JP2008311290A - 圧電体素子、圧電体素子の製造方法、流体噴射ヘッド、流体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子特性を向上させた圧電体素子を提供すること。
【解決手段】基体上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０上に形成された第１の電極６０及び第２の電極８０を備えた圧電体素子１３０において、第１の電極６０及び第２の電極８０の少なくとも一方が、圧電体層７０の側端面に形成されていることを特徴とする圧電体素子１３０とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体素子、圧電体素子の製造方法、流体噴射ヘッド、及び流体噴射装置に関する。

従来の圧電体素子は、下部電極上に圧電体層を形成し、圧電体層上に上部電極を形成することで作製されていた。（例えば、特許文献１を参照）
特開２００４−６５９２号公報

ところが、良質な圧電体層を得るためには、形成された圧電体層を高温で加熱処理しなければならない。電極が形成された圧電体層に対してこのような加熱処理を行うと、下層側の下電極がダメージを受けて素子特性が劣化する。また、金属の下電極上に形成した圧電体層では、良好な結晶性が得られない。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、素子特性を向上させた圧電体素子とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を特徴とする圧電体素子、圧電体素子の製造方法、流体噴射ヘッド、流体噴射装置である。

基体上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第１の電極及び第２の電極を備えた圧電体素子において、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方が、前記圧電体層の側端面に形成されていることを特徴とする圧電体素子である。
このような構成を備えることで、前記電極に起因する制約を受けることなく、加熱処理を行うことができ、素子特性を向上させた圧電体素子とすることができる。

前記圧電体層の側端面は、前記基体の表面に対して傾斜した傾斜面であることが好ましい。
このような構成を備えることで、前記基体と反対側で前記電極間の距離が近くなり、電界が強くなるので、前記基体側での変位を大きくすることができる。

前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記圧電体層の前記側端面のうち対向する２つの前記側端面にそれぞれ形成されていることが好ましい。
このような構成を備えることで、前記圧電体層に対して均等な電場を与えることができるので、安定した素子特性を有する圧電体素子とすることができる。

前記圧電体層の前記基体と反対側の面に第３の電極が形成されており、前記第１の電極及び前記第２の電極には第１の信号が入力され、前記第３の電極には第２の信号が入力される構成としてもよい。
このような構成を備えることで、前記圧電体層の前記基体と反対側の部分において前記電極の間隔を狭くすることができ、この部分で強電界が前記圧電体層に印加される。これにより、前記基体側での変位量を大きくすることができる。

前記圧電体素子の前記基体と反対側の面に、第３の電極と、前記第３の電極と前記第２の電極との間に位置する第４の電極と、が設けられており、前記第１の電極及び前記第４の電極には第１の信号が入力され、前記第３の電極及び前記第２の電極には第２の信号が入力される構成としてもよい。
このような構成を備えることで、前記圧電体層の前記基体と反対側の部分において前記電極の間隔を狭くすることができ、この部分で強電界が前記圧電体層に印加される。これにより、前記基体側での変位量をより大きくすることができる。

前記第１の電極が前記圧電体層の前記側端面に形成され、前記第２の電極が前記圧電体層の前記基体と反対側の面に形成されている構成としてもよい。
このような構成を備えることで、前記圧電体層の前記基体と反対側の部分において前記電極の間隔を狭くすることができ、この部分で強電界が前記圧電体層に印加される。これにより、前記基体側での変位量を大きくすることができる。

前記圧電体層と前記基体との間に、酸化物からなる下地層が形成されていることが好ましい。
このような構造を備えることで、前記圧電体層と前記基体との間に設けられた前記下地層が、加熱処理時において前記基体成分が前記圧電体層に拡散するのを防ぐので、素子の劣化を防ぎつつ前記圧電体層とすることができる。

前記下地層は、ペロブスカイト構造を有する酸化膜からなることが好ましい。
このような構造を備えることで、前記下地層は前記圧電体層を構成する層と同一の結晶構造を持つので、配向性、結晶性に優れた前記圧電体層とすることができる。

基体上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第１の電極及び第２の電極を備えた圧電体素子を製造する方法であって、基体上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に第１及び第２の電極とを形成する工程とを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方を、前記圧電体層の側端面に形成することを特徴とする圧電体素子の製造方法である。
このような製造方法とすることで、前記圧電体層を形成した後に前記第１の電極及び前記第２の電極を形成することになるので、前記電極形成前に前記圧電体層を加熱処理することができる。よって、加熱処理時における前記電極のダメージを回避することができるので、素子特性を向上させた圧電体素子の製造方法とすることができる。

前記圧電体素子の側端面を前記基体の表面に対して傾斜した傾斜面にすることが好ましい。
このような製造方法とすることで、前記圧電体層の前記基体と反対側では、対向する前記側端面の間隔を狭く形成することになる。したがって、このような側端面に前記電極を形成すると、前記電極の間隔を狭くすることができるので、前記圧電体層の前記基体と反対側に強電界をかけることができる。これにより、前記基体側での変位量を大きくする製造方法とすることができる。

前記圧電体層を形成する工程の前に、前記基体上に酸化物からなる下地層を形成する工程を有し、前記下地層上に前記圧電体層を形成することが好ましい。
このような製造方法とすることで、前記圧電体層と前記基体との間に設けられた前記下地層が、加熱処理時において前記基体成分が前記圧電体層に拡散するのを防ぐので、素子の劣化を防ぐことができる。

