JP2006216685A - 単結晶強誘電体薄膜並びにこれを用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる単結晶強誘電体薄膜並びにこれを用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板１０の一面側に、結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層１０１と、酸化セリウム層１０２と、イットリウム−バリウム−銅−酸素系材料からなるＹＢＣＯ層１０３と、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）層６０とを順次積層した基板上に、エピタキシャル成長によるチタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム及びチタン酸ジルコン酸鉛から選択される何れか一種からなる結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜であって、該単結晶強誘電体薄膜がイオン注入による点欠陥を有することにより、巨大電歪効果を示す単結晶強誘電体薄膜７０とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、巨大電歪効果を有する単結晶強誘電体薄膜並びにこれを用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。

このようなインクジェット式記録ヘッドには、前述したように圧力発生室として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線等の発熱素子を設け、この発熱素子の発生するバブルによってノズル開口からインク滴を吐出させるものと、圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させてノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。

また、圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子を軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。

前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。

これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。

一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。

これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を高密度に作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。

ここで、圧電素子は、例えば、シリコン単結晶基板の一方面側に下電極、圧電体層及び上電極を順々に積層することによって形成されている。また、圧電体層は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる多結晶薄膜であり、各結晶間の界面、すなわち、粒界が数多く存在した柱状の結晶構造を有している。

そして、上述したインクジェット式記録ヘッドでは、例えば、圧電体層をサンドイッチ状に挟んだ下電極及び上電極に外部配線等から駆動電圧を印加し、圧電体層に所定の駆動電界を発生させて圧電素子及び振動板等をたわみ変形させることにより、圧力発生室の内部圧力が実質的に高められてノズル開口からインク滴が吐出するようになっている。

このような従来のインクジェット式記録ヘッドは、特に超高密度化を図ろうとした場合、圧電素子の変位量を所定値にすることができないという問題があり、小さな駆動電圧でも大きな変形を得ることができる圧電素子が要望されている。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに限って発生するものではなく、勿論、他の液体噴射ヘッドにおいても同様に発生する。

そこで、本出願人は、ＰＺＴを用いた圧電素子の圧電特性を略均一にして最大出力で液体吐出を行うことができるインクジェット記録ヘッド及びインクジェットプリンタを先に提案した（特許文献１）。

しかしながら、この技術は、従来のＰＺＴの圧電特性の改善であるため、劇的な変化を望めるものではない。

一方、巨大電歪効果を有するチタン酸バリウムからなる高性能圧電材料が報告されている（非特許文献１）。

しかしながら、この材料はこのままではインクジェット式記録ヘッドなどの圧電素子に応用できるものではない。

特開２００３−１１０１５８号公報 Xiaobing Ren, nature materials, Vol.3, February 2004, "Large electric-field-induced strain in ferroelectric crystals by point-defect-mediated reversible domain switching"

本発明は、このような事情に鑑み、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる単結晶強誘電体薄膜並びにこれを用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板の一方面側に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる結晶面方位が（１００）配向のＹＢＣＯ層と、該ＹＢＣＯ層上に形成された結晶面方位が（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）層とを具備する基板上に形成され、前記ＳＲＯ層上にエピタキシャル成長により形成されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）から選択される何れか一種からなる結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜であって、該単結晶強誘電体薄膜がイオン注入による点欠陥を有して巨大電歪効果を示すことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜にある。
かかる第１の態様では、結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜とし、これにイオン注入という比較的簡便な方法により、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を得ることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記点欠陥が、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜にある。
かかる第２の態様では、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を得ることができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記点欠陥が、Ａｒイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜にある。
かかる第３の態様では、Ａｒイオンをイオン注入することにより、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を得ることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記酸化ジルコニウム層の下には前記シリコン単結晶基板を熱酸化してなる酸化シリコン層を有することを特徴とする単結晶強誘電体薄膜にある。
かかる第４の態様では、結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板の一方面側に酸化シリコン層を介して結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層を有する基板上に巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を得ることができる。

本発明の第５の態様は、結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板からなり、該シリコン単結晶基板上の一方面側に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる結晶面方位が（１００）配向のＹＢＣＯ層と、該ＹＢＣＯ層上に形成された結晶面方位が（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）層と、該ＳＲＯ層上にエピタキシャル成長により形成されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）から選択される何れか一種からなる結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜であって、該単結晶強誘電体薄膜がイオン注入による点欠陥を有して巨大電歪効果を示す単結晶強誘電体薄膜と、該単結晶強誘電体薄膜上に形成された導電体層とを具備し、前記シリコン単結晶基板が、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板として機能すると共に、該流路形成基板上に、前記ＳＲＯ層からなる下電極と、前記単結晶強誘電体薄膜からなる圧電体層と、前記導電体層からなる上電極とを有する圧電素子が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜とし、これにイオン注入という比較的簡便な方法により得た、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを得ることができ、高密度化に容易に対応できる。

