JP2010118641A - 圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 - Google Patents

圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】変位が十分に大きく、かつ、圧電体層の劣化が抑制された圧電素子を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる圧電素子１００は、基板１０と、基板１０の上方に形成された下部電極２０と、下部電極２０の上方に形成された圧電体層３０と、圧電体層３０の上方に形成された上部電極４０と、圧電体層３０の側面に形成された保護層６０と、保護層６０の圧電体層３０と反対側の面に形成された自己組織化単分子膜７０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関する。
圧電素子の圧電体層に用いられるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、本明細書において、「ＰＺＴ」と略すことがある。）などは、水分を吸収することにより絶縁破壊を起こすことがある。これを避けるために、圧電素子において、圧電体層を水分バリア層（保護膜）により被覆する技術が開示されている。特に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などは良好な水分バリア性を有し、例えば、特開２００５−１７８２９３号公報などには、圧電体層を酸化アルミニウム層で被覆した圧電素子が開示されている。
特開２００５−１７８２９３号公報
しかしながら、酸化アルミニウムは酸化シリコンや有機物に比べてヤング率が大きいため、圧電素子の変形を阻害してしまうという欠点を有する。また、圧電体層を酸化アルミニウム層で被覆した圧電素子において、変位を向上させるために、酸化アルミニウム層の膜厚を薄くすると、水分バリア性が低下してしまうというトレードオフの関係があった。
本発明にかかるいくつかの態様の目的の１つは、変位が十分に大きく、かつ、圧電体層の劣化が抑制された圧電素子を提供することにある。
本発明にかかる圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、
前記圧電体層の側面に形成された保護層と、
前記保護層の前記圧電体層と反対側の面に形成された自己組織化単分子膜と、
を含む。
このような圧電素子は、変位が十分に大きく、かつ、圧電体層の劣化が抑制されることができる。
なお、本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
本発明にかかる圧電素子において、
前記保護層の材質は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、および酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種であることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記保護層の材質は、パラキシリレン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、および有機／無機ハイブリッド系材料から選ばれる少なくとも１種であることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記保護層の材質は、パラキシリレン系樹脂であることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記保護層の材質は、有機／無機ハイブリッド系材料であることができる。
本発明にかかる圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、
を含み、
前記圧電体層の側面に、自己組織化単分子膜、パラキシリレン系樹脂層、および有機／無機ハイブリッド系材料層から選ばれる少なくとも１種が形成されている。
このような圧電素子は、変位が十分に大きく、かつ、圧電体層の水分による劣化が抑制されることができる。
本発明にかかる液体噴射ヘッドは、上述の圧電素子のいずれかを有する。
本発明にかかる液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを備える。
実施形態にかかる圧電素子１００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子２００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる圧電素子３００を模式的に示す断面図。 実施形態の液体噴射ヘッド１０００を模式的に示す断面図。 実施形態のインクジェット記録装置２０００の概略的に示す斜視図。 実験例の耐圧測定結果を示すグラフ。 実験例の変位測定結果を示すグラフ。
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例として説明するものである。