前記下地層は、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなることが好ましい。
このような製造方法とすることで、前記下地層は前記圧電体層を構成する層と同一の結晶構造を持つことができるので、配向性、結晶性に優れた前記圧電体層を形成することができる。

本発明の圧電体素子を備えた流体噴射ヘッドである。
このような素子特性に優れた圧電体素子を備えることで、前記圧電体素子を駆動することで流体に対して均一な圧力を加えることができるので、均一な量の流体を吐出する流体噴射ヘッドとすることができる。

本発明の圧電体素子を備えた流体噴射ヘッドを有する流体噴射装置である。
このような素子特性に優れた圧電体素子を備えた流体噴射ヘッドを採用することで、均一な量の流体を吐出することができるので、安定した印字品質を持った流体噴射装置とすることができる。

（第１の実施形態）
以下、図面を用いて本発明にかかる圧電体素子、この圧電体素子を備えた流体噴射ヘッド、流体噴射装置、及び圧電体素子の製造方法について説明する。

なお、本実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異ならせている。

図１は、本発明の第１実施形態に係る流体噴射ヘッドの要部を分解して示す斜視図である。図２は、図１に対応する素子基板の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿う位置における流体噴射ヘッドの断面図である。
なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。水平面内における所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

本実施形態の流体噴射ヘッド１１０は、インク（流体）を液滴状にしてノズルから吐出するものである。
図１から図３に示すように、流体噴射ヘッド１１０は、液滴が吐出されるノズル開口１５を備えたノズル基板１６と、ノズル基板１６の上面（＋Ｚ側）に接続されてインク流路を形成する流路形成基板１０と、流路形成基板１０の上面に接続されて圧電体素子（駆動素子）１３０の駆動によって変位する振動板５０と、振動板５０の上面に接続されてリザーバ１００を形成する対向基板２０と、対向基板２０の上面（流路形成基板１０と反対側面）に接合されたコンプライアンス基板３０と、を備えている。

本実施形態の流体噴射ヘッド１１０では、図１及び図３に示すように、対向基板２０の圧電体素子１３０と反対側の面２０ａに、溝部４７を挟んで駆動ＩＣ１５０が２つ配置されている。また、対向基板２０上の駆動ＩＣが配置された面の一辺端に沿った位置２０ｂに、外部回路と駆動ＩＣ１５０とを電気的に接続する外部接続端子１２０が形成されている。流体噴射ヘッド１１０の動作は、外部接続端子１２０を介して駆動ＩＣ１５０に接続された図示略の制御装置によって制御される。

流路形成基板１０には、複数の平面視略櫛歯状の開口領域が区画形成されており、これらの開口領域のうち、Ｘ軸方向に延びて形成された部分が、ノズル基板１６と振動板５０とにより囲まれて圧力発生室１２を形成している。また、上記平面視略櫛歯状の開口領域のうち、図示Ｙ軸方向に延びて形成された部分が、対向基板２０と流路形成基板１０とにより囲まれてリザーバ１００を形成している。

流路形成基板１０の図示下面側（−Ｚ側）の開口領域を覆うようにノズル基板１６が流路形成基板１０の下面に、接着剤や熱溶着フィルムを介して接合されている。ノズル基板１６には、液滴を吐出する複数のノズル開口１５が設けられており、複数のノズル開口１５は図示Ｙ軸方向に配列されている。本実施形態の場合、Ｙ軸方向に配列された一群のノズル開口１５からなる２組のノズル開口群が、Ｘ軸方向に関して互いに対向するように配置されている。

図１に示すように、流路形成基板１０の内側には、その中央部からＸ軸方向に延びる複数の隔壁１１が形成されている。本実施形態の場合、流路形成基板１０はシリコンによって形成されており、複数の隔壁１１は、流路形成基板１０の母材である単結晶シリコン基板を異方性エッチングにより加工して形成されたものである。複数の隔壁１１を有する流路形成基板１０と、ノズル基板１６と、振動板５０とにより区画された複数の空間が圧力発生室１２である。

圧力発生室１２とノズル開口１５とは、各々対応して設けられている。すなわち、圧力発生室１２は、複数のノズル開口１５に対応するようにＹ軸方向に複数並んで設けられており、図示Ｙ軸方向に配列された一群の圧力発生室１２からなる２組の圧力発生室群がＸ軸方向に並んで配置されている。

複数の圧力発生室１２のＸ軸方向基板中央部側の端部は隔壁１０Ｋによって閉塞されている。一方、圧力発生室１２のＸ軸方向基板外縁部側の端部は互いに接続するように集合され、リザーバ１００と接続されている。リザーバ１００は、図２及び図３に示すインク導入口２５と、ノズル開口１５に連通する圧力発生室１２との間でインクを一時的に保持するものである。リザーバ１００は、対向基板２０にＹ軸方向に延びる平面視矩形状に形成されたリザーバ部２１と、流路形成基板１０にＹ軸方向に延びる平面視矩形状に形成された連通部１３とから構成されている。

リザーバ１００の連通部１３は、各々の圧力発生室１２と供給路１４を介して接続されており、一群の圧力発生室１２を構成する複数の圧力発生室１２の共通のインク室を形成している。図３に示すインクの経路をみると、ヘッド外端上面に開口するインク導入口２５から導入されたインクはリザーバ１００に流れ込み、さらに供給路１４を通じて複数の圧力発生室１２のそれぞれに供給されるようになっている。

