JP2003188429A - 圧電素子、インク吐出素子およびインクジエツト式記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜型圧電素子は、圧電膜を非晶質膜を作製
後、結晶化の熱処理を行う方法で作られ、クラックの発
生や特性バラツキの原因となっていた。 【解決手段】 基板の上に密着層を設け、その上に第１
の電極層を設け、その上に第１の結晶配向制御層を設
け、その上に第２の結晶配向制御層を設け、その第２の
結晶配向制御層上に圧電体層を設け、その圧電体層上に
第２の電極層を設けた構成とすることによって、圧電薄
膜材料を成膜後に熱処理による結晶化工程なしに直接的
に、例えばスパッタ法等で、結晶構造と優先配向面を制
御した結晶性の圧電体層が製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気機械変換機能を
呈する圧電素子、その圧電素子を用いたインクジエツト
ヘツド用インク吐出素子及びそのインクジエツトヘツド
用インク吐出素子を複数個配置したインクジエツトヘツ
ドを印字手段として備えたインクジエツト式記録装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料は、機械的エネルギーを電気的
エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械
的エネルギーに変換する材料である。圧電材料の代表的
なものとしては、ペロブスカイト型の結晶構造のチタン
酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）（以下、
『ＰＺＴ』と記す）がある。特にペロブスカイト型の正
方晶系結晶構造のＰＺＴの場合には、＜００１＞軸方向
（ｃ軸方向）に最も大きな圧電変位が得られる。しか
し、多くの圧電材料は、結晶粒子の集合体からなる多結
晶体であり、各結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向
いている。従って、自発分極Ｐｓもでたらめに配列して
いる。

【０００３】ところで、近年の電子機器の小型化に伴な
って、圧電素子に対しても小型化が強く要求されるよう
になってきた。そして、その要求を満たすために、圧電
素子は従来から多く使用されてきた焼結体に比べて著し
く体積の小さい薄膜の形態で使用されるようになりつつ
あり、圧電素子に対する薄膜化の研究開発が盛んになっ
てきた。例えば、ＰＺＴの場合、自発分極Ｐｓは＜００
１＞軸方向を向いているので、薄膜化しても高い圧電特
性を実現するためには、ＰＺＴ薄膜を構成する結晶の＜
００１＞軸を基板表面に対して垂直方向に揃える必要が
ある。そして、これをほぼ１００％配向させて実現する
ために、従来においては、結晶方位（１００）面が表面
に出るように切り出した岩塩型結晶構造の酸化マグネシ
ウム（ＭｇＯ）からなる単結晶の基板を用いることで、
ＰＺＴ組成のターゲットを用いたスパッタ法をによっ
て、その表面に対して垂直方向に＜００１＞軸配向した
結晶性良好なＰＺＴ薄膜を６００〜７００℃の温度で、
直接的に形成していた（例えば、J. Appl. Phys. vol.6
5, No.4 (15 Feb. 1989) pp.1666-1670）。この方法
は、ＭｇＯ単結晶の基板を用いることが特徴であり、そ
れによってはじめて、高い圧電特性を有する結晶方向に
優先的に結晶配向した圧電薄膜が実現されたわけである
が、このＭｇＯ単結晶は非常に高価な材料であるため
に、この圧電薄膜を利用した圧電素子などの工業製品を
大量生産するには、コスト面でふさわしくない。

【０００４】そこで、同様の圧電素子において、安価な
基板の上に圧電材料の結晶配向膜を作る方法として、い
ろいろな工夫がなされている。例えば、ＰＺＴなどの圧
電体層の結晶の優先配向面を制御する方法として基板の
表面に酸化ジルコニウムを主成分とする下地層を形成
し、さらにその下地層上にイリジウムを含有する下部電
極を形成し、その下部電極上に極薄のチタン層を積層
し、前記のチタン層上に、圧電特性を発現する強誘電体
を構成する金属元素および酸素元素を含む非晶質の圧電
体前駆体薄膜を形成し、その非晶質の薄膜を高温で熱処
理する方法で結晶化させて圧電性を発現する圧電体薄膜
に変化させる製造方法が考えられており、その際にチタ
ン層の膜厚を制御することで圧電体薄膜の結晶配向性を
コントロールできることが特開2001-88294号公報に開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開2001-88294
号公報に開示された方法は、高価なＭｇＯ単結晶基板を
用いない方法として優れた方法であるが、圧電薄膜は、
ＭｇＯ単結晶基板上のように、膜作製時に直接に結晶配
向した結晶性良好な膜が得られず、そのために、一旦、
非晶質の圧電体前駆体薄膜を作製し、それを含む積層膜
を最後に基板ごと熱処理して結晶軸がふさわしい方向に
優先配向した結晶性の圧電薄膜を得ている。特開2001-8
8294号公報では、非晶質薄膜を一旦作製し、結晶化熱処
理なる後処理によって結晶性薄膜に変化させて合成する
方法であるゾル・ゲル法（ＭＯＤ法も含む）以外の、結
晶化のための成膜後の熱処理工程を必要としない直接に
結晶質薄膜を作る成膜法、例えば、スパッタ法、レーザ
ーアブレーション法、ＣＶＤ法で、強誘電体薄膜の代表
のＰＺＴ膜の配向制御を試みたが、ゾル・ゲル法以外に
配向制御ができなかったとしている。その理由は、ゾル
・ゲル法では下部電極側から上部電極側にかけて徐々に
ＰＺＴ膜の結晶化が進行するのに対し、ＣＶＤ法やスパ
ッタ法などでは、ＰＺＴ膜の結晶化がランダムに進行
し、結晶化に規則性がないことが配向制御を困難にして
いるためとしている。

【０００６】しかしながら、ゾル・ゲル法は、圧電素子
を工業的に量産すると、有機物を取り除く脱脂工程にお
いて非晶質の圧電体前駆体薄膜に体積変化によりクラッ
クが生じやすく、さらに、非晶質の圧電体前駆体薄膜を
高温で加熱して結晶化させる工程でも結晶変化によりク
ラックが生じやすく、さらに上記の成膜後の後熱処理工
程があるために、工程数が多く、ともすると歩留りが低
くなってしまうという課題があった。

【０００７】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するもので、高歩留りで、かつ高信頼性をもつ圧電素
子、その製造方法、それを用いたインクジエツトヘツド
及びインクジエツトヘツド式記録装置の提供を目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の圧電素子は、基板上に密着層を設け、その
密着層上に第１の電極層を設け、その第1の電極層上に
第１の結晶配向制御層を設け、その第１の結晶配向制御
層上に第２の結晶配向制御層を設け、その第２の結晶配
向制御層上に圧電体層を設け、その圧電体層上に第２の
電極層を設けた構成を特徴とする。

【０００９】ここで、本発明の圧電素子の圧電体層は、
スパッタ法で形成され、後熱処置による結晶化工程なし
に作製される結晶性の圧電薄膜材料であり、かつ、（０
０１）に結晶配向した薄膜材料であることが好適な特徴
であり、圧電薄膜材料を成膜後に熱処理による結晶化工
程なしに、直接的に、結晶構造と優先配向面を制御した
結晶性の圧電体層が製造できる。その結果、ゾルゲル法
のように、圧電体層を成膜後に熱処理して結晶化する工
程を無くすることができ、クラックの発生や特性ばらつ
きを少なくできて、工業的に量産しても圧電特性の再現
性、ばらつき及び信頼性の良好な圧電体素子が実現でき
る。

【００１０】また、前記本発明の圧電素子は、第一の結
晶配向制御層が酸化マグネシウム、酸化ニツケル、酸化
コバルト、酸化チタン、酸化バナジウムの（１００）配
向の岩塩型結晶構造をもつ酸化物の群から選ばれた1種
以上であることが好ましい。このように圧電薄膜の結晶
配向を制御できるのは、圧電薄膜材料がペロブスカイト
型の結晶構造の物質であり、金属元素と酸素の配列と結
晶格子の間隔が、上記の岩塩構造の酸化物とほぼ一致す
るからであり、スパッタ法のように、下の層の上に積も
りながら、膜成長するタイプの薄膜形成の工法には、結
晶配向制御が可能になる。

【００１１】また、前記本発明の圧電素子は、第一の結
晶配向制御層がA_xB_3-xO₄で示される（１００）配向のス
ピネル型酸化物の群から選ばれた1種以上である酸化物
薄膜であって、A及びBは鉄、コバルト、マンガン、ニツ
ケル、亜鉛の群から選ばれた元素であり、xは0を超え3
未満の値であることが好ましい。このように圧電薄膜の
結晶配向を制御できるのは、圧電薄膜材料がペロブスカ
イト型の結晶構造の物質であり、金属元素と酸素の配列
と結晶格子の間隔が、上記のスピネル型結晶構造の酸化
物とほぼ一致するからである。