本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記点欠陥が、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより得た、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを得ることができる。

本発明の第７の態様は、第５又は６の態様において、前記点欠陥が、Ａｒイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第７の態様では、Ａｒイオンをイオン注入することにより得た、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを得ることができる。

本発明の第８の態様は、第５〜７の何れかの態様において、前記酸化ジルコニウム層の下には前記シリコン単結晶基板を熱酸化してなる酸化シリコン層を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第８の態様では、結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板の一方面側に酸化シリコン層を介して結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層を有する流路形成基板上に巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを得ることができる。

本発明の第９の態様は、第５〜８の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板にドライエッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第９の態様では、成膜及びリソグラフィ法により、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを得ることができる。

本発明の第１０の態様は、第５〜９の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第１０の態様では、巨大電歪を有する単結晶強誘電体薄膜を具備する液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置を提供することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ′断面図である。また、図３は、図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１００）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板をその一方面側からドライエッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。このような圧力発生室１２の長手方向は、後述する圧電体層の結晶面方位（１００）に含まれる（１００）方向と同一又は４５°の方向であることが好ましい。本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向を圧電体層の（１００）方向と同一方向とした。

また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する封止基板３０のリザーバ部３１と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれ液体供給路１４を介して連通されている。なお、このような液体供給路１４の幅は、本実施形態では、圧力発生室１２の幅よりも小さくなっている。

さらに、圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。

なお、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２の液体供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。

一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０上には、図３に示すように、酸化ジルコニウム層１０１と、酸化セリウム層１０２と、イットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）層１０３とが順々に積層形成され、これら３層の全体の厚さは、例えば、約１０ｎｍである。具体的には、酸化ジルコニウム層１０１＝５ｎｍ、酸化セリウム層１０２＝３ｎｍ、ＹＢＣＯ層１０３＝２ｎｍで構成され、各層を薄膜で形成しているため、各層の結晶の格子変形が大きくなり、上下間の層同士を格子整合させることができる。

酸化ジルコニウム層１０１は、フルオライト（ＣＦ_３）構造を有しており、弾性膜５０上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、弾性膜５０は、アモルファスの酸化シリコン層であるが、この上に形成された酸化ジルコニウム層１０１の結晶性は、流路形成基板１０と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。なお、酸化ジルコニウム層１０１を形成する材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やジルコニア（ＺｒＯ_２）等を挙げることができ、本実施形態では、ＹＳＺを用いた。

また、酸化セリウム層１０２は、酸化ジルコニウム層１０１と同様に、フルオライト（ＣＦ_３）構造を有しており、酸化ジルコニウム層１０１上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この酸化セリウム層１０２の結晶性も酸化ジルコニウム層１０１と同様に、下地である酸化ジルコニウム層１０１と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。酸化セリウム層１０２は、酸化ジルコニウム層１０１とＹＢＣＯ層１０３の両者との相性が良い物質であるので密着性の向上や結晶の円滑な転換が行われる。

さらに、ＹＢＣＯ層１０３は、ペロブスカイト構造に類似した結晶構造を有しており、酸化セリウム層１０２上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、このＹＢＣＯ層１０３の結晶性も酸化セリウム層１０２と同様に、下地である酸化セリウム層１０２と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。なお、ＹＢＣＯ層１０３を形成する材料としては、例えば、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化銅（II）（ＣｕＯ）からなる複合酸化物が挙げられる。

また、このような結晶面方位が（１００）配向したＹＢＣＯ層１０３上には、厚さが例えば、約１００ｎｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、０．２〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、５０〜１００ｎｍの上電極膜８０とが順々に積層形成され、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。そして、振動板は、本実施形態では、弾性膜５０、下電極膜６０、酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及びＹＢＣＯ層１０３から構成されている。

なお、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極８５がそれぞれ接続されている。そして、このようなリード電極８５は、後述する駆動ＩＣと電気的に接続されている。

ここで、圧電体層７０の下地である下電極膜６０は、本実施形態では、上述した酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及びＹＢＣＯ層１０３の３層と同様に、ＹＢＣＯ層１０３上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この下電極膜６０は、下地であるＹＢＣＯ層１０３と同じ配向性、すなわち、結晶面方位（１００）に配向している。なお、このような下電極膜６０は、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）からなる酸化物導電体（ＳＲＯ）であり、ペロブスカイト構造を有している。