流路形成基板１０と対向基板２０との間に配置された振動板５０は、流路形成基板１０側から順に第１の弾性膜５１と第２の弾性膜５２とを積層した構造を備えている。流路形成基板１０側に配される第１の弾性膜５１は、例えば酸化シリコン膜からなるものであり、第１の弾性膜５１上に形成される第２の弾性膜５２は、例えばジルコニア膜からなるものである。

圧電体素子１３０は、複数のノズル開口１５及び圧力発生室１２のそれぞれに対応するように複数設けられている。すなわち図２に示すように、Ｙ軸方向に複数並んで設けられた一群の圧力発生室１２に各々対応するようにして一群の圧電体素子１３０が形成されている。

図４は図３のＢ−Ｂ’断面図である。これらの図面を用いて圧電体素子１３０の構造とその周辺領域の配線構造について説明する。液滴吐出動作に際して振動板５０を変形させる圧電体素子１３０は、図４に示すように、振動板５０側から順に積層された下地層７１と、圧電体層７０と、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂに形成された第１の電極６０と、第２の電極８０とを有する。圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂは、上面７０ｃから下面７０ｄに向かい広がった傾斜を有する傾斜面である。第１の電極６０には、流路形成基板１０の中央部１０ａへと延びる第１のリード配線６１が接続されている。第２の電極８０には、流路形成基板１０の辺縁部１０ｂに形成された共通電源配線層８２へと延びる第２のリード配線８１が接続されている。共通電源配線層８２は、図２に示すように複数の圧電体素子１３０の共通の電源供給配線であり、圧電体素子１３０を取り囲むように引き回され、先端は流路形成基板１０の中心部１０ａまで延びている。

流路形成基板１０の中心部１０ａまで延在する第１のリード配線６１は、溝部４７に配置されたボンディングワイヤー１５１を介して駆動ＩＣ１５０と電気的に接続されている。また、共通電源配線層８２は、同じく溝部４７に配置されたボンディングワイヤー１５１を介して外部接続端子１２０と接続されている。

圧電体層７０の下地層７１は酸化物からなる層であり、結晶構造がペロブスカイト構造を有する酸化物を採用することが好ましい。例えば、ペロブスカイト構造を有する酸化物としては、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３；ＳＴＯ）を用いることができ、他の酸化物としてはジルコニア（ＺｒＯ_２）、イットリウム添加ジルコニア、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを挙げることができる。

圧電体層７０としては、結晶構造がペロブスカイト構造を有する材質を採用することができる。例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃；ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃），マグネシウム酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃）などを挙げることができる。

第１の電極６０及び第２の電極８０は、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂの略全面を覆って形成されている。第１の電極６０、第２の電極８０の材質としては、通常の電極に用いられる導電性材料であれば特に限定されるものではない。例えば、Ｐｔ、ＲｕＯ₂、Ｉｒ、ＩｒＯ₂等の単層膜、又はＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ｐｔ／ＴｉＮ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、ＲｕＯ₂／ＴｉＮ、ＩｒＯ₂／Ｉｒ、ＩｒＯ₂／ＴｉＮなどの２層以上の積層膜であってもよい。
また、第１の電極６０、第２の電極８０は、スパッタ法、蒸着法などの通常用いられる薄膜形成法により形成することができる。

図１及び図３に示すように、圧電体素子１３０を含む振動板５０上の領域を覆って、対向基板２０が設けられている。対向基板２０の圧電体素子１３０側には、流路形成基板１０と接合したときに圧電体素子１３０を収容する凹部２４が形成されている。凹部２４は、圧電体素子１３０の運動を阻害しない程度の空間を確保でき、その空間を密封できるように形成されている。また、凹部２４の外側に、Ｙ軸方向（圧電体素子１３０の配列方向）に沿って延びるリザーバ部２１が形成されている。

対向基板２０は、流路形成基板１０とともに流体噴射ヘッド１１０の基体を成す部材であるから剛体とすることが好ましく、対向基板２０を形成する材料として流路形成基板１０と略同一の熱膨張率を有する材料を用いることがより好ましい。本実施形態の場合、流路形成基板１０が単結晶シリコン基板からなるものであるから、それと同一材料の単結晶シリコン基板が好適である。単結晶シリコン基板を用いた場合、異方性エッチングにより容易に高精度の加工を施すことが可能であるため、凹部２４やリザーバ部２１を容易に形成できるという利点が得られる。その他、ガラス、セラミック材料等を用いて対向基板２０を作製することもできる。

対向基板２０の上面（流路形成基板１０と反対側面）には、封止膜３１と固定板３２とを積層した構造のコンプライアンス基板３０が接合されている。コンプライアンス基板３０において、内側（対向基板２０側）に配される封止膜３１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さ６μｍ程度のポリフェニレンスルフィドフィルム）からなり、封止膜３１によってリザーバ部２１（リザーバ１００）の上部が封止されている。他方、外側に配される固定板３２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さ３０μｍ程度のステンレス鋼）からなる板状部材である。