【００１２】また、前記本発明の圧電素子は、第二の配
向制御層がチタン酸ランタン鉛もしくはチタン酸ランタ
ン鉛にマグネシウム又はマンガンの群から選ばれた1種
以上を添加した（００１）配向の鉛を含むペロブスカイ
ト型酸化物でありことが好ましい。

【００１３】なお、上記の（００１）配向の鉛を含むペ
ロブスカイト型酸化物において、化学量論組成よりも鉛
元素が過剰であることが望ましい。

【００１４】また、前記本発明の圧電素子は、密着層と
して、チタン、モリブデン、タングステン、タンタルの
群から選ばれた1種であることが好ましい。

【００１５】基板と第１の電極層の間に上記の群から選
ばれる金属材料を入れることによって、強固に接合でき
ることになり、素子形状への機械加工の場合に、第１の
電極層から第２の電極層までの積層膜が基板からはがれ
ることがなくなり、加工での歩留まりがあがることにな
る。また、本発明の圧電素子を大きな電圧を印加して、
大きく変位振動して連続使用した場合に、疲労による基
板と積層膜のはがれを少なくできて、圧電素子の信頼性
があがることになる。

【００１６】さらに、本発明のインク吐出素子は、基板
上に、本発明の圧電素子は構成の中の第１の電極層を設
け、その第１の電極層上に第１の結晶配向制御層を設
け、その第１の結晶配向制御層上に第２の結晶配向制御
層を設け、その第２の結晶配向制御層上に圧電体層を設
け、その圧電体層上に第２の電極層を設けて圧電素子を
形成し、その圧電素子の第２の電極層上に振動板層を設
け、その振動板層の第２の電極層が形成されていない表
面と圧力室を接合し、上記基板を除去してなるアクチュ
エータ部と、前記アクチュエータ部の変位によってイン
ク液に圧力を加える圧力室部品と、前記圧力室部品にイ
ンク液を供給するインク液流路部品と、インク液を押し
出すノズル板とが接着された構成であることを特徴とす
る。

【００１７】また、本発明のインク吐出素子は、基板の
一方の面上に振動板層を設け、その振動板層上に第１の
電極層を設け、その第１の電極層上に第１の結晶配向制
御層を設け、その第１の結晶配向制御層上に第２の結晶
配向制御層を設け、その第２の結晶配向制御層上に圧電
体層を設け、その圧電体層上に第２の電極層を設けて圧
電素子を形成し、その圧電素子の基板の前記のそれぞれ
の層が形成されていない他方の面に隔壁で囲まれた圧力
室を形成し、前記圧力室にインク液を供給するインク液
流路部品と、インク液を押し出すノズル板とが接着され
た構成を特徴とする。

【００１８】そのインク吐出素子の複数個と、前記イン
ク吐出素子を駆動する駆動電源素子とからインクジェッ
トヘッドが構成される。このインクジェットヘッドの構
成によれば、インク吐出素子のアクチュエータ部が大き
な圧電変位（変位量）を得ることが可能な（００１）に
配向した圧電体層を用いて作製されているため、インク
液の吐出能力が高く、インク吐出素子間のばらつきも小
さい。また、このようにインク液の吐出能力が高いた
め、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることがで
きるので、インク液の吐出のばらつきを容易にコントロ
ールすることができる。

【００１９】また、本発明に係るインクジェット式記録
装置の構成は、複数個の本発明のインク吐出素子から構
成されたジェットヘッドと、前記インクジェットヘッド
を記録媒体の幅方向に移送するインクジェットヘッド移
送手段と、前記インクジェットヘッドの移送方向に対し
て略垂直方向に記録媒体を移送する記録媒体移送手段と
を備えたことを特徴とする。このインクジェット式記録
装置の構成によれば、インク液の吐出のばらつきを容易
にコントロールすることのできるインクジェットヘッド
を用いて構成することにより、記録媒体に対する記録の
ばらつきを小さくすることができるので、信頼性の高い
インクジェット式記録装置を実現することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００２１】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態における圧電素子を示す斜視図である。図
１に示すように、本実施の形態の圧電素子２０は、長さ
が１５．０ｍｍ、厚さが０．３０ｍｍ、幅が３．０ｍｍ
の短冊平板形状のシリコン基板１とその上に形成された
積層体１１から成っている。圧電素子２０の幅は３．０
ｍｍである。圧電素子２０は、その一端部の長さ３．０
ｍｍがエポキシ系接着剤８によって厚み１．０ｍｍのス
テンレス支持基板７（幅０．３ｍｍで奥行１．０ｍｍ）
に固定され、これにより片持ち梁が構成されている。

【００２２】圧電素子２０は、シリコン基板１の片側表
面全面に、厚さ０．０１０μｍのモリブデン薄膜からな
る密着層１２を形成し、この密着層１２の上に厚さ０．
１２μｍの白金薄膜からなる第１の電極層２が設けられ
ている。さらに、第１の電極層２の表面上に、シリコン
基板１において、ステンレス支持基板７に接着された側
の一端から第１の電極層２の幅３．０ｍｍで長さ３．０
ｍｍを残して、残り全面（つまり幅３．０ｍｍで長さ１
２．０ｍｍの部分）を（１００）配向のＮｉＯ薄膜（厚
さ０．４０μｍ）からなる第１の結晶配向制御層３と、
第１の結晶配向層３の上に設けられた（００１）配向の
チタン酸ランタン鉛薄膜（厚さ０．０１８μｍ）からな
る第２の結晶配向層４と．その第２の結晶配向層４の上
に設けられた厚さ２．５０μｍのＰＺＴ薄膜からなる圧
電体層５と、その圧電体層５の上に設けられた白金薄膜
（０．２５μｍ）からなる第２の電極層６とにより構成
されている。第１の電極層２と第２の電極層６には、そ
れぞれリード線９、１０が接続されている。

【００２３】そして、リード線９、１０を介して圧電素
子２０の第１の電極層２と第２の電極層６との間に電圧
を印加すると、圧電体層５は図１のｘ方向に伸びる。圧
電体層５の伸びの変化量ΔＬ（ｍ）は、印加電圧をＥ
（Ｖ）、圧電体層５の厚さをｔ（ｍ）、圧電体層の長さ
をＬ（ｍ）、圧電体層の圧電定数をｄ₃₁（ｐｍ／Ｖ）と
して、下記（数１）によって表記される。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、膜厚の薄い第２の電極層６と接合
している圧電体層２の下側部分はｘ方向へ伸びるが、シ
リコン基板１と接合している第１の電極層２と、第１、
第２の結晶配向制御層３，４を介して接合している圧電
体層５の下部側部分は、厚いシリコン基板１によってそ
の伸び変位が抑制される。その結果、ステンレス支持基
板７に固定された端子側の一端部分と反対側の圧電素子
２０の先端が図１のｚ軸のーＺ方向（図１では下側）に
変位する。従って、電圧の印加と除去を一定周波数で繰
り返すと、圧電素子２０の先端が所定の変位幅でｚ軸方
向に上下運動する。そして、印加電圧と圧電素子２０の
先端の変位幅の大きさの関係を測定することにより、圧
電素子２０の変位特性を評価することができる。

【００２６】次に、圧電素子２０の製造方法について、
図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実
施の形態における圧電素子の製造方法を示す工程図であ
る。

【００２７】まず、図２（ａ）に示すように、２０ｍｍ
角で厚み０．３０ｍｍの（１００）面が研磨されたシリ
コン基板１の上にＲＦスパッタ法によってモリブデン
（Ｍｏ）からなる密着層１２を形成し、さらにその上に
白金（Ｐｔ）からなる第１の電極層２を形成した（図２
（ａ））。次いで、幅５．０ｍｍで長さ１２．０ｍｍの
長方形の開口部をもつステンレス製マスク（厚み０．２
ｍｍ）を用いて、第１の電極層２上にプラズマＭＯＣＶ
Ｄ法によって（００１）配向のＮｉＯ薄膜からなる第１
の結晶配向制御層３を形成し、さらに、同じ形状のステ
ンレス製マスクを用いて、第１の結晶配向制御層３の表
面に正確に、ＲＦマグネトロンスパッタ法によってチタ
ン酸ランタン鉛薄膜からなる第２の結晶配向制御層４を
形成し、同様にして、さらに第２の結晶配向制御層４の
表面に正確に、同じＲＦマグネトロンスパッタ法によっ
てＰＺＴ薄膜からなる圧電体層５を形成した。ここで、
（００１）配向のＮｉＯ薄膜の製造方法、チタン酸ラン
タン鉛薄膜の製造方法、ＰＺＴ薄膜の圧電体層５の製造
方法については、後で詳細に説明する。圧電体層５の厚
みは２．５０μｍである。次いで、前述と同じ形状のス
テンレス製マスクを用いて、前述と同様にして圧電体層
５の表面上に正確にＲＦスパッタリング法によって白金
（Ｐｔ）からなる厚み０．２５μｍの第２の電極層６を
形成した。これにより、図２（ｂ）に示すようなシリコ
ン基板１に圧電体層５を含む積層体１１が設けられた構
造体２１が得られた。