また、このような下電極膜６０上に形成される圧電体層７０は、下電極膜６０上にエピタキシャル成長により形成された薄膜であり、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）から選択される何れか一種からなる単結晶強誘電体薄膜である。そして、圧電体層７０の結晶性は、下地である下電極膜６０と同じ配向性、すなわち、結晶面方位（１００）に配向している。

このような圧電体層７０の結晶面方位（１００）に含まれる（１００）方向は、上述した圧力発生室１２の長手方向と同一又は４５°の方向であることが好ましい。本実施形態では、圧電体層７０の（１００）方向を圧力発生室１２の長手方向と同一方向とした。これにより、圧電体層７０の圧電特性を高めることができる。

なお、このような圧電体層７０は、例えば、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、更に高温で焼成する、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成される。具体的には、下電極膜６０の結晶面方位と同じ配向で結晶が成長した圧電体層７０が形成される。勿論、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ法やＭＯＤ法等で形成してもよい。

また、本実施形態のように、圧電体層７０等を下地と同じ配向にエピタキシャル成長させるためには、例えば、その層を下地の結晶構造及び格子面間隔と類似するように所定の条件で形成することが好ましい。また、下地の表面との間に静電相互作用による反発力のない結晶構造となるように形成することが好ましい。なお、本実施形態では、上述したペロブスカイト構造とフルオライト構造とは構造的に類似しているので、圧電体層７０等の各層をエピタキシャル成長させることができる。

何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ上述したように、圧電体層７０は、結晶が菱面体晶に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。

上述したように、本実施形態では、弾性膜５０（流路形成基板１０）上に酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及びＹＢＣＯ層１０３を順々にエピタキシャル成長させて形成するようにしたので、下電極膜６０の結晶面方位を（１００）配向とすることができる。

また、本実施形態では、このように下電極膜６０の結晶面方位を（１００）配向にするようにしたので、圧電体層７０の結晶面方位を（１００）配向にすることができる。

ここで、圧電体層７０は、イオン注入による点欠陥を有している。すなわち、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンなどのVIIIＢ属から選択される少なくとも一種のイオン、又はＡｒイオンをイオン注入することにより形成された点欠陥を有する。

かかる圧電体層７０は、イオン注入による点欠陥を有するので、巨大電歪効果を示し、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる。

このように本発明では、結晶面方位を（１００）配向とした単結晶強誘電体薄膜としたので、イオン注入という比較的簡便な方法により点欠陥を比較的容易に形成することができ、これにより巨大電歪を有する圧電体層７０とすることができる。

イオン注入による点欠陥の形成方法は、特に限定されないが、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｒなどのVIIIＢ属の元素をイオン源でイオン化してイオンとし、これに荷電粒子加速器を用いてエネルギを与えて圧電体層７０の表面をスパッタリングして行う。これにより、注入効果により、イオンが圧電体層７０内に侵入し、内部の原子と衝突してエネルギを失って静止し、ドープされ、点欠陥を形成する。なお、Ａｒイオンのイオン注入ではイオン注入により空孔が形成されることにより点欠陥となり、Ａｒイオンは他の部分に含まれることになる。なお、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンなどのVIIIＢ属から選択される少なくとも一種のイオンと、Ａｒイオンとを併せてイオン注入してもよい。また、イオン注入されるイオン量は、点欠陥を形成して巨大電歪を得ることができる量であれば、特に限定されず、多すぎると結晶系が変化してしまうので、例えば、０．１％以下と微量な量を注入するのがよい。また、イオン注入は、荷電粒子加速器の駆動を制御することにより、圧電体層７０の全体に、すなわち、面方向及び厚さ方向に均一に注入するのが好ましい。

また、点欠陥を安定な位置に拡散させるためには、圧電体層７０に時効処理を施すのが好ましい。ここで、時効とは、圧電体層７０を一定温度に保持することをいう。

このように、本実施形態では、結晶面方位が（１００）配向したシリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０（弾性膜５０）上に、酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及びＹＢＣＯ層１０３を順々に積層し、さらに、ＹＢＣＯ層１０３上に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を積層するようにしたので、圧電体層７０の結晶面方位を（１００）配向とした単結晶構造の薄膜とすることができ、さらに、圧電体層７０はイオン注入による点欠陥を有しているので、従来と比較して小さな駆動電界を発生させることにより、圧電素子３００に大きな変位を行わせることができる。したがって、圧電素子３００の変位量を所定値にすることができ、圧電素子３００の圧電特性を優れたものにすることができる。また、実質的に最大出力での液体吐出量が大きくなり、逆に、高密度化を図っても必要な液体吐出量を得ることができる。