固定板３２には、リザーバ１００に対応する平面領域を切り欠いてなる開口部３３が形成されており、この構成によりリザーバ１００の上部は、可撓性を有する封止膜３１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部２２となっている。可撓部２２はリザーバ１００内を一定圧力に保持するために設けられたものである。つまり、圧電体素子１３０の駆動時のインクの流れや周囲の熱などによってリザーバ１００内に生じる圧力変化を、可撓性の封止膜３１のみよって封止された可撓部２２を撓み変形させて吸収するようになっている。可撓部２２以外の部分は固定板３２によって十分な強度に保持されている。

対向基板２０の溝部４７近傍の辺端部２０ｂには、外部接続端子１２０が形成されている。この外部接続端子１２０により、図示は省略の外部駆動装置と接続され、駆動ＩＣ１５０、共通電源配線層８２に信号を供給できるようになっている。

そして、リザーバ１００の外側のコンプライアンス基板３０上には、リザーバ１００に機能液を供給するためのインク導入口２５が形成されており、対向基板２０には、インク導入口２５とリザーバ１００の側壁とを連通する導入路２６が設けられている。

上述した構成を有する流体噴射ヘッド１１０により機能液の液滴を吐出するには、流体噴射ヘッド１１０に接続された外部コントローラ（図示略）によってインク導入口２５に接続された不図示のインク供給装置を駆動してリザーバ１００にインクを供給する。リザーバ１００に供給されたインクは、ノズル開口１５に至るまでの流体噴射ヘッド１１０の内部流路を満たす。
また、前記外部コントローラは、外部接続端子１２０を介して接続された駆動ＩＣ１５０に、駆動電力や指令信号を送信する。指令信号等を受信した駆動ＩＣ１５０は、外部コントローラからの指令に基づく駆動信号を、ボンディングワイヤー１５１を介して導電接続された各々の圧電体素子１３０に送信する。
すると、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１の電極６０と第２の電極８０との間に電圧が印加される結果、圧電体層７０の上面７０ｃ側で大きく縮むことで、下面７０ｄに大きな変位を生じさせることができ、振動板５０が振動する。この振動板５０の変位に対応する圧力発生室１２の容積変化により内部圧力が高まり、ノズル開口１５より液滴が吐出される。

以上の構成を備えた圧電体素子１３０を採用することで、以下の効果を得ることができる。
まず、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂを傾斜面にすることで、圧電体層７０の形成後に第１の電極６０、第２の電極８０を形成できるようになったので、圧電体層７０の製造工程で行われる加熱処理による圧電体層７０の成分の拡散を防ぐことができる。これにより、第１の電極６０、第２の電極８０の劣化を防ぎ素子特性に優れた圧電体素子１３０とすることができる。

また、側端面７０ａ、７０ｂを傾斜面にすることで、上面７０ｃ側に向かって側端面７０ａ、７０ｂの間隔を狭くできるので、下面７０ｄ側と比較して上面７０ｃ側に強電界を印加することができる。これにより、上面７０ｃ側において、圧電体層７０が大きく収縮するので、下面７０ｄにおける変位量を大きくすることができる。

上面７０ｃ、下面７０ｄに電極が形成された圧電体素子と比較して、弱い電界で圧電体層７０を駆動することができるので、圧電体層７０に対する機械的ストレスを低減でき、素子特性の劣化を抑えた圧電体素子とすることができる。
また、従来の圧電体素子において、スパッタ法などで上電極を形成するときに受ける圧電体層のダメージは、本発明に係る圧電体素子１３０の圧電体層７０でも発生するが、第１の電極６０、第２の電極８０の間隔が広くすることで、圧電体層７０に印加される電場が弱くなるので、このダメージが圧電体素子１３０の素子特性に与える影響を小さくすることができる。これにより、素子特性の劣化を抑えた圧電体素子１３０とすることができる。

圧電体層７０の下面７０ｄに電極が配置されないことで、圧電体層７０と同じペロブスカイト構造を有する金属酸化膜、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）などを、圧電体層７０の下地層７１として採用することができるので、配向性、結晶性に優れた圧電体層７０を作製することができる。また、このような圧電体層７０を採用することで、素子特性に優れた圧電体素子１３０とすることができる。
また、圧電体層７０の上面７０ｃ、下面７０ｄにＩＴＯなどの金属以外の材質で形成された電極を用いると、圧電体素子の積層構造が複雑になっていたが、側端面７０ａ、７０ｂに第１の電極６０、第２の電極８０を形成することで、積層構造を単純化させることができる。これにより、各層の界面で発生する応力を大幅に低減し、クラックの発生を抑えることができる。したがって、素子特性の劣化を抑えることができる。

従来の圧電体素子のように、圧電体層の下面に下電極を形成する場合には、積層構造が複雑化するだけでなく、圧電体層の成膜条件に多くの制限があった。ところが、本発明の圧電体素子１３０では下電極を形成する必要がないので、圧電体層７０の成膜条件に関する制限を減らすことができる。また、第１の電極６０、第２の電極８０として、圧電体層７０と相性のよい材質を採用することができるので、従来の圧電体素子で用いられていたＰｔ（白金）などの貴金属を用いる必要がないので、製造コストを大幅に低減できる圧電体素子１３０とすることができる。