【００２８】次いで、図２（ｃ）に示すように、幅３．
０ｍｍで長さ１５．０ｍｍの短冊形状になるように、か
つ、その一端の幅３．０ｍｍ、長さ３．０ｍｍの正方形
部分を第１の電極層がむき出しで出るように、この構造
体２１をダイシングソーで正確に切断した。この結果、
のこりの幅３．０ｍｍで長さ１２．０ｍｍの部分は第２
の電極層２がむき出しで出ることになった圧電素子構造
体部品２２が得られた。続いて、図２（ｄ）のように、
上記の圧電素子構造体部品２２の第２の電極層２がむき
出し側のシリコン基板１の一端を、エポキシ系接着剤８
を用いて、ステンレス支持基板７と接合した。

【００２９】次いで、図２（ｅ）に示すように、圧電素
子構造体部品２２のシリコン基板１上の第１の電極層２
のむき出しになっている部分に導電性接着剤（銀ペース
ト）を用いて０．１ｍｍの金製のリード線９を接続し、
同じ一端方向の第２の電極層にワイヤボンディングで同
様なリード線１０を接続して、圧電素子２０を得た（図
２（ｆ））。このようにして作製した圧電素子２０を試
料１とした。

【００３０】第１の結晶配向制御層２である（１００）
配向のＮｉＯ薄膜は、図３に示すプラズマＭＯＣＶＤ成
膜装置を用いて、以下のようにして作製した。

【００３１】図３に示すプラズマＭＯＣＶＤ成膜装置１
０１は、真空チャンバー１０２内に平行に配置したアー
ス側電極１０３とマグネット１０５を配置したＲＦ側電
極１０４の二つの電極間に高周波によってプラズマを発
生させ、その中で有機金属錯体の原料ガスを分解して基
板１０６上に化学蒸着（ＣＶＤ）することで薄膜を形成
する装置である。ここで、この基板１０６はアース側電
極１０３に片側面が密着して保持され、基板加熱ヒータ
１０７によってあらかじめ、４００℃に加熱された状態
にした。

【００３２】ここで、基板１０６は、図２（ａ）に示し
たシリコン基板１の表面にモリブデン薄膜からなる密着
層と、白金薄膜からなる第１の電極層の二層を形成した
ものである。

【００３３】上記のプラズマＭＯＣＶＤ装置１０１は、
原料ガス供給系として、２つの加熱機構付き原料気化容
器１０８，１０９を備えている。その一方の原料気化容
器１０８にニッケルアセチルアセトナートである第１の
有機金属錯体原料１１０を入れ、１５０℃に加熱した。
このように加熱することによって気化したニッケルアセ
チルアセトナートの蒸気（ガス）を、１０ｍｌ／ｍｉｎ
の流速のキャリアガス（窒素）を用いて、バルブ１１６
を開いて原料ガス吹出ノズル１１２を介して、真空チャ
ンバー１０２内に流し入れた。また、反応ガスとして酸
素ガスを１２ｍｌ／ｍｉｎで流し、酸素ガス吹出ノズル
１１３を介して、真空チャンバー１０２内に流し入れ
た。この際に、バルブ１１７は閉じられており、第２の
有機金属錯体原料１１１は、真空チャンバー１０２内に
流入しないように成っている。真空チャンバー１０２内
は、その排気口１１４から真空排気されることで、８．
０Ｐａの真空度を保持した。

【００３４】以上の様な状態において、ＲＦ側電極１０
４に１３．５６ＭＨｚで４００Ｗの高周波を１０分間印
加することによって、アース側電極１０３との間にプラ
ズマを発生させ、基板１０６の外側表面に（１００）配
向のＮｉＯ薄膜（膜厚０．４０μｍ）を形成した。この
成膜中、基板１０６をアース側電極１０３ごと、基板回
転モータ１１５によって１２０ｒｐｍの速度で回転させ
た。

【００３５】以上のようにして、（１００）配向のＮｉ
Ｏ薄膜からなる第１の結晶配向制御層３を作製した。

【００３６】第２の結晶配向制御層３と圧電体層４は以
下のようにして作製した。すなわち、まず、（１００）
面が表面となっているＮｉＯ薄膜の第１結晶配向制御層
２が形成されたシリコン基板１を、２つの同じ構造の成
膜室を持ち、薄膜形成すべき基板を真空を破らずに移動
できるＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、ひとつの
成膜室には化学量論比のチタン酸ランタン鉛（モル比で
Ｐｂ：Ｌａ：Ｔｉ＝０．９２：０．０８：１．００）に
約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合したのターゲッ
ト（組成モル比Ｐｂ：Ｌａ：Ｔｉ＝１．１２：０．０
８：１．００）を取り付け、もう一方の成膜室にはチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_0.53Ｔｉ_0.47Ｏ₃）に酸化
鉛（ＰｂＯ）をモル比で５モル％ＰｂＯを過剰に加えて
調合したターゲットを取り付けて膜形成した。まず、は
じめに、チタン酸ランタン鉛のターゲットを取り付けた
成膜室の中で、第１の結晶配向制御層２まで形成したシ
リコン基板を予め５６０℃の温度に加熱保持し、第１の
結晶配向制御層２上に、ｃ軸（〈００１〉軸）が表面に
対して垂直方向に成長したペロブスカイト型結晶構造で
過剰の鉛を含有するチタン酸ランタン鉛からなる膜厚0.
0１８μｍの薄膜を形成した。この薄膜をターゲットと
比較しながら、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）装置で組成分
析の結果、この薄膜の組成は、ターゲット組成と同組成
のモル比Ｐｂ：Ｌａ：Ｔｉ＝１．１２：０．０８：１．
００であった。この場合、アルゴンと酸素の混合ガス
（ガス体積比Ａｒ：Ｏ₂＝19：1）をスパッタリングガス
として用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持
し、３００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタ
リングを行った。

【００３７】次いで、第２の結晶配向制御層３を形成し
たシリコン基板を、真空を破らずに、チタン酸ジルコン
酸鉛のターゲットを取り付けた成膜室に搬送し、その中
で基板温度６００℃まで加熱して、前記極薄の薄膜の上
に膜厚２．５０μｍのＰｂ_{1. 00}（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ
_3.5で表記できる圧電体層５を形成した。この場合、ア
ルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ₂＝19：
1）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガ
ス圧力を０．３Ｐａに保持し、６００Ｗの高周波電力を
印加して２時間スパッタリングを行った。

【００３８】Ｘ線回折法によって解析した結果、圧電体
層５は、ペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、
（００１）の結晶配向率が９８％に優先配向した薄膜
（＜００１＞軸が表面に垂直な方向を向いた構造の薄
膜）であることが分かった。ここで、結晶配向率は、Ｐ
ＺＴ薄膜のＸ線回折パターンの（００１）、（１０
０）、（０１０）、（１１０）、（０１１）、（１０
１）、（１１１）のピーク強度の合計に対する（００
１）ピークの強度の割合の百分率である。

【００３９】また、Ｘ線マイクロアナライザーによる組
成分析の結果、圧電薄膜２の陽イオンの組成比はＰｂ：
Ｚｒ：Ｔｉ＝１．００：０．５３：０．４７であり、Ｐ
ｂ（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃で表記できる化学組成にな
っていることが分かった。

【００４０】上記のようにして作製した圧電素子２０の
第１の電極層２と第２の電極層６との間にリード線９、
１０を介して０Ｖからー３０Ｖの三角波電圧を印加し、
圧電素子２０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を測
定した。図４に、周波数２００Ｈｚの電圧を印加した場
合の圧電素子２０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量
を示す。 図４に示すように、０Ｖからー３０Ｖの電圧
を印加した場合、この試料１の圧電素子２０の先端は最
大１０．５μｍ変位していた。