１．第１実施形態
１．１．圧電素子
図１は、本実施形態の圧電素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態の圧電素子１００を模式的に示す平面図である。本実施形態にかかる圧電素子１００は、基板１０と、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、保護層６０と、自己組織化単分子膜７０と、を含む。
基板１０は、圧電素子１００が動作したときに機械的な出力を行う部材である。基板１０は、たとえば、振動板を含んで構成され、液体噴射ヘッドの可動部分となることができ、圧力発生室などの壁の一部を構成していてもよい。基板１０の厚みは、用いる材質の弾性率などにしたがって最適に選ばれる。基板１０が液体噴射ヘッドの振動板である場合は、基板１０の厚みは、たとえば、２００〜２０００ｎｍとすることができる。基板１０の厚みが２００ｎｍよりも薄いと、振動等の機械的出力を取り出しにくくなることがあり、２０００ｎｍよりも厚いと、振動等が生じなくなる場合がある。基板１０は、圧電体層３０の動作により、たわんだり振動したりすることができる。基板１０の材質には、剛性および機械的強度の高い材料を含むことが望ましい。基板１０の材質としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を好適に用いることができる。これらのうち、基板１０の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。基板１０は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
圧電素子１００は、図２に示すように、下部電極２０、圧電体層３０、および上部電極４０からなる構造を複数有することができる。
下部電極２０は、基板１０の上方に形成される。下部電極２０は、基板１０に直接接して形成されてもよい。基板１０の上面が導電性を有する場合は、下部電極２０と基板１０との間に絶縁性の部材を設けることができる。下部電極２０は、上部電極４０と対になり、圧電体層３０を挟む一方の電極として機能する。下部電極２０は、たとえば、図２に示すように、隣のキャパシタ構造部５０の下部電極２０と共通して構成することができる。下部電極２０は、図示せぬ外部回路と電気的に接続されている。下部電極２０の厚みは、基板１０に圧電体層３０の変形が伝達できる範囲であれば任意である。下部電極２０の厚みは、たとえば１００〜３００ｎｍとすることができる。下部電極２０の材質は、導電性を有する限り特に限定されず、たとえば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物、ランタンとニッケルの複合酸化物などを用いることができる。また、下部電極２０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
圧電体層３０は、下部電極２０の上方に設けられる。圧電体層３０は、図１および図２の例では、基板１０の上方にも設けられている。圧電体層３０の厚みは、５００〜１５００ｎｍとすることができる。圧電体層３０の厚みが上記の範囲を外れると、基板１０を変形させるのに十分な変形が得られなくなる場合がある。圧電体層３０は、下部電極２０および、上部電極４０によって電界が印加されることで伸縮変形し、これにより基板１０をたわませたり振動させたりする。圧電体層３０には、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層３０の材質としては、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物（たとえば、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含む。）が好適に用いられる。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）（以下、本明細書において「ＰＺＴＮ」と略すことがある。）、およびチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）などが挙げられる。これらのうち、圧電体層３０の材質としては、ＰＺＴおよびＰＺＴＮが、圧電性能が特に良好であるため好適である。
上部電極４０は、圧電体層３０の上に形成される。上部電極４０の厚みは、圧電素子１００の動作に悪影響を与えない範囲であれば限定されない。上部電極４０の厚みは、たとえば５０〜２００ｎｍとすることができる。上部電極４０の厚みが５０ｎｍよりも薄いと、電気抵抗が増大してしまうことがあり、２００ｎｍよりも大きいと、圧電素子１００の変形を阻害してしまう場合がある。上部電極４０は、下部電極２０と対になり、圧電素子１００の一方の電極として機能する。上部電極４０の材質は、前記機能を満足する導電性を有する物質である限り特に限定されない。上部電極４０の材質は、ニッケル、イリジウム、金、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物、ランタンとニッケルの複合酸化物などを用いることができる。また、上部電極４０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