（変形例）
図５は、本変形に係る流体噴射ヘッド１１０ａの部分平面図であり、図６は、図５のＣ−Ｃ’断面図である。これらの図面を用いて本変形例について説明する。

本変形例における流体噴射ヘッド１１０ａは、前述した流体噴射ヘッド１１０と比較すると、圧電体素子１３０ａとその周辺の配線構造が異なっている。図４の圧電体素子１３０の側端面７０ｂに配置されていた第２の電極８０は、第２の電極８０ａとして圧電体層７０の上面７０ｃの側端面７０ｂ側に配置されている。これに伴い、第２のリード配線８１ａは、第２の電極８０ａの先端を共通電源配線層８２まで延ばすようにして形成されている。

圧電体素子１３０ａがこのような配線構造を有することで、第１の電極６０、第２の電極８０ａの間隔を狭くできるので、圧電体層７０の上面７０ｃ側に強電界をかけることができる。これにより圧電体層７０の下面７０ｄにおける変位量を大きくすることができる。

［圧電体素子１３０の製造方法］
図７、図８は本実施形態の圧電体素子１３０の製造方法の一部を示す断面工程図である。以下の説明では、圧電体素子１３０の製造工程と、各圧電体素子１３０に対応する圧力発生室１２の製造工程について説明する。

始めは、振動板５０を形成する工程である。図７（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１０ｐ上に第１の弾性膜５１として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の薄膜を形成する。第１の弾性膜５１は、熱酸化法、ＣＶＤ法などの成膜法により、およそ１μｍ程度とする。
次に、図７（ｂ）に示すように、第１の弾性膜５１上に第２の弾性膜５２としてジルコニア（ＺｒＯ_２）を形成する。ジルコニア（ＺｒＯ_２）の成膜には、スパッタリング法などを用いる。

次は、下地層７１を形成する工程である。図７（ｃ）に示すように、第２の弾性層５２上に下地層７１を形成する。下地層７１は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３；ＳＴＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、イットリウム添加ジルコニア、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを採用することができるので、スパッタリング法、熱酸化法、ＣＶＤ法、などの成膜法を用いて形成することができる。

続いて、圧電体層７０を形成する工程である。図７（ｄ）に示すように、下地層７１上に圧電体層７０を形成する。まず、種チタン膜にチタン、ジルコニウム、鉛、亜鉛などの金属化合物を有するゾルを塗布した後、加熱して溶媒を蒸発させて圧電体層形成膜７０ｆを形成する。ゾルの塗布には、スピンコート法、スクリーン印刷法などを用い、ゾルの乾燥は、およそ１５０℃以上２００℃以下でおよそ１５分間行われる。乾燥させたゾルは、大気雰囲気で所定の脱脂温度にして脱脂する。次に、脱脂したゾルを焼成することで、圧電体層初期層７０ｇを形成する。焼成温度は、およそ５５０℃以上７５０℃以下である。このようにして形成される圧電体層初期層７０ｇの膜厚は、およそ１００ｎｍ程度である。
さらに、圧電体層初期層７０ｇ上に所定のゾルを塗布し、同様に乾燥、脱脂、焼成を行うことで圧電体層後期層７０ｈを形成する。この圧電体層後期層７０ｈの焼成温度は、７００℃以上９００℃以下である。
このような工程で圧電体層７０を形成すると、配向性、結晶性の高い圧電体層７０を形成することができる。

次は、圧電体層７０のエッチング工程である。図７（ｅ）に示すように、形成された圧電体層７０及び下地層７１にエッチング処理を施すことで、圧電体層７０及び下地層７１を所定の形状にパターニングして、各圧力発生室１２に対応した圧電体層７０を形成する。エッチング処理により、下地層７１及び圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂは斜面状に成形される。エッチング処理は、圧力発生室１２が形成される位置に図示は省略のマスクを配置し、ドライエッチング法、イオンミリング法などで行う。

引き続いて、第１の電極６０、第２の電極８０を形成する工程である。図８（ａ）に示すように、エッチングされることで分割された圧電体層７０の斜面状の側端面７０ａ、７０ｂに第１の電極６０、第２の電極８０を形成する。第１の電極６０、第２の電極８０は、スパッタリング法、蒸着法などの成膜法により導電膜を形成したあと、これをパターニングすることで形成される。これらの第１の電極６０、第２の電極８０は同一プロセスで行われるので、同時に形成される。

次に、圧力発生室の形成工程である。図８（ｂ）に示すように、ウエットエッチング法、ドライエッチング法などにより、単結晶シリコン基板１０ｐに対してエッチングを行うことで、圧力発生室１２を形成する。同時に、リザーバ部２１、連通部１３が形成されて流路形成基板１０となる。隣接する圧力発生室１２間に残された部分が隔壁１１となる。

最後に、ノズル基板１６の貼り合わせ工程である。図８（ｃ）に示すように、あらかじめ作製されたノズル基板１６を流路形成基板１０に貼り合わせる。ノズル基板１６には、各圧力発生室１２に合わせて、ノズル開口１５が形成されている。これにより、圧電体素子１３０の変位により加圧された圧力発生室１２では、ノズル開口１５から流体が吐出されるようになる。

このような製造工程により圧電体素子１３０を形成すると、以下の効果を得ることができる。圧電体層７０の形成には、圧電体層初期層７０ｇ、圧電体層後期層７０ｈを形成したあと６００℃〜８００℃で加熱処理を行う必要がある。圧電体層７０の下面７０ｄに電極を形成した状態で加熱処理を行うと、この電極がダメージを受けやすかった。ところが本発明の圧電体素子１３０では、加熱処理を行ったあとに第１の電極６０、第２の電極８０を形成するので、加熱処理による第１の電極６０、第２の電極８０へのダメージを防ぐことができる。これにより、素子特性を向上させた備えた圧電体素子１３０の製造方法とすることができる。