【００４１】別の圧電素子として、密着層１２として、
スパッタ法で厚さ０．０１５μｍのチタン薄膜を形成
し、第１の結晶配向制御層３として、スパッタ法による
（００１）配向のＮｉＯ薄膜（膜厚０．９２μｍ）を作
製し、その他の各層は材料と膜厚が試料１と同形状の圧
電素子２０である試料２を作製した。ここで、（００
１）配向のＮｉＯ薄膜は以下のようにして作製した。Ｎ
ｉＯの粉体をプレスして固めたスパッタターゲットを用
いて、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を使って、アルゴ
ンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ₂＝１９．
８：０．２）をスパッタリングガスとして用い、そのト
ータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、１００Ｗの高周
波電力を印加して２４０分間スパッタリングを行い、
シリコン基板１上に設けた第１の電極層２（白金薄膜
（Ｐｔ））の上に、膜厚０．９２μｍの（００１）配向
のＮｉＯ薄膜を得た。

【００４２】この試料２の圧電体層のＰＺＴ薄膜の（０
０１）配向率は９７％であった。また、試料１と同じ評
価をおこなった結果、０Ｖからー１０Ｖの三角波電圧の
印加に対して、試料２の圧電素子の先端のｚ軸方向の上
下運動の変位量は最大で９．９μｍであった。

【００４３】別の圧電素子として、密着層１２として、
スパッタ法で厚さ０．０１０μｍのタンタル薄膜を形成
し、第１の結晶配向制御層３として、膜厚０．３０μｍ
の（１００）配向のＣｏＯ薄膜を用い、その表面に第２
の結晶配向制御層として、上記と同様にして（００１）
配向のチタン酸ランタン鉛薄膜（膜厚０．０１５μｍ）
を形成し、その他は上記の試料１と同じ材料構成で圧電
素子を作製した。これを試料３とした。（１００）配向
のＣｏＯ薄膜は以下の様にして作製した。前述した図３
のプラズマＭＯＣＶＤ成膜装置１０１を用いて、有機金
属錯体原料１１０として、Ｎｉアセチルアセトナートの
代わりに、Ｃｏアセチルアセトナートを用いて、（１０
０）配向のＮｉＯ薄膜の場合と同様にして、１０分間成
膜して、膜厚０．３μｍの（１００）配向のＣｏＯ薄膜
を作製した。

【００４４】この試料３の圧電体層のＰＺＴ薄膜の（０
０１）配向率は９８％であった。試料１と同じ評価をお
こなった結果、試料３の圧電素子の先端のｚ軸方向の上
下運動の変位量は最大１０．２μｍであった。

【００４５】別の圧電素子として、密着層１２として、
スパッタ法により厚さ０．００８μｍのタングステン薄
膜を形成し、第１の結晶配向制御層として、（００１）
配向のスピネル型結晶構造の鉄・亜鉛酸化物薄膜を用い
た試料を作製した。

【００４６】前述のプラズマＭＯＣＶＤ成膜装置１０１
の加熱機構付き原料気化容器１０８に鉄アセチルアセト
ナートを、別の加熱機構付き原料気化容器１０９にＺｎ
アセチルアセトナートを入れて、減圧にして、それぞれ
１５０℃、１２５℃に加熱して、それぞれをガス化し
て、それぞれにキャリアガスとして窒素ガス（ともに流
量１０ｍｌ／ｍｉｎ）を用いて、バルブ１１６、１１７
を開いて混合し、、原料ガス吹出ノズル１１２を介して
真空チャンバー１０２に導入し、同時に酸素ガス吹出ノ
ズル１１３を介して酸素ガス（流量１５ｍｌ／ｍｉｎ）
を同じ真空チャンバー１０２に導入した。第１の電極層
２を設けたシリコン基板１を基板１０６として、あらか
じめ４００℃に加熱し、ＲＦ電力４００Ｗ印加してプラ
ズマＣＶＤを行って、第１の結晶配向制御層３として、
Ｚｎ_0.8Ｆｅ_2.2Ｏ₄なる組成で、膜厚０．４０μｍの
（１００）配向のスピネル型結晶構造酸化物薄膜を作製
した。なお、成膜時の真空チャンバーの真空度は９Ｐａ
であり、成膜時間は８分間であった。

【００４７】上記の第１の結晶配向制御層３の上に、第
２の結晶配向制御層４として、（００１）配向のＭｇ添
加のチタン酸ランタン鉛の薄膜（膜厚０．０１２μｍ）
を形成した。試料１の作製に用いたスパッタ装置で、タ
ーゲットとして、化学量論組成のＭｇ添加チタン酸ラン
タン鉛（Ｐｂ：Ｌａ：Ｍｇ：Ｔｉ＝０．８２：０．０
６：０．１２：１．００）と約１０モル％過剰のＰｂＯ
からなるターゲット（組成モル比Ｐｂ：Ｍｇ：Ｌａ：Ｔ
ｉ＝０．９２：０．０６：０．１２：１：００）を用
い、成膜条件として、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス
体積比Ａｒ：Ｏ₂＝19：1）をスパッタリングガスとして
用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、２
４０Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリング
を行った。この薄膜を試料１と同様にして組成分析し
て、この薄膜の組成はターゲットろ同じ組成のモル比Ｐ
ｂ：Ｍｇ：Ｌａ：Ｔｉ＝０．９２：０．０６：０．１
２：１：００であった。

【００４８】その他の各層は材料と膜厚が試料１と同様
にして、圧電素子を作製した。これを試料４とした。

【００４９】この試料３の圧電体層のＰＺＴ薄膜の（０
０１）配向率は９７％であった。試料１と同じ評価をお
こなった結果、試料４の圧電素子の先端のｚ軸方向の上
下運動の変位量は最大で９．９μｍであった。

【００５０】以上のように作られる圧電素子の各試料を
１０個ずつ準備して、図４に示す三角波（２００Ｈｚ）
の電圧を印加して２００時間（約９日）連続駆動試験を
行い、振動の劣化状態を調べた。上記の試料とも、２０
０時間後も安定して上下駆動しており、劣化は見られな
かった。

【００５１】ここで、前記の図３のプラスマＭＯＣＶＤ
成膜装置１０１を用いるプラスマＭＯＣＶＤ法におい
て、ガス化する有機金属錯体の原料として、Ｍｇアセチ
ルアセトナートを用いると（１００）配向のＭｇＯ薄膜
が得られ、Ｍｎアセチルアセトナートを用いると（１０
０）配向のＭｎＯ薄膜が得られ、チタンイソプロポキシ
ドを用いると（１００）配向のＴｉＯ薄膜が得られ、Ｖ
アセチルアセトナートを用いると（１００）配向のＶＯ
薄膜が得られ、このようにそれぞれ岩塩型結晶構造で
（１００）配向の酸化物の薄膜が得られた。また、Ｆｅ
アセチルアセトナートを用いると（１００）配向のスピ
ネル型結晶構造のＦｅ₃Ｏ₄薄膜が得られ、Ｆｅアセチル
アセトナートとＭｎアセチルアセトナートを用いると
（１００）配向のＭｎＦｅ₂Ｏ₄薄膜などのＭｎを含むス
ピネル型の酸化鉄薄膜が得られた。同様にＦｅアセチル
アセトナートに、ＣｏアセチルアセトナートあるいはＮ
ｉアセチルアセトナートを用いると、それぞれＣｏ、Ｎ
ｉを含むスピネル型の（１００）配向の酸化鉄薄膜が得
られた。。これらはすべて、第１の結晶配向制御層３と
して使用できた。

【００５２】なお、（１００）配向の酸化物薄膜を得る
ために、プラズマＭＯＣＶＤ法に使うガス化原料は、上
記の種類の有機金属錯化合物に限らず、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍ
ｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ａｌなどの金属元素
からなる有機金属錯化合物で数ｐａの真空中で蒸気圧さ
えあれば、その分子構造に関わらず使用できる。これら
はすべて、第１の結晶配向制御層３として使用できる。

【００５３】また、スパッタ法によっても、プラズマＭ
ＯＣＶＤの場合に比べ、成膜条件範囲は狭く、成膜速度
が遅いが、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、
Ａｌなどの金属元素を含む酸化物のターゲットを用いる
と、（１００）配向のＮｉＯ薄膜と同様に（１００）配
向の酸化物薄膜が得られる。これらはすべて、第１の結
晶配向制御層３として使用できる。

【００５４】試料１の作製に用いたスパッタ装置で、タ
ーゲットとして、Ｍｎ添加のチタン酸ランタン鉛のター
ゲットを用い、試料１の（００１）配向のチタン酸ラン
タン鉛薄膜を作製する条件と同様な条件でスパッタ法で
成膜すると、（００１）配向のＭｎ添加のチタン酸ラン
タン鉛薄膜が得られた。この薄膜は、試料１の（００
１）配向のチタン酸ランタン鉛薄膜と同様に、第２の結
晶配向制御膜４として使用できることが試料作製の結果
からわかった。