このような圧電素子３００が設けられた側の流路形成基板１０上には、図１〜図３に示すように、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した圧電素子保持部３２を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に形成されている。

また、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通の液体室となるリザーバ９０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１が設けられ、このリザーバ部３１は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通の液体室となるリザーバ９０を構成している。

さらに、封止基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間、すなわち液体供給路１４に対応する領域には、この封止基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３３が設けられている。また、封止基板３０の圧電素子保持部３２側とは反対側の表面には外部配線３４が設けられている。さらに、この外部配線３４上には、各圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ３５が実装されている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極８５は、この接続孔３３まで延設されており、例えば、ワイヤボンディング等により外部配線３４と接続される。

封止基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなる。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ９０に対向する領域には、厚さ方向に完全に除去された開口部４３が形成され、リザーバ９０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

なお、このような液体噴射ヘッドは、図示しない外部液体供給手段から液体を取り込み、リザーバ９０からノズル開口２１に至るまで内部を液体で満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線３４を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０，酸化ジルコニウム層１０１，酸化セリウム層１０２，ＹＢＣＯ層１０３，下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１から液滴が吐出する。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型の液体噴射ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の液体噴射ヘッドにも本発明を採用することができる。

また、このような本発明の液体噴射ヘッドは、液体カートリッジ等と連通する液体流路を具備する噴射ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置に搭載される。図４は、その液体噴射装置の一例を示す概略図である。

図４に示すように、液体噴射ヘッドを有する噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体として、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。

ここで、上述した実施形態においては、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。勿論、このような液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置も特に限定されるものではない。

本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの平面図及びＡ−Ａ′断面図である。 本発明の実施形態１に係る図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。 本発明の実施形態に係る液体噴射装置の概略斜視図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、１２ 圧力発生室、１３ 連通部、１４ 液体供給路、２０ ノズルプレート、２１ ノズル開口、３０ 封止基板、３１ リザーバ部、３２ 圧電素子保持部、３３ 接続孔、３４ 外部配線、４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、６０ 下電極膜、７０ 圧電体層、８０ 上電極膜、９０ リザーバ、１０１ 酸化ジルコニウム層、１０２ 酸化セリウム層、１０３ ＹＢＣＯ層

Claims (10)

1. 結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板の一方面側に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる結晶面方位が（１００）配向のＹＢＣＯ層と、該ＹＢＣＯ層上に形成された結晶面方位が（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）層とを具備する基板上に形成され、前記ＳＲＯ層上にエピタキシャル成長により形成されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）から選択される何れか一種からなる結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜であって、該単結晶強誘電体薄膜がイオン注入による点欠陥を有して巨大電歪効果を示すことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜。
2. 請求項１において、前記点欠陥が、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜。
3. 請求項１又は２において、前記点欠陥が、Ａｒイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする単結晶強誘電体薄膜。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記酸化ジルコニウム層の下には前記シリコン単結晶基板を熱酸化してなる酸化シリコン層を有することを特徴とする単結晶強誘電体薄膜。
5. 結晶面方位が（１００）配向のシリコン単結晶基板からなり、該シリコン単結晶基板上の一方面側に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された結晶面方位が（１００）配向の酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる結晶面方位が（１００）配向のＹＢＣＯ層と、該ＹＢＣＯ層上に形成された結晶面方位が（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）層と、該ＳＲＯ層上にエピタキシャル成長により形成されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）から選択される何れか一種からなる結晶面方位が（１００）配向の単結晶強誘電体薄膜であって、該単結晶強誘電体薄膜がイオン注入による点欠陥を有して巨大電歪効果を示す単結晶強誘電体薄膜と、該単結晶強誘電体薄膜上に形成された導電体層とを具備し、
   前記シリコン単結晶基板が、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板として機能すると共に、該流路形成基板上に、前記ＳＲＯ層からなる下電極と、前記単結晶強誘電体薄膜からなる圧電体層と、前記導電体層からなる上電極とを有する圧電素子が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項５において、前記点欠陥が、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンから選択される少なくとも一種のイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
7. 請求項５又は６において、前記点欠陥が、Ａｒイオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
8. 請求項５〜７の何れかにおいて、前記酸化ジルコニウム層の下には前記シリコン単結晶基板を熱酸化してなる酸化シリコン層を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
9. 請求項５〜８の何れかにおいて、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板にドライエッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
10. 請求項５〜９の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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