振動板５０と圧電体層７０との間に下地層７１を形成する工程を有することで、下地層７１に圧電体層７０と同じペロブスカイト構造を有する酸化物などを採用することができる。これにより、下面７０ｄに金属等の電極上に形成された圧電体層と比較して、配向性、結晶性の高い圧電体層７０を形成できる製造方法とすることができる。

従来の圧電体素子の製造工程では、下電極用の導電膜を形成する工程と、下電極上に圧電素子を形成する工程と、圧電素子と下電極とをパターニングする工程とを行ったあと、さらに上電極を形成する工程を行うため、製造工程が複雑化していた。これに対して、本発明の圧電体素子１３０の製造工程では、下電極を形成する工程が不要となり、圧電体層７０を形成、パターニングする工程のあと、第１の電極６０、第２の電極８０を同一プロセスで形成することができるようになっている。これにより、製造工程を短縮した圧電体素子１３０の製造方法とすることができる。

また、圧電体層７０の上面７０ｃ、下面７０ｄにＳｒＲｕＯ_３などの金属以外の材質で形成された電極を用いると、圧電体素子の積層構造が複雑になるが、側端面７０ａ、７０ｂに第１の電極６０、第２の電極８０を形成することで、積層構造を単純化させることができる。これにより、製造工程を短縮した圧電体素子１３０の製造方法とすることができる。

従来の圧電体素子のように、圧電体層の下面に下電極を形成する場合には、積層構造が複雑化するだけでなく、圧電体層の成膜条件に多くの制限があった。ところが、本発明の圧電体素子１３０では下電極を形成する必要がないので、圧電体層７０において、特に圧電体層初期層７０ｇの成膜条件の自由度を増すことができる。また、第１の電極６０、第２の電極８０として、圧電体層７０と相性のよい材質を採用することができるので、従来の圧電体素子で用いられていたＰｔ（白金）などの貴金属を用いる必要がないので、製造コストを大幅に低減できる圧電体素子１３０の製造方法とすることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の流体噴射ヘッドの第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態に係る流体噴射ヘッド３１０の部分平面図である。図１０は、図９におけるＤ−Ｄ’断面図である。なお、以下で参照する図面において、図１から図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

第１の実施形態では、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂに第１の電極６０、第２の電極８０のみが形成されていたのに対して、本実施形態の圧電対素子３３０では、第１の電極６０、第２の電極８０と、圧電体層７０の上面７０ｃに第３の電極３９０とが形成されている。

図９及び図１０に示すように、本実施形態の流体噴射ヘッド３１０は、液滴が吐出されるノズル開口１５を備えたノズル基板１６と、ノズル基板１６の上面（＋Ｚ側）に接続されてインク流路を形成する流路形成基板１０と、流路形成基板１０の上面に接続されて圧電体素子（駆動素子）３３０の駆動によって変位する振動板５０と、振動板５０の上面に
形成された下地層７１と、下地層７１上に形成された圧電体素子３３０とを備えている。

圧電体素子３３０は、下地層７１上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂに形成された第１の電極６０、第２の電極８０と、圧電体層７０の上面７０ｃに形成された第３の電極３９０とを備えている。

第１の電極６０及び第２の電極８０からは、流路形成基板１０の中心部１０ａに延びるようにして形成された第１のリード配線６１、及び第２のリード配線３８１が延在している。これらの第１のリード配線６１、及び第２のリード配線３８１が、ボンディングワイヤー１５１を介して駆動ＩＣ１５０と接続されることで、第１の電極６０及び第２の電極８０に電気的信号が入力されるようになっている。また、第３の電極３９０は、第３のリード配線３９１を介して共通電源配線層８２と接続されており、外部接続端子１２０から電気信号が入力されるようになっている。

圧電体素子３３０の電極がこのような構成を備えることにより、圧電体層７０の上面７０ｃ側において、第１の実施形態の圧電体素子１３０と比較して第１の電極６０、第３の電極３９０の間隔、及び第３の電極３９０、第２の電極８０の間隔をさらに縮小することができるので、圧電体層７０に強電界を印加することができる。これにより、圧電体層７０の下面７０ｄにおける変位量を大きくすることができる。そして、第１の実施形態の圧電体素子１３０と同等の変位を発生させるための印加電圧小さくできるので、消費電力を抑えることができる。

また、第１の電極６０、第２の電極８０、第３の電極３９０を同一のプロセスで形成することができるので、圧電体素子３３０の配線が増えても製造工程を増やさずに圧電体素子３３０を形成することができる。

圧電体素子をデバイスとして使用する場合に、圧電体素子を形成した後、圧電体層に対してポーリングプロセスを行うと、圧電体素子の素子特性がより安定化する傾向がある。ポーリングプロセスとは、圧電体層７０を構成する強誘電体物質の自発分極の方向を揃えることである。
ポーリングプロセスを行うためには、一般的に１００ｋＶ／ｃｍ程度の電界を印加している。そのため、例えば、第１の実施形態の圧電体素子１３０の第１の電極６０、第２の電極８０の間隔が５０μｍとすると、第１の電極６０、第２の電極８０間に５００Ｖを印加する必要がある。５００Ｖの交流電流を用いると設備にへの負担が大きく、製造コストが増大する。
これに対して本実施形態では、圧電体層７０の上面７０ｃに第３の電極３９０を備えているのでポーリングプロセスを容易に行うことができ、ポーリングプロセスにかかるコストを削減できる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の流体噴射ヘッドの第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図１１は、本実施形態に係る流体噴射ヘッド５１０の部分平面図である。図１２は、図１１におけるＥ−Ｅ’断面図である。