【００５５】なお、基板として、シリコン基板のかわり
に、７００℃でも変形しない硼珪酸ガラスからなる基板
を用いて、上述と同じ方法で試料１と同形状の圧電素子
が作れて、基板材料の違いが原因で、電圧印加の際の変
位量が異なるが、同じように安定した特性を示すことが
わかった。以上の結果を下記（表１）にまとめて示し
た。

【００５６】

【表１】

【００５７】なお、圧電体層５としては、表１は一定組
成のＰＺＴ薄膜の結果を示したが、Ｔｉ／Ｚｒモル比が
異なる組成のＰＺＴ膜でも同様の結果がえられた。さら
に、圧電体層５としては、Ｌａを含むＰＺＴ膜（すなわ
ち、ＰＬＺＴ膜）でも、ＮｂやＭｇなどのイオンを含む
ＰＺＴ膜でもよくてペロブスカイト結晶構造の酸化物薄
膜であれば、すべて、（表１）と同じように（００１）
配向膜が得られる。

【００５８】次に、比較のために、比較例として、以下
の４つの圧電体素子の試料を作製した。

【００５９】第１の従来型の比較例試料は、作製工程の
一部分を特開2001-88294号公報に従い以下の様にして圧
電薄膜をスパッタ法で作製した。まず、スパッタ装置を
用いて、試料１で用いたものと同様のシリコン基板を、
１１００℃の電気炉に入れ、乾燥酸素を流して２２時間
酸化処理し、表面層に約１μｍの酸化珪素膜を形成し
た。その基板の表面に、ジルコニウムをターゲットにし
て、酸素を導入しながら反応スパッタ法で膜厚０．４μ
ｍの酸化ジルコニウムの薄膜を形成し（スパッタ条件：
スパッタ電力２００Ｗ、真空度０．３Ｐａ）、その表面
に、イリジウムをターゲットとするスパッタ装置を用い
て、膜厚１．０μｍのイリジウム薄膜の第１の電極層を
形成し、さらにその表面に、前記の試料１と同じステン
レスマスクを用いて、チタンをターゲットとするＤＣマ
グネトロンスパッタ装置を使って、膜厚０．０６μｍの
チタン薄膜を形成した。さらに、そのチタン膜の表面
に、試料１と同様の方法で、試料１と同じ組成のＰＺＴ
膜を形成し、さらに、試料１と同様の膜厚０．２５μｍ
の白金薄膜からなる第２の電極層を形成し、試料１と同
様に加工して、圧電素子を作製した。この素子上の圧電
体層のＰＺＴ膜はＸ線回折から（００１）配向率は２３
％であった。この素子に対して試料１と同様の三角波電
圧を印加して測定した印加電圧と変位量の測定結果を図
５に示した。素子先端のｚ軸方向の上下運動の変位量は
最大で７．９μｍと小さい値であった。

【００６０】各試料に対して行った試験と同様の２００
時間の駆動試験の結果、劣化した素子はなかった。この
結果を（表１）の中で、試料１５として示した。

【００６１】このような構成の圧電素子は、圧電体層の
作製にスパッタ法を用いると、特開2001-88294号公報に
記載されているように、圧電薄膜の結晶配向性のコント
ロールが困難で、（００１）配向性の高いＰＺＴ薄膜が
得られず、その結果、圧電素子の電圧印加による圧電変
位が高くないことがわかった。

【００６２】第２の比較例試料として、試料１におい
て、第１の結晶配向制御層３が無い構成の圧電素子を作
製した。圧電素子は、第１の結晶配向層３である（１０
０）配向ＮｉＯ薄膜が無いことのみが異なるだけで、そ
の他は試料１と全く同じようにして作製した。作製の際
の第２の結晶配向制御層であるチタン酸ランタン鉛薄膜
は、Ｘ線回折から、試料１のように（００１）配向の薄
膜にならず、（００１）以外に（１１１）や（１１０）
の強度の高い回折ピークを含むＸ線回折パターンを示し
た。

【００６３】この素子上の圧電体層のＰＺＴ膜はＸ線回
折から（００１）配向率は２０％であった。第２の結晶
配向制御層の（００１）の結晶配向性が悪かったため
に、その影響でその上のＰＺＴ薄膜も（００１）配向率
がわるいことがわかる。この素子に対して試料１と同様
の評価を行った結果、素子先端のｚ軸方向の上下運動の
変位量は最大で６．５μｍであった。第１の結晶配向層
が、圧電体層の（００１）配向性に大きな影響を及ぼし
ていることがわかる。実施例の各試料に対して行った試
験と同様の２００時間の駆動試験の結果、５０個中４６
個に大幅な振幅の劣化がみられた。劣化かみられた素子
を顕微鏡で観察すると、シリコン基板と第１の電極のは
がれがおこっていることが観察された。素子先端の上下
振動によって、密着性の弱いシリコン基板と第１の電極
層（白金膜）が、剥離したと考えられる。この結果を
（表１）の中で、試料１６として示した。

【００６４】第３の比較例試料として、試料１におい
て、第２の結晶配向制御層４が無い構成の圧電素子を作
製した。圧電素子は、第２の結晶配向層である（００
１）配向チタン酸ランタン鉛薄膜が無いことのみが異な
るだけで、その他は試料１と全く同じようにして作製し
た。この素子上の圧電体層のＰＺＴ膜はＸ線回折から
（００１）配向率は９７％で良好であった。この素子に
対して試料１と同じ評価を行った結果、素子先端のｚ軸
方向の上下運動の変位量は最大で８．４μｍであった。
第２の結晶配向層は、その上に形成するペロブスカイト
結晶構造酸化物薄膜の圧電体層の圧電特性を高く安定さ
せる効果があることがわかった。実施例の各試料に対し
て行った試験と同様の２００時間の駆動試験の結果、５
０個中４７個に大幅な振幅の劣化がみられた。劣化かみ
られた素子を顕微鏡で観察すると、前記の比較例の試料
１６と同様に、シリコン基板と第１の電極のはがれがお
こっていることが観察された。素子先端の上下振動によ
って、密着性の弱いシリコン基板と第１の電極層（白金
膜）が、剥離したと考えられる。この結果を（表１）の
中で、試料１７として示した。

【００６５】第４の比較例試料として、試料１におい
て、密着層のみが無い構成のの圧電素子を作製した。圧
電素子は、密着層のモリブデン薄膜が無いことのみが異
なるだけで、その他は試料１と全く同じようにして作製
した。この素子上の圧電体層のＰＺＴ膜はＸ線回折から
（００１）配向率は９８％で良好であった。この素子に
対して試料１と同じ評価を行った結果、素子先端のｚ軸
方向の上下運動の変位量は最大で１０．５μｍであっ
た。

【００６６】実施例の各試料に対して行った試験と同様
の２００時間の駆動試験の結果、５０個中４４個に大幅
な振幅の劣化がみられた。劣化かみられた素子を顕微鏡
で観察すると、前記の比較例の試料１６と同様に、シリ
コン基板と第１の電極のはがれがおこっていることが観
察された。素子先端の上下振動によって、密着性の弱い
シリコン基板と第１の電極層（白金膜）が剥離したと考
えられる。この結果を（表１）の中で、試料１８として
示した。

【００６７】ＰＺＴ膜の（００１）の結晶配向性は、第
１の結晶配向層、例えば（１００）配向ＮｉＯ薄膜が存
在すると（００１）配向性の高いＰＺＴ薄膜が得られ、
更に、第２の結晶配向層が存在すると、圧電体層の（０
０１）配向性が更に良くなると同時に圧電変位も向上さ
れることがわかった。チタン酸ランタン鉛などの第２の
結晶配向層は、スパッタ成膜においてＰＺＴ等の圧電薄
膜の膜成長を均質にして安定させる効果があることが知
られているが、その効果で（００１）配向のＰＺＴ薄膜
の微細構造が膜成長初期層から均質に制御されるため
に、高い圧電変位量を示す圧電素子が得られたと考えら
れる。従って、圧電素子の圧電変位量を高めるには、少
なくとも圧電体層を構成する圧電薄膜の（００１）配向
性を高めることが必要不可欠であり、さらに、その（０
０１）配向の圧電薄膜の微細構造の均質性があがると、
圧電素子の変位量が大幅に改善されることがわかる。

【００６８】しかしながら、圧電素子に大きな電圧を印
加して、大きな上下駆動を連続して行うと、基板と第１
の基板に大きなひずみが加わり、両者の密着性が悪い
と、そこから膜剥離がおこって、素子に劣化がおこるこ
とがわかる。