保護層６０は、圧電体層３０の側面に形成される。図１の例では、上部電極４０、下部電極２０、および基板１０の表面にも形成されている。保護層６０は、少なくとも圧電体層３０の側面に形成されれば、その効果を奏することができる。保護層６０は、外部から拡散してくる水分、水素、および還元性の気体などの不純物が圧電体層３０へ侵入あるいは拡散し、圧電体層３０が劣化することを防止する機能を有する。すなわち保護層６０は、水分等の不純物のバリア性を有している。この機能により、圧電体層３０が不純物から保護され、圧電体層３０の側面を伝わって流れる漏れ電流を低減することができる。保護層６０の厚みは、保護層６０の材質に依存するが、１〜２０００ｎｍとすることが好ましい。保護層６０の厚みが１ｎｍよりも小さいと、不純物のバリア性能が十分に得られないことがあり２０００ｎｍよりも大きいと、圧電素子１００の機械的な動作を拘束してしまう場合がある。保護層６０において、不純物バリア性および剛性の程度は、保護層６０の厚みに依存し、保護層６０の厚みが大きければ両者の程度は大きくなる。
保護層６０は、不純物のバリア性が高く、かつ、ヤング率のできるだけ小さい材質で形成されることが好ましい。このような材質としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、および酸化アルミニウムなどの無機化合物、パラキシリレン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、アルキド樹脂、エポキシアクリレート樹脂およびシリコーン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種あるいはそれらの変性体、などの有機化合物、および有機／無機ハイブリッド系材料が挙げられる。保護層６０は、また、上記例示した材料から選ばれる少なくとも１種によって形成されることができる。
上記例示した材料のうち、無機化合物は、他の化合物に比較して、不純物のバリア性が高く、かつヤング率が大きい。そのため、保護層６０の材質として無機化合物を用いる場合は、保護層６０の厚みは、１〜１０００ｎｍとすることが好ましい。保護層６０の材質として無機化合物を用いる場合は、上記例示した材質のうち、酸化シリコンが特に好ましい。また、上記の無機化合物のうち、酸化シリコンは、水に対する接触角が２０°程度であり、疎水性は必ずしも高くないが、後述するように、疎水性は、自己組織化単分子膜７０によって強化されることができる。なお、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの水に対する接触角は、それぞれ８０°および６５°であるが、後述するように、自己組織化単分子膜７０によって疎水性をさらに強化されることができる。
一方、上記例示した材料のうち、有機化合物は、他の化合物に比較して、不純物のバリア性が低く、かつヤング率が小さい（１×１０１０Ｐａ以下）。そのため、保護層６０の材質として有機化合物を用いる場合は、保護層６０の厚みは、１００〜２０００ｎｍとすることができる。ところで上述のように、保護層６０の材質は、ガスバリア性を有するものが望ましいが、有機化合物の種類によっては、ガスバリア性が小さい場合がある。しかし有機化合物は、ヤング率が小さいため、保護層６０の厚みを２０００ｎｍ程度まで大きくできるから広範な材料を選択しうる。
上記例示した有機化合物のうち、ヤング率が十分に小さく（１×１０１０Ｐａ以下）、かつ、不純物バリア性が極めて高いことにより、保護層６０の材質としては、パラキシリレン系樹脂が特に好ましい。パラキシリレン系樹脂の具体例としては、ｐｏｌｙ−ｍｏｎｏｃｈｌｏｒｏ−ｐａｒａｘｙｌｙｌｅｎｅ、ｐｏｌｙ−ｐａｒａｘｙｌｙｌｅｎｅ等が挙げられ、それぞれ、日本パリレン株式会社から、商品名パリレンＣ、パリレンＮとして市販されているものを挙げることができる。
また、上記例示した材料のうち、有機／無機ハイブリッド系材料は、他の化合物に比較して、不純物のバリア性とヤング率のバランスが良好である。そのため、保護層６０の材質として有機／無機ハイブリッド系材料を用いる場合は、保護層６０の厚みは、１〜２０００ｎｍとすることができる。
また、有機／無機ハイブリッド系材料は、ｎｍレベルで有機成分と無機成分を複合化させたものであり、有機材料と無機材料のメリットを相乗的に高めたものである。有機／無機ハイブリッド系材料の具体例としては、ポリシロキサン系の材料が挙げられる。これらの材料は、感光性を持たせることが可能であるため、マスク露光によるパターニングを容易に行うことができる。