第２の実施形態では、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂに第１の電極６０、第２の電極８０が形成され、上面７０ｃには第３の電極３９０が形成されていたのに対して、本実施形態の圧電対素子５３０の圧電体層７０では、第１の電極６０、第２の電極８０に加えて上面７０ｃに第３の電極５９０及び第４の電極５９５が形成されている。

図１１及び図１２に示すように、本実施形態の流体噴射ヘッド５１０は、液滴が吐出されるノズル開口１５を備えたノズル基板１６と、ノズル基板１６の上面（＋Ｚ側）に接続されてインク流路を形成する流路形成基板１０と、流路形成基板１０の上面に接続されて圧電体素子（駆動素子）５３０の駆動によって変位する振動板５０と、振動板５０の上面に形成された下地層７１と、下地層７１上に形成された圧電体素子５３０とを備えている。

圧電体素子５３０は、下地層７１上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０の側端面７０ａ、７０ｂに形成された第１の電極６０、第２の電極８０と、圧電体層７０の上面７０ｃに形成された第３の電極５９０、第４の電極５９５とを備えている。

第３の電極５９０は、圧電体層７０の上面７０ｃにおいて、第１の電極６０側に形成されており、第４の電極５９５は、第２の電極８０側に配置されている。第１の電極６０及び第４の電極５９５からは、流路形成基板１０の中心部１０ａに延びるようにして形成された第１のリード配線６１、及び第４のリード配線５９６が延在している。これらの第１のリード配線６１、及び第４のリード配線５９６が、ボンディングワイヤー１５１を介して駆動ＩＣ１５０と接続されることで、第１の電極６０及び第４の電極５９５に電気的信号が入力されるようになっている。また、第２の電極８０及び第３の電極５９０は、第２のリード配線５８１及び第３のリード配線５９１を介して共通電源配線層８２と接続されており、外部接続端子１２０から電気信号が入力されるようになっている。

圧電体素子５３０の電極がこのような構成を備えることにより、圧電体層７０の上面７０ｃ側において、第２の実施形態の圧電体素子３３０と比較して、第１の電極６０、第３の電極５９０の間隔、及び第２の電極８０、第４の電極５９５の間隔をさらに小さくすることができるので、圧電体層７０の上面７０ｃ側を大きく縮ませて、下面７０ｄの変位を大きくすることができる。したがって、第２の実施形態の圧電体素子３３０と同等の圧電効果を得るための印加電圧を小さくできるので、消費電力を抑えることができる。

また、第１の電極６０、第２の電極８０、第３の電極５９０、第４の電極５９５を同一のプロセスで形成することができるので、圧電体素子５３０の配線が増えても製造工程を増やさずに圧電体素子５３０を形成することができる。

そして、圧電体層７０の上面７０ｃに第３の電極５９０、第４の電極５９５を備えているのでポーリングプロセスを容易に行うことができ、ポーリングプロセスにかかるコストを削減できる。

（流体噴射装置）
次に、流体噴射装置の一例として、第１の実施形態の流体噴射ヘッド１１０を備えたインクジェットプリンタについて説明する。図１３は、流体噴射ヘッド１１０を備えた流体噴射装置の一実施形態であるインクジェットプリンタ（流体噴射装置）６００を示す図である。

図１３に示すように、インクジェットプリンタ６００は、装置本体６２０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口６２２とを有し、装置本体６２０の上部面に操作パネル６７０を有している。操作パネル６７０は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤランプ等で構成されたもので、エラーメッセージ等を表示する表示部（図示せず）と、各種スイッチ等で構成される操作部（図示せず）とを備えたものである。装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御装置６６０とが設けられている。

制御装置６６０の制御により、給紙装置６５０は、記録用紙Ｐを一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙Ｐは、ヘッドユニット６３０の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット６３０が記録用紙Ｐの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙Ｐへの印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット６３０の往復動と、記録用紙Ｐの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれるようになっている。

印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えたものである。ヘッドユニット６３０は、その下部に、多数のノズル開口１５を備える先の流体噴射ヘッド１１０と、この流体噴射ヘッド１１０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、流体噴射ヘッド１１０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有したものである。インクカートリッジ６３１として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック（黒）の４色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、ヘッドユニット６３０には、各色にそれぞれ対応した流体噴射ヘッド１１０が設けられることになる。

往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有したものである。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４４の一部に固定されたものである。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。そして、この往復動の際に、流体噴射ヘッド１１０から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われるようになっている。

給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有したものである。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されたものであり、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されたものである。このような構成によって給紙ローラ６５２は、トレイ６２１に設置した多数枚の記録用紙Ｐを、印刷装置６４０に向かって１枚ずつ送り込めるようになっている。
なお、トレイ６２１に代えて、記録用紙Ｐを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成としてもよい。

制御装置６６０は、例えばパーソナルコンピュータやディジタルカメラ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置６４０や給紙装置６５０等を制御することにより印刷を行うものである。