【００６９】（第２の実施の形態）次に、本発明の圧電
素子の積層膜構成を用いたインクジェットヘッドのイン
ク吐出素子について説明する。

【００７０】図５は本発明の第２の実施の形態における
インクジェットヘッドを示す概略構成図である。図５に
示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド２０
１は、１０個が列になって並んで配置された同形状のイ
ンク吐出素子２０２と、それぞれのインク吐出素子２０
２の電極と連結され、それらのインク吐出素子２０２を
駆動する駆動電源素子２０３とより構成されている。

【００７１】図６は本発明の第２の実施の形態における
インク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図である。
図６に示すインク吐出素子２０２において、Ａは圧力室
部品であって、この圧力室部品Ａには圧力室用開口部３
１が形成されている。Ｂは圧力室用開口部３１の上端開
口面（大きさ：短軸が２００μｍ、長軸が４００μｍの
楕円形状）を覆うように配置されたアクチュエータ部、
Ｃは圧力室用開口部３１の下端開口面を覆うように配置
されたインク液流路部品である。すなわち、圧力室部品
Ａの圧力室用開口部３１は、その上下に位置するアクチ
ュエータ部Ｂとインク液流路部品Ｃとにより区画され、
これにより圧力室３２（厚さ０．２ｍｍ）が形成されて
いる。尚、アクチュエータ部Ｂには、圧力室３２の上方
に位置して個別電極３３が配置されている。また、イン
ク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ、複数個
のインク吐出素子２０２の各圧力室３２間で共用される
共通液室３５と、この共通液室３５を圧力室３２に連通
する供給口３６と、圧力室３２内のインク液が流出する
インク流路３７とが形成されている。Ｄはノズル板であ
って、このノズル板Ｄにはインク流路３７に連通するノ
ズル孔３８（直径３０μｍ）が穿設されている。以上の
部品Ａ〜Ｄが接着剤によって接着されて、インク吐出素
子２０２が得られる。尚、図６において、駆動電源素子
２０３は、ボンディングワイヤーを介して複数のインク
吐出素子２０２の各個別電極３３に電圧を供給する。

【００７２】次に、アクチュエータ部Ｂの構成につい
て、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第２
の実施の形態におけるインク吐出素子のアクチュエータ
部を示す図６のVII−VII線断面図である。図７に示すよ
うに、アクチュエータ部Ｂは、上方に位置する厚さ０．
１０μｍの白金（Ｐｔ）薄膜からなる個別電極である第
１の電極層３３と、この電極層３３の直下に位置する
（００１）配向のＣｏＯ薄膜（膜厚０．３０μｍ）から
なる第１の結晶配向制御層４１と、この第１の結晶配向
制御層４１の直下に位置するチタン酸ランタン鉛薄膜
（膜厚０．０１８μｍ）からなる第２の結晶配向制御層
４２と、この第２の結晶配向制御層４２の直下に位置す
る厚さ３．０μｍのＰｂ（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）Ｏ₃で表
記できるＰＺＴ膜からなる圧電体層４３と、この圧電体
層４３の直下に位置す白金薄膜（膜厚０．１０μｍ）か
らなる第２の電極層４４と、上記の圧電体層４３の圧電
効果によって変位し振動するクロム（Ｃｒ）薄膜（膜厚
３．５μｍ）からなる振動体層４５とを有している。こ
れらの第２の電極層４４と振動体層４５は、各インク吐
出素子２０２のそれぞれの圧力室３２間で共用されてい
る。個別電極形状に加工された第１の電極膜の個別電極
３３から圧電体層４３までの積層膜の周囲には、第１の
電極膜からなる個別電極３３の高さまでと同じ膜厚のポ
リイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜４６によって覆わ
れており、個別電極３３からリード線形状の金薄膜（膜
厚０．１０μｍ）の引き出し電極膜４７が、この電気絶
縁有機膜４６の上部に形成されている。

【００７３】以下に上記で説明したアクチュエータ部Ｂ
の製法について述べる。

【００７４】図８はアクチュエータ部の製造方法を示し
たものである。縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚み０．３ｍ
ｍのシリコン基板５１を用いて、第１の実施の形態に記
述した試料３と同様にして、シリコン基板上に、密着層
５０１、第１の電極層５２、第１の結晶配向制御層５
３，第２の結晶配向制御層５４，圧電体層５５、第２の
電極層４４まで積層し、図８（ａ）に示す構造体５６を
得た。

【００７５】この構造体５６に、ＲＦスパッタ法で室温
でクロム（Ｃｒ）薄膜（厚さ３．５μｍ）からなる振動
体層４５を形成した（図８（ｂ））。

【００７６】次に、図８（ｃ）に示すように、振動板層
４５を形成した構造体５６を、接着剤（アクリル樹脂）
５７を用いてガラス製の圧力室部品５８に貼り合わせ
た。ここで、ガラス製の圧力室部品６２は振動板層４５
と対向配置されており、また、圧力室部品５８と振動板
層４５との間にも接着剤５７が介在した状態となってい
る。

【００７７】次いで、プラズマ反応エッチング装置を用
いて、シリコン基板５１とタンタル薄膜の密着層５０１
を、ＳＦ₆ガスとアルゴンの混合ガスを用いたドライエ
ッチングにより除去した（図８（ｄ））。

【００７８】その後、図８（ｅ）に示すように、第１の
電極層から圧電体層までの積層膜を、フォトレジスト樹
脂膜５９を用いて、楕円形状パターン（大きさ：短軸が
１８０μｍ、長軸が３８０μｍの楕円形状）に正確に非
エッチング部分をパターンニングした。次に、弱フッ酸
を用いて、エッチング処理を行うことで、フォトレジス
トパターンに加工して個別化された第１の電極層からな
る個別電極３３から圧電体層４３までの積層膜をもつア
クチュエータ構造体を得た（図８（ｆ））。その後、レ
ジスト剥離液で処理して、フォトレジスト樹脂膜６９を
除去した（図８（ｇ））。

【００７９】次に、図８（ｈ）のように、電気絶縁有機
膜４６を印刷法によって形成し、さらに個別電極化され
た第１の電極層からなる個別電極３３からＤＣスパッタ
法で金薄膜からなるリード線形状の引き出し電極膜４７
をこの電気絶縁有機膜４２の上部に形成した（図８
（ｉ））。このようにして、図８に示したアクチュエー
タ部Ｂを得た。

【００８０】なお、上記のアクチュエータ部を構成する
シリコン基板上の各積層膜は、第１の実施の形態でのべ
た材料であれば、どれを用いても、高特性のアクチュエ
ータ部が作製できる。

【００８１】以上の製法によって、膜厚などを正確に、
同形状の２５０個のインク吐出素子２０２を作製した。
圧電体層をはさむ２つの電極に、０Ｖ〜―１０Ｖのサイ
ン波形電圧（２００Ｈｚ）を印加した。膜の上下振動の
振幅のバラツキのσ％は１．５％であった。

【００８２】これらのインク吐出素子２０２を１０個用
いて、図６に示すインクジェットヘッド２０１を作製し
た。

【００８３】図６のように構成されたインクジェットヘ
ッド２０１においては、駆動電源素子２０３からボンデ
ィングワイヤーを介して複数のインク吐出素子２０２の
各個別電極３３に電圧が供給され、圧電薄膜４１の圧電
効果によって共通電極４４が変位し振動することによ
り、共通液室３５内のインク液が供給口３６、圧力室３
２、インク流路３７を経由してノズル孔３８から吐出さ
れる。この場合、インクジェットヘッド２０１は、イン
ク吐出素子のアクチュエータ部を構成する圧電体層が、
結晶配向性が膜面が（００１）面に揃っているおり、か
つ、圧電変位特性も大きな値で揃っていることから、大
きな圧電変位（変位量）を得ることが可能で、かつ、複
数のインク吐出素子の圧電変位特性のばらつきが小さ
い。圧電変位が大きいことからインク液の吐出能力が高
いので、さらに電源電圧の調整幅にマージンを大きくと
ることができ、複数個のインク吐出素子２０２間のイン
ク液の吐出のばらつきが小さくなるように、容易にコン
トロールすることができる。

【００８４】（第３の実施の形態）次に、本発明の圧電
素子の積層膜構成を用いたインクジェットヘッドのもう
一つ別の構成のインク吐出素子について説明する。この
構成のインク吐出素子は、第２の実施の形態の図６で示
すインク吐出素子において、シリコン基板を用いて作製
した積層膜の構造体におけるシリコン基板をエッチング
して圧力室を作ることによって、圧力室部品Ａとアクチ
ュエータ部Ｂが一体化された部品を提供することが第２
の実施の形態と異なる。

