JP2006286911A - 圧電素子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】 電極の破壊及び塑性変形を防止して良好に変位させることができる圧電素子並びにこの圧電素子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。
【解決手段】 基板上に設けられた下電極と、下電極上に形成された強誘電材料からなる圧電体層と、圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ下電極又は上電極の少なくとも何れか一方が、主材料と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも一種の金属材料との合金からなるようにする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子に関し、さらに、この圧電素子を用いてノズル開口から液滴を吐出させる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亘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。

このような要望に対し、例えば、シリコン基板上にエピタキシャル成長したバッファ層と、バッファ層上にエピタキシャル成長した下部電極と、下部電極上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜（圧電体層）と、強誘電体薄膜上に形成された上部電極とで圧電素子を構成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このように強誘電体薄膜がエピタキシャル成長により形成された圧電素子では、圧電特性が向上するため、比較的小さな駆動電圧であっても比較的大きな変位量を得ることができる。

しかしながら、強誘電体薄膜に電圧を印加するための電極（下電極及び上電極）は、金属材料からなり弾性限界歪みは０．２％程度であるため、強誘電体膜の圧電特性が向上すると、電極はこの弾性限界を超えて変形して残留歪みが発生し、電圧を解除しても元の状態に戻らなくなってしまう、若しくは電極が破壊し電極としての機能を果たし得なくなってしまう。したがって、強誘電体薄膜の変位量を増加させることができたとしても、電極がその変形に耐えられず、圧電素子としては使用することができないという問題がある。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子だけでなく、他の液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子においても同様に生じる。

特開平１１−２３３８４４号公報（第４頁等）

本発明は、このような事情に鑑み、電極の破壊及び塑性変形を防止して良好に変位させることができる圧電素子並びにこの圧電素子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ための本発明の第１の態様は、基板上に設けられた下電極と、該下電極上に形成された強誘電材料からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記下電極又は前記上電極の少なくとも何れか一方が、主材料と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも一種の金属材料との合金からなることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第１の態様では、電極がフックの法則が成り立たない非線形弾性変形挙動を示し、２．５％を超える巨大弾性変形能を発揮する、いわゆる超弾性的性質を有するようになる。これにより、強誘電体材料からなる圧電体層の変位量を増加させることができたときに、電極がその変形により破壊あるいは塑性変形することなしに、繰り返し使用することができる圧電素子が得られる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記下電極及び前記圧電体層が（１００）面又は（１１１）面に優先配向していることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第２の態様では、圧電体層が下電極の配向に倣い（１００）面又は（１１１）面に優先配向することにより、より大きな変位を得ることができ、電極が圧電体層の変形により破壊あるいは塑性変形することなしに、繰り返し使用することができるという特徴をさらに活かした圧電素子が得られる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧電体層が、前記下電極上にエピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第３の態様では、圧電体層が下電極上にエピタキシャル成長により形成されたものであるため、より確実に大きな変位を得ることができ、電極が圧電体層の変形により破壊あるいは塑性変形することなしに、繰り返し使用することができるという特徴をさらに活かした圧電素子が得られる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記下電極の主材料が、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第４の態様では、下電極の主材料が、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）であることにより、下電極としてより最適な電気伝導率が得られるとともに、圧電体層の配向を規定する下電極の配向をより確実に制御できるという特徴を有し、より確実に大きな変位を得ることができ、電極が圧電体層の変形により破壊あるいは塑性変形することなしに、繰り返し使用することができるという特徴をさらに活かした圧電素子が得られる。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様の圧電素子と、一方面側に当該圧電素子が振動板を介して設けられると共に液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備す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、液滴を吐出させるノズルを超高密度に配列しても、圧電素子の駆動により各ノズルから液滴を低消費電力で継続的かつ良好に吐出させることができる。

本発明の第６の態様は、第５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６の態様では、低消費電力で信頼性及び耐久性に優れた液体噴射装置を実現することができる。

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（ａ）は、図１の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に記載のＡ−Ａ′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。なお、この弾性膜５０は、本実施形態では、シリコン単結晶板である流路形成基板１０を熱酸化することにより形成した酸化シリコンからなるアモルファス（非晶質）膜であり、流路形成基板１０の表面状態をそのまま維持した平滑な表面状態を有している。