なお、図１３では、流体噴射装置の一例として、インクジェットプリンタを示したが、本発明はこれに限らず、流体噴射ヘッドを組み込むことによって実現されるプリンタユニットに適用することも可能である。このようなプリンタユニットは、例えば、テレビ等の表示デバイスやホワイトボード等の入力デバイスに装着され、該表示デバイス又は入力デバイスによって表示若しくは入力された画像を印刷するために使用される。

なお、インクジェットプリンタ６００には、第１の実施形態の流体噴射ヘッド１１０に限らず、第２、第３の実施形態に係る流体噴射ヘッド３１０、５１０を採用することができる。

これらの流体噴射ヘッド１１０、３１０、５１０には、素子特性に優れた圧電体素子１３０、３３０、５３０を備えていることから、インク吐出時に圧力発生室１２にかかる圧力を均一にすることが可能である。その結果、吐出されるインクの量を均一にすることができ、印字品質を向上させたインクジェットプリンタ６００とすることができる。

流体噴射ヘッド１１０の要部を示す斜視図である。 流体噴射ヘッド１１０の部分平面図である。 流体噴射ヘッド１１０の部分断面図である。 流体噴射ヘッド１１０の部分断面図である。 流体噴射ヘッド１１０ａの部分平面図である。 流体噴射ヘッド１１０ａの部分断面図である。 圧電体素子１３０の製造方法の工程図である。 圧電体素子１３０の製造方法の工程図である。 流体噴射ヘッド３１０の部分平面図である。 流体噴射ヘッド３１０の部分断面図である。 流体噴射ヘッド５１０の部分平面図である。 流体噴射ヘッド５１０の部分断面図である。 インクジェットプリンタ６００を示す斜視図である。

符号の説明

１０…流路形成基板、１２…圧力発生室、１５…ノズル開口、１６…ノズル基板、５０…振動板、６０…第１の電極、７０…圧電体層、７０ａ、７０ｂ…側端面、７０ｇ…圧電体層初期層、７０ｈ…圧電体層後期層、７１…下地層、８０…第２の電極、８０ａ…第２の電極、８１…第２のリード線、８１ａ…第２のリード線、８２…共通電源配線層、１１０…流体噴射ヘッド、１３０…圧電体素子、１３０ａ…圧電体素子、３１０…流体噴射ヘッド、３３０…圧電体素子、３９０…第３の電極、３９１…第３のリード線、５１０…流体噴射ヘッド、５３０…圧電体素子、５８１…第２のリード線、５９０…第３の電極、５９１…第３のリード線、５９５…第４の電極、５９６…第４のリード線、６００…インクジェットプリンタ

Claims (14)

1. 基体上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第１の電極及び第２の電極とを備えた圧電体素子において、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方が、前記圧電体層の側端面に形成されていることを特徴とする圧電体素子。
2. 請求項１に記載の圧電体素子において、
   前記圧電体層の側端面は、前記基体の表面に対して傾斜した傾斜面であることを特徴とする圧電体素子。
3. 請求項２に記載の圧電体素子において、
   前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記圧電体層の前記側端面のうち対向する２つの前記側端面にそれぞれ形成されていることを特徴とする圧電体素子。
4. 請求項２又は請求項３に記載の圧電体素子において、
   前記圧電体層の前記基体と反対側の面に第３の電極が形成されており、
   前記第１の電極及び前記第２の電極には第１の信号が入力され、前記第３の電極には第２の信号が入力されることを特徴とする圧電体素子。
5. 請求項２又は請求項３に記載の圧電体素子において、
   前記圧電体素子の前記基体と反対側の面に、第３の電極と、前記第３の電極と前記第２の電極との間に位置する第４の電極と、が設けられており、
   前記第１の電極及び前記第４の電極には第１の信号が入力され、前記第３の電極及び前記第２の電極には第２の信号が入力されることを特徴とする圧電体素子。
6. 請求項２に記載の圧電体素子において、
   前記第１の電極が前記圧電体層の前記側端面に形成され、前記第２の電極が前記圧電体層の前記基体と反対側の面に形成されていることを特徴とする圧電体素子。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載の圧電体素子において、
   前記圧電体層と前記基体との間に、酸化物からなる下地層が形成されていることを特徴とする圧電体素子。
8. 請求項７に記載の圧電体素子において、
   前記下地層は、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなることを特徴とする圧電体素子。
9. 基体上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第１の電極及び第２の電極を備えた圧電体素子を製造する方法であって、
   基体上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に第１及び第２の電極とを形成する工程とを有し、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方を、前記圧電体層の側端面に形成することを特徴とする圧電体素子の製造方法。
10. 請求項９に記載の圧電体素子の製造方法であって、
    前記圧電体素子の側端面を前記基体の表面に対して傾斜した傾斜面にすることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の圧電体素子の製造方法であって、
    前記圧電体層を形成する工程の前に、前記基体上に酸化物からなる下地層を形成する工程を有し、前記下地層上に前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電体素子の製造方法。
12. 請求項１１に記載の圧電体素子の製造方法であって、
    前記下地層は、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
13. 請求項１から請求項７の何れか１項に記載の圧電体素子を備えた流体噴射ヘッド。
14. 請求項１３に記載の流体噴射ヘッドを備えた流体噴射装置。

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