自己組織化単分子膜７０は、保護層６０の圧電体層３０と反対側の面に形成される。自己組織化単分子膜７０は、少なくとも圧電体層３０の側面に形成される。これにより、自己組織化単分子膜７０は、以下のような効果を奏することができる。図１および図２の例では、上部電極４０、下部電極２０、および基板１０の上方にも形成されている。自己組織化単分子膜７０は、外部から拡散してくる水分が圧電体層３０へ侵入あるいは拡散し、圧電体層３０が劣化することを防止する機能を有する。この機能により、圧電体層３０の側面を伝わって流れる漏れ電流等を低減することができる。自己組織化単分子膜７０は、保護層６０の機能を、水分バリアという点で、さらに強化している。自己組織化単分子膜７０の厚みは、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。自己組織化単分子膜７０の厚みが１ｎｍよりも小さいと、水分のバリア性能が十分に得られないことがあり１０ｎｍよりも大きいと自己組織化構造を形成し難くなる場合がある。
自己組織化単分子膜７０の構造は、構成する分子が、該膜内において、少なくとも１層の単分子膜を形成しているものである。また、自己組織化単分子膜７０は、該単分子膜の複数層が積層した、累積膜となっていてもよい。ここで、自己組織化とは、自発的に秩序が形成されることを指し、本実施形態の自己組織化単分子膜７０においては、外部から特別な制御を行うことなく単分子膜が形成されることを指している。本実施形態の自己組織化単分子膜７０において、自己組織化によって形成される単分子膜の構造は、これを構成する分子が有する疎水性の高い原子または原子団（基）が、単分子膜の片側の面に配置された構造を有している。したがって、少なくとも自己組織化単分子膜７０の片面は、疎水性の高い原子または原子団（基）が密に配置される。そのため、自己組織化単分子膜７０の当該面は、水分子が吸着しにくくなっている。そして、このことによって、自己組織化単分子膜７０は、水分子を透過しにくく、水分バリア性能を発揮することができる。
本実施形態の自己組織化単分子膜７０は、少なくとも圧電体層３０側の反対側の面に、疎水性の高い原子または原子団（基）が配置される構造を有する。したがって、水分は、自己組織化単分子膜７０の疎水性の原子等によって、外部から圧電体層３０に向かって侵入、拡散することが抑制される。これにより、圧電体層３０の側面を流れる漏れ電流をより低減させることができる。
自己組織化単分子膜７０の材質、すなわち、自己組織化によって単分子膜を形成することができ、かつ、疎水性の基を有する材料としては、フッ化アルキルシラン（以下、「ＦＡＳ」と略すことがある。）、アルキルシラン、ヘキサメチルジシラザン等が挙げられる。例示した材料は、単分子膜を形成した際に、フッ素を含む基、またはアルキル基が自己組織化によって片方の面に濃化することができるため、当該面に疎水性を生じさせることができる。また、これらの材料のうち、フッ化アルキルシランは、フッ素を含む基を有するため、この基が富化した面の疎水性がより強く特に好適である。自己組織化単分子膜７０の表面の疎水性の指標としては、水に対する接触角がある。本実施形態の自己組織化単分子膜７０の水に対する接触角は、５０°以上であることがより好ましい。
このような自己組織化単分子膜７０は、たとえば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、インクジェット法、スピンコート法などによって設けることができる。いずれの方法によっても、特に自己組織化単分子膜７０の内部の分子構造について、特別な制御を行うことなく、上述した構造を形成することができる。自己組織化単分子膜７０を熱ＣＶＤ法またはスピンコート法によって設ける場合は、圧電素子１００を覆うように全体に設けられ、必要に応じてパターニング等を行うことができる。図１および図２の例では、保護膜６０の上のみに自己組織化単分子膜７０が形成されている。自己組織化単分子膜７０をインクジェット法によって設ける場合は、保護層６０の圧電体層３０と反対側の面のみに自己組織化単分子膜７０が形成されるように付着させることができるため、材料を節約できる点でより好ましい。
本実施形態の圧電素子１００は以下のような特徴を有する。圧電素子１００は、圧電体層３０の側面に、保護層６０と自己組織化単分子膜７０とが積層した構造を有している。そのため、不純物や水分が、外部から圧電体層３０に侵入、拡散することが抑制される。これにより、圧電素子１００は、圧電体層３０の劣化が抑制され、漏れ電流が低減されたものとなっている。しかも、圧電素子１００は、保護層６０に加えて、自己組織化単分子膜７０を有している。自己組織化単分子膜７０は、有機系の材料で形成されるため、圧電体層３０の変形や、基板１０の変形を拘束することがほとんどない。そしてこの自己組織化単分子膜７０が水分バリア性を有するため、外部から侵入、拡散する水分のバリア性を、保護層６０のみならず、自己組織化単分子膜７０にも担わせることができる。これにより保護層６０の厚みを、自己組織化単分子膜７０が無い場合よりも小さくすることができる。したがって、保護層６０による圧電素子１００の変位や動作の拘束の程度を低減させることができる。よって、圧電素子１００は、変位を大きくとることができ、かつ、圧電体層３０の劣化が生じにく、漏れ電流が低減され、耐圧の高いものである。