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異方性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。また、その長手方向外側には、後述する保護基板３０のリザーバ部３２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インク供給路１４を介して連通されている。なお、このインク供給路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。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路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の上には、少なくとも後述する下電極膜６０の下側に、この下電極膜６０の結晶配向を制御するための配向制御層５５が形成されている。この配向制御層５５は、本実施形態では、例えば、ペロヴスカイト又は酸化金属等からなり、厚さが２〜１０ｎｍ程度の配向制御層５５が形成されている。このようなペロヴスカイトは、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やゾル−ゲル法によりその前駆体を塗布し、乾燥、焼成することにより形成することができ、アモルファス膜である弾性膜５０上に自由成長して（１００）配向の膜として形成される。また、酸化金属は、例えば、スパッタリング法等により形成される。

このような配向制御層５５は、（１００）配向の膜となり、下層の弾性膜５０の表面が平滑であれば、配向の揺らぎが著しく少なく、その上に形成される下電極膜の配向を有効に制御するものとなる。また、特に、表面（上面）側から自由成長するペロヴスカイトは、下層の弾性膜５０の表面平滑性の影響を受け難くなるので、その上に形成される下電極膜の配向を制御するものとして、特に好ましい。

なお、ペロヴスカイトとしては、例えば、ＫＮｂＯ_３、ＢａＳｎＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＣａＴｉＯ_３等を挙げることができるが、勿論、これに限定されるものではない。また、この中では、ＢａＴｉＯ_３は、表面（上面）側から自由成長するので、特に好ましい。また、酸化金属としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を挙げることができる。勿論、配向制御層５５の材料は、下電極膜６０が（１００）配向となるように制御できるものであれば、特に限定されない。

また、本実施形態では、配向制御層５５が、弾性膜５０上に直接形成されているが、アモルファスで表面状態を維持できるという条件を満たせば、弾性膜５０上に、例えば、酸化ジルコニウム等からなる他の層を設け、その上に配向制御層５５が形成されていてもよい。また、配向制御層５５が表面（上面）側から結晶して下層である弾性膜５０の表面平滑性の影響を大きく受けないものであれば、配向制御層５５の結晶配向に影響を与えないという条件で、弾性膜５０上に他の層が設けられていてもよい。

このような配向制御層５５の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。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、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。

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。このリード電極８５は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上にそれぞれ延設されて後述する駆動ＩＣと接続されている。

ここで、本発明に係る下電極膜６０及び上電極膜８０は、少なくとも何れか一方が、主材料と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも一種の金属材料との合金からなる。そして、このような合金からなる電極（下電極膜６０）は、フックの法則が成り立たない非線形弾性変形挙動を示し、２．５％を超える巨大弾性変形能を発揮する、いわゆる超弾性的性質を有する。

このような下電極膜６０の主材料は、特に限定されないが、例えば、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）であることが好ましい。また、下電極膜６０は、これらの金属材料からなる複数の層を積層したものであってもよい。なお、積層した場合には、後のプロセスにより、結果的に混合層となってもよい。例えば、本実施形態では、下電極膜６０は、主材料である白金（Ｐｔ）に、ニッケル（Ｎｉ）を２５ｍｏｌ％程度含有する合金で形成されている。また、下電極膜６０に含まれる上記金属材料の含有量は、特に限定されないが、１５〜３０ｍｏｌ％程度であることが好ましい。

そして、このような下電極膜６０は、（１００）配向の配向制御層５５により配向制御されて（１００）配向となっている。特に、配向制御層５５の格子定数が下電極膜６０のそれと近いと、下電極膜６０はエピタキシャル成長し、ほぼ完全に配向制御されて（１００）面に優先配向する。

また、圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）からなる単結晶強誘電体薄膜であり、下電極膜６０上にエピタキシャル成長によって形成されている。そして、このように結晶がエピタキシャル成長した圧電体層７０は、下地である下電極膜６０の拘束を受けて結晶化しているため、下電極膜６０と同様に（１００）配向となっている。

