングする工程と、
前記導電性弾性板を、前記櫛形形状の櫛歯部分の領域及び前記櫛歯を連結する部分の少なくとも一部をウェットエッチングにより除去する工程と、を備えたことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項７】
櫛形形状の導電性弾性板と、該導電性弾性板の各櫛歯部に設けた圧電素子セグメントと、を有する圧電素子の製造方法であって、
櫛形形状に形成した導電性弾性板における各櫛歯部の両面に、前記圧電素子セグメントを構成する圧電体膜及び電極を順次形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項８】
シリコン単結晶あるいはガラスからなる圧力室基板の一方の面に振動板を形成する振動板形成工程と、
前記圧力室基板を他方の面からエッチングすることにより、インクを充填するための複数の圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記振動板の、前記圧力室とは逆の面に、前記複数の圧力室に対応する複数の圧電素子セグメントを有する圧電素子を接合する工程と、
前記圧力室基板のエッチングをされた側にノズルプレートを接合する工程と、
を有し、前記圧電素子が、請求項６又は７記載の製造方法によって製造されることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１６７７０２（Ｐ２０１０−１６７７０２Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９８０（Ｐ２００９−１２９８０）
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【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８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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