１．２．圧電素子の製造方法
図３ないし図７は、本実施形態の圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。図３ないし図７は、図２のＡ−Ａ線に相当する断面を示している。
本実施形態の圧電素子１００の製造方法は、下部電極２０ａを形成する工程と、圧電体層３０ａと上部電極層４０ａとを順次積層する工程と、上部電極層４０ａおよび圧電体層３０ａをパターニングする工程と、保護層６０を形成する工程と、自己組織化単分子膜７０を形成する工程と、を含む。
まず、図３に示すように、基板１０を準備し、基板１０の上に、下部電極層２０ａを形成する。下部電極層２０ａは、たとえば、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。
次に、図４に示すように下部電極層２０ａをエッチングして、下部電極２０を形成する第１パターニング工程を行う。下部電極層２０aのエッチングは、フォトリソグラフィー等の方法で行うことができる。
次に、圧電体層３０ａおよび上部電極層４０ａを順次積層する工程を行う。図５に示すように、圧電体層３０ａを基板１０および下部電極２０の上に形成する。圧電体層３０ａは、ゾルゲル法やＣＶＤ法などによって形成される。ゾルゲル法においては、原料溶液塗布、予備加熱、結晶化アニールの一連の作業を複数回繰り返して所望の膜厚にしてもよい。次いで、図６に示すように、圧電体層３０ａの上に上部電極層４０ａを形成する。上部電極層４０ａは、たとえば、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。なお、圧電体層３０ａの結晶化アニールは、上部電極層４０ａを形成した後に行ってもよい。
次に、図７に示すように、少なくとも上部電極層４０ａおよび圧電体層３０ａをパターニングして下部電極２０、圧電体層３０および上部電極４０からなるキャパシタ構造を形成する。本工程は、フォトリソグラフィー等の方法を用いマスク等を形成して行うことができる。また本工程は、フォトリソグラフィー等を複数回行ってもよい。本工程のエッチングは、たとえば公知のドライエッチング等の方法により行うことができる。
次に、図８に示すように、保護層６０を形成する工程を行う。保護層６０が酸化シリコンで形成される場合は、たとえば、トリメトキシシランを原料としたＣＶＤ法によって形成することができる。トリメトキシシランを原料としたＣＶＤ法によれば、水素の発生を抑えることができ、工程中に圧電体層３０を還元することが抑えられる。また、トリメトキシシランを原料としたＣＶＤ法によれば、低温で良質な保護層６０を形成することができる。この後、保護層６０に上部電極４０への配線等のための開口部６２をパターニングによって形成することができる。さらに、必要に応じて、基板１０に形成された保護層６０をパターニングによって除去することができる。
次に、図１および図２に示すように、保護層６０の圧電体層３０と反対側の面に自己組織化単分子膜７０を形成する工程を行う。この工程は、自己組織化単分子膜７０の材質をフッ化アルキルシランとする場合は、フッ化アルキルシランを原料とする熱ＣＶＤによって形成することができる。ここで用いる熱ＣＶＤ法は、公知の方法を用いることができる。この工程により、保護層６０の圧電体層３０と反対側の面を含む、圧電素子１００の全面に自己組織化単分子膜７０が形成される。この後、自己組織化単分子膜７０に上部電極４０への配線等のための開口部７２をパターニングによって形成することができる。さらに、必要に応じて、基板１０に形成された自己組織化単分子膜７０をパターニングによって除去することができる。自己組織化単分子膜７０を形成する工程は、上部電極４０に電気的に接続する配線を設けた後で行ってもよい。
保護層６０および自己組織化単分子膜７０を形成する工程は、それぞれ、当該工程を行う前に下地の加熱処理を行うことがより好ましい。加熱処理の温度は、１００℃以上とすることができる。このようにすれば、保護層６０および自己組織化単分子膜７０を形成する前に、下地に吸着している水分子等を除去することができるため、圧電体層３０の劣化をより抑制することができる。
なお、保護層６０および自己組織化単分子膜７０を形成する工程は、それぞれの前駆体を液滴吐出法を用いて所望の部位に塗布することによって行うこともできる。液滴吐出法は、半導体基板等への液体の塗布に好適に用いることができる。しかも、塗布される液体の量や、塗布される位置をあらかじめ設定することで、微細な形状に液体を塗布することが可能である。したがって、たとえば、図１および図２に示されるように、キャパシタ構造の周囲のみに局所的に塗布することが可能である。この方法によれば、圧電体層３０の側面のみに保護層６０および自己組織化単分子膜７０を形成することができるため、パターニング工程を省略することができる。このとき用いる保護層の前駆体としては、たとえば、溶媒メシチレンに、ポリシロキサン系の材料を溶解させたものを用いることができる。この溶液が所望の位置に塗布され、溶媒を乾燥させると、保護層６０が形成される。また、このとき用いる自己組織化単分子膜の前駆体としては、たとえば、溶媒ヘキサンに、フッ化アルキルシランを溶解させたものを用いることができる。この溶液が所望の位置に塗布され、溶媒が乾燥するときに、自己組織化単分子膜７０が形成される。