また、このような圧電体層７０内の少なくとも下電極膜６０との境界部分には、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が、圧電体層７０の他の領域よりも多いバッファ層７１が、０．５〜２０ｎｍ程度の厚さで存在している。例えば、本実施形態では、ジルコニウム（Ｚｒ）の含有量が他の領域よりも多いバッファ層７１が、約１０ｎｍ程度の厚さで存在している。なお、詳しくは後述するが、圧電体層７０は、下電極膜６０上に、アモルファス酸化物からなる酸化膜を介して形成され、その結果、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、このようなバッファ層７１が形成される。

そして、このようなバッファ層７１が存在する圧電体層７０は、下電極膜６０上に良好にエピタキシャル成長して形成されているため、圧電体層７０の結晶性が大幅に向上している。したがって、圧電体層７０の変位特性が大幅に向上し、例えば、圧電素子３００を、６００ｄｐｉ程度と高密度に配列した場合でも、圧電素子３００の駆動により振動板を良好に変形させることができる。さらに、圧電体層７０の結晶粒径をｎｍオーダーで制御でき、比較的結晶密度の高い圧電体層７０を良好に形成することができる。したがって、圧電体層７０の剥がれやクラックの発生を防止することができ、信頼性に優れた圧電素子３００が得られる。

ここで、このような圧電素子３００は、圧電体層７０の圧電特性が高く、電圧印加による変位量が向上しているため、圧電素子３００を構成する電極（下電極膜６０）の弾性限界が低いと、下電極膜６０の破壊する、あるいは塑性変形する等の問題が生じる虞がある。しかしながら、本発明に係る下電極膜６０は、上述したように２．５％を超える巨大弾性変形能を発揮する、いわゆる超弾性的性質を有するため、下電極膜６０の破壊、塑性変形等の問題を生じさせることなく圧電素子３００を長期に亘って良好に駆動させることができる。

なお、上電極膜８０は、本実施形態では、下電極膜６０とは異なり、例えば、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料で形成されている。上電極膜８０は、上述したように膜厚が０．０５μｍ程度と比較的薄く形成されており圧電素子３００の変形による歪みの影響が極めて小さいため、合金で形成されていなくても破壊等の問題が生じる虞はない。勿論、上電極膜８０を、下電極膜６０と同様に合金で形成するようにしてもよいことは言うまでもない。

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、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に形成されている。また、保護基板３０には、各圧力発生室１２に共通するリザーバ９０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されてリザーバ９０を構成している。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間には、この保護基板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、保護基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側の表面には、各圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ３４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、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からなる接続配線（図示なし）を介して駆動ＩＣ３４と接続されている。

保護基板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、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、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。

ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、上述したように、この二酸化シリコン膜５１は、アモルファス膜である。また、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。

次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に配向制御層５５を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、スパッタリング法により、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる（１００）配向の配向制御層５５を、５ｎｍ程度の厚さで形成した。次いで、図３（ｃ）に示すように、配向制御層５５上に下電極膜６０を形成する。例えば、本実施形態では、弾性膜５０及び配向制御層５５を有する流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、多元スパッタリング法によって主材料である白金（Ｐｔ）と、２５ｍｏｌ％のニッケル（Ｎｉ）からなる合金層６１を形成し、その後、この合金層６１を所定形状にパターニングすることによって下電極膜６０を形成した。このように形成された下電極膜６０は、上述したようにエピタキシャル成長により形成され、配向制御層５５によって配向制御されて（１００）配向となる。また、下電極膜６０は、主材料である白金（Ｐt）と２５ｍｏｌ％のニッケル（Ｎｉ）からなる合金により構成されているため、フックの法則が成り立たない非線形弾性変形挙動を示し、２．５％を超える巨大弾性変形能を発揮する、いわゆる超弾性的性質を有する。

次に、図３（ｄ）に示すように、この下電極膜６０上に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）のアモルファス酸化物からなる酸化膜６５を形成する。例えば、本実施形態では、スパッタリング法によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃程度の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる酸化膜６５を形成している。なお、この酸化膜６５の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚さであることが好ましく、本実施形態では、１０ｎｍ程度としている。

次いで、図４（ａ）に示すように、この酸化膜６５上に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）からなる圧電体層７０を形成する。本実施形態では、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、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。