【００８５】上記の圧力室部品とアクチュエータ部が一
体化された部品は、インク液流路部品Ｃとノズル板Ｄと
を接着することで、図６と類似の形状のインク吐出素子
が作られる。

【００８６】図９に、圧力室が一体化したアクチュエー
タ部の断面構造図を示す。すなわち、圧力室形状に加工
されたシリコン基板７０の上に非晶質の酸化アルミニウ
ムから成る膜厚２．５０μｍの振動板層６５が設けら
れ、その上に膜厚０．０１５μｍのチタン薄膜からなる
密着層６０１が設けられ、その上に白金薄膜（膜厚０．
１０μｍ）からなる第１の電極層６１が設けられ、その
第１の電極層６１の上に（１００）配向ＮｉＯ薄膜（膜
厚０．４０μｍ）からなる第１の結晶配向制御層６２が
設けられ、その第１の結晶配向層６２の上に、チタン酸
ランタン鉛薄膜（膜厚０．０１５μｍ）からなる第２の
結晶配向制御層７１が設けられ、さらにその上にＰＺＴ
薄膜（膜厚２．５０μｍ）からなる圧電体層７２が設け
られ、その圧電体層の上に白金薄膜（膜厚０．１０μ
ｍ）からなる第２の電極層が設けられた構造になってい
る。ここで、第２の結晶配向制御層７１と圧電体層７２
と第２の電極層７３の積層体は、シリコン基板の圧力室
において、シリコンが取り除かれた空間の振動板層６５
を介した上部にのみ存在するように、個別化されてお
り、その周辺は、第２の実施例の図８（ｉ）と同様に、
ポリイミド樹脂膜７４で被覆されている。個別化された
第２の電極層には、金（膜厚０．１）の引き出し電極膜
７５が設けられている。

【００８７】図１０に、その製造方法を示す。厚さ０．
３ｍｍのシリコン基板６０の表面に、図３で示したプラ
ズマＭＯＣＶＤ成膜装置を用いて、基板温度４００℃、
有機金属錯体原料にＡｌアセチルアセトナートを用い
て、第１の実施の形態で示した試料１と同様の条件で、
プラスマＭＯＣＶＤ成膜して、非晶質の酸化アルミニウ
ム薄膜（膜厚２．５０μｍ）の振動板層６５を形成し
た。その上に、第１の実施の形態の試料２での密着層の
形成と同様な方法で、膜厚０．０１５μｍのチタン薄膜
の密着層６０１を作製し、さらにその上に、試料１の各
層と同様にして、（１１１）配向の白金薄膜（膜厚０．
１０μｍ）からなる第１の電極層６１を作製し、その上
に、（１００）配向のＮｉＯ薄膜（膜厚０．４０μｍ）
からなる第１の結晶配向制御層６２を作製し、その上
に、（００１）配向のチタン酸ランタン鉛薄膜からなる
第２の結晶配向制御層６３を作製し、その上に、ＰＺＴ
薄膜からなる圧電体層６４を作製し、（１１１）配向の
白金薄膜（真厚０．１０μｍ）からなる第１の電極層６
６を作製した（図１０（ａ））。

【００８８】次に、上記の各層からなる積層膜の形成面
と反対側のシリコン基板６０の表面に、圧力室開口部分
の面積（大きさ：短軸が２００μｍ、長軸が４００μｍ
の楕円形状）以外を覆うようにフォトレジスト樹脂膜６
７でパターン塗布した（図１０（ｂ））。さらに、ＳＦ
６ガスを用いて、プラズマ反応エッチング装置を使っ
て、ドライエッチングを行い、シリコン基板に圧力室開
口部分を形成した（図１０（ｃ））。続いて、上記のフ
ォトレジスト樹脂膜を除去し（図１０（ｄ））、圧力室
開口部分の形成面と反対側の第２の電極層６６の表面
（圧力室開口部の真上）に、楕円形状パターン（大き
さ：短軸が１８０μｍ、長軸が３８０μｍの楕円形状）
にフォトレジスト樹脂膜６８を形成した（図１０
（ｅ））。次に、アルゴンガスとＣＦ４ガスの混合ガス
を用いて、平行平板型プラズマ反応エッチング装置と使
い、ドライエッチングして、図１０（ｆ）に示すような
上記の楕円パターンの個別化された積層膜を作製した。

【００８９】このドライエッチングの際に、第１の結晶
配向層６２のＮｉＯ薄膜は、エッチング速度が遅く、他
の層と異なるにで、エッチングの終点としてわかりやす
かった。続いて、楕円形状のフォトレジスト樹脂膜６８
を取り除き、個別化された積層膜の周囲に印刷法でポリ
イミド樹脂の塗膜６９を作り、１８０℃で硬化させて、
ポリイミド膜を形成した（図１０（ｇ））。

【００９０】続いて、楕円形状に個別化された第２の電
極層からなる個別電極７３の一部分の重なるように、ス
パッタ法で金薄膜（膜厚０．１μｍ）からなる引き出し
電極７５を形成して、圧力室が一体化したアクチュエー
タ部を完成した（図１０（ｈ））。

【００９１】この圧力室が一体化したアクチュエータ部
に、前述の第２の実施の形態と同様にして、インク液流
路部品Ｃとノズル板Ｄを接着して、第２の実施の形態と
同形状のインク吐出素子を得た。

【００９２】このように作製した１５０個のインク吐出
素子を、前述の第２の実施の形態と同様にして評価し
た。その結果、このインク吐出素子は、前述の第２の実
施の形態のインク吐出素子と同様に、振動の振幅のσ％
が２．０％とバラツキが少ないことがわかった。

【００９３】なお、上記のアクチュエータ部を構成する
シリコン基板上の各積層膜は、第１の実施の形態でのべ
た材料であれば、どれを用いても、高特性のアクチュエ
ータ部が作製できる。このようにして作製されたインク
吐出素子は、第２の実施の形態で説明した本発明のイン
ク吐出素子と同様に、複数個を並べて構成するインクジ
ェットヘッドにおいて、バラツキの少ない高特性のヘッ
ドが提供できる。

【００９４】（第４の実施の形態）次に、本発明のイン
クジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置に
ついて説明する。図１１は本発明の第４の実施の形態に
おけるインクジェット式記録装置の全体を示す概略斜視
図である。図１１に示すように、本実施の形態のインク
ジェット式記録装置８１は、圧電薄膜の圧電効果を利用
して記録を行う本実施の形態のインクジェットヘッド２
０１を備えており、インクジェットヘッド２０１から吐
出したインク滴を紙等の記録媒体８２に着弾させること
により、記録媒体５２に記録を行うことができる。イン
クジェットヘッド２０１は、主走査方向（図１１のＸ方
向）に沿って配置されたキャリッジ軸８３に摺動可能に
取り付けられたキャリッジ８４に搭載されている。そし
て、キャリッジ５４がキャリッジ軸８３に沿って往復動
することにより、インクジェットヘッド２０１は主走査
方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装
置８１は、記録媒体８２をインクジェットヘッド２０１
の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副
走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（記録媒体移送
手段）８５を備えている。

【００９５】以上のように、複数個のインク吐出素子間
のインク液の吐出のばらつきを容易にコントロールする
ことのできる上記第２の実施の形態あるいは第３の実施
の形態のインクジェットヘッド２０１を用いてインクジ
ェット式記録装置を構成することにより、紙等の記録媒
体８２に対する記録のばらつきを小さくすることができ
るので、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現
することができる。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば、基板の上に密着層を設
け、その上に第1の電極層を設け、その上に第１の結晶
配向制御層を設け、その上に第２の結晶配向制御層を設
け、その第２の結晶配向制御層上に圧電体層を設け、そ
の圧電体層上に第2の電極層を設けた構成とすることに
よって、圧電薄膜材料を成膜後に熱処理による結晶化工
程なしに直接的に、例えばスパッタ法等で、結晶構造と
優先配向面を制御した結晶性の圧電体層が製造できるの
で、ゾルゲル法のように、クラックの発生や特性バラツ
キの原因となる圧電体層を成膜後に熱処理して結晶化す
る工程を無くすることができ、その結果、工業的に量産
しても圧電特性の再現性、ばらつき及び信頼性の良好な
圧電体素子とそれを有するインクジエツトヘツド用のイ
ンク吐出素子を提供することができる。

【００９７】さらに、吐出能のばらつきが少なく且つ高
い信頼性を有するインクジエツト式記録装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施の形態における圧電
素子を示す斜視図