ここで、酸化膜６５はアモルファス膜であるため、酸化膜６５が圧電体層７０の結晶成長に影響を及ぼすことはなく、圧電体層７０は酸化膜６５の下側の下電極膜６０の拘束を受けて結晶化する。実際には、圧電体層７０が結晶化する際に、酸化膜６５も同時に結晶化し、結果的に、エピタキシャル成長した圧電体層７０が下電極膜６０上に形成される。より具体的には、圧電体層７０が結晶化される際、酸化膜６５に圧電体層７０が拡散（混合）し、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）の含有量が他の領域よりも多いバッファ層７１が形成される。この結果、下電極膜６０上には、バッファ層７１を有する圧電体層７０が形成される。そして、このように形成された圧電体層７０の結晶は、下電極膜６０と同様に、面方位（１００）に配向する。

また、このように圧電体層７０を形成した後は、酸化膜６５が単独の層として存在していないようにする。すなわち、酸化膜６５が存在しなくなる条件で圧電体層７０を形成する。酸化膜６５は誘電率が低いため、残っていると圧電素子３００の変位量が低下してしまう虞があるからである。

そしてこのような方法で圧電体層７０を形成し、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在するようにすることで、圧電体層７０の結晶を下電極膜６０上に良好にエピタキシャル成長させることができる。したがって、下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在する圧電体層７０は、圧電特性が大幅に向上し且つ結晶性も大幅に向上する。また、このようなバッファ層７１が存在する圧電体層７０の結晶粒径は、製造条件等によってナノメートルオーダー、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で制御することができる。これにより、圧電体層７０の歪と下電極６０の歪の不整合から生じる応力を圧電体層７０の結晶粒界で緩和することができ、圧電体層７０の剥がれやクラックの発生等を防止することができる。例えば、圧電素子３００を、６００ｄｐｉ程度と超高密度に配列した場合でも、圧電体層７０の剥がれ等を生じさせることなく、且つ圧電素子３００の変位によって振動板を良好に変形させることができる。

さらに、下電極膜６０と圧電体層７０とは格子定数が異なるため、下電極膜６０上に圧電体層７０を直接形成した場合、ミスフィットにより圧電体層７０の結晶が良好に成長しない虞がある。しかしながら、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在することで、下電極膜６０と圧電体層７０とのミスフィットが緩和され、圧電体層７０の結晶が良好にエピタキシャル成長するという効果もある。

なお、本実施形態では、圧電体層７０をゾルーゲル法によって成膜するようにしたが、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等であってもよい。

また、このように圧電体層７０を形成した後は、図４（ｂ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。次いで、図５（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層８６を形成し、その後、この金属層８６を圧電素子３００毎にパターニングすることによりリード電極８５を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、例えば、厚さが４００μｍ程度のシリコンウェハからなり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接合する。次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。

なお、その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによってインクジェット式記録ヘッドとする。

（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、上述の実施形態では、圧電体層７０内の少なくとも下電極膜６０との境界部分に、バッファ層７１が存在するようにしたが、勿論、このバッファ層７１は存在していなくてもよい。

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７は、その液体噴射装置の一例を示す概略図である。

図７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。

実施形態１に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体噴射装置の概略図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、１２ 圧力発生室、１３ 連通部、１４ インク供給路、２０ ノズルプレート、２１ ノズル開口、３０ 保護基板、３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、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、 ７１ バッファ層、 ８０ 上電極膜、９０ リザーバ

Claims (6)

1. 基板上に設けられた下電極と、該下電極上に形成された強誘電材料からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記下電極又は前記上電極の少なくとも何れか一方が、主材料と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも一種の金属材料との合金からなることを特徴とする圧電素子。
2. 請求項１において、前記下電極及び前記圧電体層が（１００）面又は（１１１）面に優先配向していることを特徴とする圧電素子。
3. 請求項１又は２において、前記圧電体層が、前記下電極上にエピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする圧電素子。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記下電極の主材料が、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）であることを特徴とする圧電素子。
5. 請求項１〜４の何れかの圧電素子と、一方面側に当該圧電素子が振動板を介して設けられると共に液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項５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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