【図２】図２は本発明の第１の実施の形態における圧電
素子の製造方法を示す工程図

【図３】図３は本発明の第１の実施の形態における圧電
素子の第１の結晶配向制御層の作製に用いたプラズマＭ
ＯＣＶＤ成膜装置の概略図

【図４】図４は本発明の第１の実施の形態における圧電
素子の特性図

【図５】図５は本発明の第２の実施の形態におけるイン
クジェットヘッドを示す概略構成図

【図６】図６は本発明の第２の実施の形態におけるイン
クジェットヘッドに用いられるインク吐出素子を示す一
部破断した分解斜視図

【図７】図７は本発明の第２の実施の形態におけるイン
クジェットヘッドに用いられるインク吐出素子のアクチ
ュエータ部を示す図７のVII−VII線断面図

【図８】図８は本発明の第２の実施の形態におけるイン
ク吐出素子のアクチュエータ部と圧力室部品の接合体の
製造方法を示す工程図

【図９】図９は本発明の第３の実施の形態におけるイン
ク吐出素子のアクチュエータ部と圧力室部品の接合体の
断面図

【図１０】図１０は本発明の第３の実施の形態における
インク吐出素子のアクチュエータ部と圧力室部品の接合
体の製造方法を示す工程図

【図１１】図１１は本発明の第３の実施の形態における
インクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装
置の全体を示す概略斜視図

【符号の説明】

１，５１，６０ シリコン基板 １２，５０１，６０１ 密着層 ２，５２，６１ 第１の電極層 ３，４１，５３，６２ 第１の結晶配向制御層 ４，４２，５４，６３，７１ 第２の結晶配向制御層 ５，４３，５５，６４，７２ 圧電体層 ６，４４，６６，７３ 第２の電極層 ７ ステンレス支持基板 ８ エポキシ系接着剤 ９，１０ リード線 ２０ 圧電素子 ２１ 構造体 ２２ 圧電素子構造体部品 ２０１ インクジエツトヘツド ２０２ インク吐出素子 ２０３ 駆動電源素子 ３１ 圧力室開口部 ３２ 圧力室 ３３ 個別電極 ３５ 共通液室 ３６ 供給口 ３７ インク流路 ３８ ノズル孔 Ａ 圧力室部品 Ｂ アクチュエータ部 Ｃ インク液流路部品 Ｄ ノズル板 ４５，６５ 振動板層 ４６，７４ 電気絶縁有機膜 ４７，７５ 引き出し電極膜 ５７ 接着剤 ５８ 圧力室部品 ５９，６７，６８ フォトレジスト樹脂膜 ８１ インクジエツト式記録装置 ８２ 記録媒体 ８３ キャリッジ軸 ８４ キャリッジ ８５ ロ−ラ １０１ プラズマＭＯＣＶＤ成膜装置 １０２ 真空チャンバー １０３ アース側電極 １０４ ＲＦ側電極 １０５ マグネット １０６ 基板 １０７ 基板加熱ヒータ １０８，１０９ 基板加熱付き原料気化容器 １１０ 第１の有機金属錯体原料 １１１ 第２の有機金属錯体原料 １１２ 原料ガス吹出ノズル １１３ 酸素ガス吹出ノズル １１４ 排気口 １１５ 基板回転ヒータ １１６，１１７ バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/18 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ (72)発明者 友澤 淳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 久保 晶子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF93 AG42 AG44 AG47 AP14 AP52 BA03 BA14

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に密着層を設け、その密着層上に
   第１の電極層を設け、その第1の電極層上に第１の結晶
   配向制御層を設け、その第１の結晶配向制御層上に第２
   の結晶配向制御層を設け、その第２の結晶配向制御層上
   に圧電体層を設け、その圧電体層上に第２の電極層を設
   けた圧電素子。
2. 【請求項２】 基板上に密着層を設け、その密着層上に
   第１の電極層を設け、その第１の電極層上に第１の結晶
   配向制御層を設け、その第１の結晶配向制御層上に第２
   の結晶配向制御層を設け、その第２の結晶配向制御層上
   に圧電体層を設け、その圧電体層上に第２の電極層を設
   けて圧電素子を形成し、その圧電素子の第２の電極層上
   に振動板層を設け、その振動板層の第２の電極層が形成
   されていない表面と圧力室を接合し、上記基板を除去し
   てなるアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部の変
   位によってインク液に圧力を加える圧力室部品と、前記
   圧力室部品にインク液を供給するインク液流路部品と、
   インク液を押し出すノズル板とが接着されたインク吐出
   素子。
3. 【請求項３】 基板の一方の面上に振動板層を設け、そ
   の振動板層上に密着層を設け、その密着層上に第１の電
   極層を設け、その第１の電極層上に第１の結晶配向制御
   層を設け、その第１の結晶配向制御層上に第２の結晶配
   向制御層を設け、その第２の結晶配向制御層上に圧電体
   層を設け、その圧電体層上に第２の電極層を設けて圧電
   素子を形成し、その圧電素子の基板の前記のそれぞれの
   層が形成されていない他方の面に隔壁で囲まれた圧力室
   を形成し、前記圧力室にインク液を供給するインク液流
   路部品と、インク液を押し出すノズル板とが接着された
   インク吐出素子。
4. 【請求項４】 請求項2又は請求項3に記載のインク吐出
   素子を複数個並べて配置したインクジェットヘッドと、
   前記のインクジェットヘッドを記録媒体の幅方向に移送
   するインクジェットヘッド移送手段と、前記インクヘッ
   ドの移送方向に対して略垂直方向に記録媒体を移送する
   記録媒体移送手段とを備えたことを特徴とするインクジ
   ェット式記録装置。
5. 【請求項５】 密着層がチタン、モリブデン、タングス
   テン、タンタルの群から選ばれた1種である請求項1に記
   載の圧電素子。
6. 【請求項６】 密着層がチタン、モリブデン、タングス
   テン、タンタルの群から選ばれた1種あることを特徴と
   する請求項2または請求項3に記載のインクジエツトヘツ
   ド用インク吐出素子。
7. 【請求項７】 圧電体層がスパッタ法で形成され、後熱
   処置による結晶化工程なしに作製される結晶性の圧電薄
   膜材料であり、かつ、（００１）に結晶配向した薄膜で
   あることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
8. 【請求項８】 圧電体層がスパッタ法で形成され、後熱
   処置による結晶化工程なしに作製される結晶性の圧電薄
   膜材料であり、かつ、（００１）に結晶配向した薄膜で
   あることを特徴とする請求項2または請求項3に記載のイ
   ンクジエツトヘツド用インク吐出素子。
9. 【請求項９】 第一の結晶配向制御層が酸化マグネシウ
   ム、酸化ニツケル、酸化コバルト、酸化チタン、酸化バ
   ナジウムからなる（１００）配向の岩塩型結晶構造をも
   つ酸化物の群から選ばれた1種以上である請求項1に記載
   の圧電素子。
10. 【請求項１０】 第一の結晶配向制御層が酸化マグネシ
    ウム、酸化ニツケル、酸化コバルト、酸化チタン、酸化
    バナジウムからなる（１００）配向の岩塩型結晶構造を
    もつ酸化物の群群から選ばれた1種以上である請求項2ま
    たは請求項3に記載のインクジエツトヘツド用インク吐
    出素子。
11. 【請求項１１】 第一の結晶配向制御層がA_xB_3-xO₄で示
    される（１００）配向のスピネル型酸化物の群から選ば
    れた1種以上である請求項1に記載の圧電素子であって、
    A及びBは鉄、コバルト、マンガン、ニツケル、亜鉛の群
    から選ばれた元素であり、xは0を超え3未満の値である
    圧電素子。
12. 【請求項１２】 第一の結晶配向制御層がA_xB_3-xO₄で示
    される（１００）配向のスピネル型酸化物の群から選ば
    れた1種以上である請求項2または請求項3に記載のイン
    クジエツトヘツド用インク吐出素子であって、A及びBは
    鉄、コバルト、マンガン、ニツケル、亜鉛の群から選ば
    れた元素であり、xは0を超え3未満の値であるインクジ
    エツトヘツド用インク吐出素子。
13. 【請求項１３】 第二の配向制御層がチタン酸ランタン
    鉛もしくはチタン酸ランタン鉛にマグネシウム又はマン
    ガンの群から選ばれた1種以上を添加した（００１）配
    向の鉛を含むペロブスカイト型酸化物である請求項1記
    載の圧電素子。
14. 【請求項1４】 第二の配向制御層がチタン酸ランタン
    鉛もしくはチタン酸ランタン鉛にマグネシウム又はマン
    ガンの群から選ばれた1種以上を添加した（００１）配
    向の鉛を含むペロブスカイト型酸化物である請求項2ま
    たは請求項3に記載のインクジエツトヘツド用インク吐
    出素子。