以上のようにして圧電素子１００が製造されるが、本実施形態の製造方法は、各工程の間に適宜他の部材を形成する工程や表面処理を行う工程を有することができる。
２．第２実施形態
２．１．圧電素子
図９は、本実施形態にかかる圧電素子２００を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧電素子２００は、保護層６０を有さないこと以外は、第１実施形態で述べた圧電素子１００と同様である。そのため、圧電素子１００と同一の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態にかかる圧電素子２００は、基板１０と、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、自己組織化単分子膜７０と、を含む。
自己組織化単分子膜７０は、第１実施形態で述べたように、優れた水分バリア性能を有する。圧電素子２００は、圧電体層３０の側面に自己組織化単分子膜７０を有する。そのため、水分が外部から圧電体層３０に侵入、拡散することが抑制される。これにより、圧電素子２００は、圧電体層３０の劣化が抑制され、漏れ電流が低減されたものとなっている。しかも、自己組織化単分子膜７０は、有機系の材料で形成されるため、圧電体層３０の変形や、基板１０の変形を拘束することがほとんどない。したがって、自己組織化単分子膜７０による圧電素子２００の変位や動作の拘束がほとんどない。よって、圧電素子２００は、変位を大きくとることができ、かつ、圧電体層３０の劣化が生じにくく、漏れ電流が低減され、耐圧の高いものである。
２．２．圧電素子の製造方法
本実施形態の圧電素子２００は、第１実施形態で述べた圧電素子１００の製造方法に準じて製造することができる。すなわち、圧電素子２００の製造方法は、圧電素子１００の製造方法で述べた保護層６０を形成する工程を有さない以外は同様である。
３．第３実施形態
３．１．圧電素子
図１０は、本実施形態にかかる圧電素子３００を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧電素子３００は、自己組織化単分子膜７０を有さず、かつ、保護層６０がパラキシリレン系樹脂で構成され、パラキシリレン系樹脂層８０となること以外は、第１実施形態で述べた圧電素子１００と同様である。そのため、圧電素子１００と同一の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態にかかる圧電素子２００は、基板１０と、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、パラキシリレン系樹脂層８０と、を含む。
第１実施形態で述べたように、パラキシリレン系樹脂は、ヤング率が十分に小さく（１×１０１０Ｐａ以下）、かつ、水分、水素、および還元性のガス等のバリア性が極めて優れている。そのため、第１実施形態の圧電素子１００において、パラキシリレン系樹脂を保護層６０の材質に採用すれば、自己組織化単分子膜７０を有さなくても、変位が十分に大きく、圧電体層３０の劣化が抑制される。
パラキシリレン系樹脂層８０は、第１実施形態で述べたように、優れた不純物バリア性能を有する。本実施形態の圧電素子３００は、圧電体層３０の側面にパラキシリレン系樹脂層８０を有する。そのため、不純物が外部から圧電体層３０に侵入、拡散することが抑制される。これにより、圧電素子３００は、圧電体層３０の劣化が抑制され、漏れ電流が低減されたものとなっている。しかも、パラキシリレン系樹脂層８０は、ヤング率の小さいパラキシリレン系樹脂で形成されるため、圧電体層３０の変形や、基板１０の変形を拘束することがほとんどない。したがって、パラキシリレン系樹脂層８０による圧電素子２００の変位や動作の拘束が極めて小さい。よって、圧電素子３００は、変位を大きくとることができ、かつ、圧電体層３０の劣化が生じにく、漏れ電流が低減され、耐圧の高いものである。
３．２．圧電素子の製造方法
本実施形態の圧電素子３００は、第１実施形態で述べた圧電素子１００の製造方法に準じて製造することができる。すなわち、圧電素子３００の製造方法は、圧電素子１００の製造方法で述べた自己組織化単分子膜７０を形成する工程を有さず、保護層６０をパラキシリレン系樹脂によって形成するものである。
３．３．変形例
本実施形態において、パラキシリレン系樹脂層８０を、有機／無機ハイブリッド系材料層に置き換えたものを変形例として例示することができる。
第１実施形態で述べたように、有機／無機ハイブリッド系材料は、他の化合物に比較して、不純物のバリア性とヤング率のバランスが良好である。そのため、第１実施形態の圧電素子１００において、有機／無機ハイブリッド系材料を保護層６０の材質に採用すれば、自己組織化単分子膜７０を有さなくても、変位が十分に大きく、圧電体層３０の劣化を抑制することができる。これにより、変形例の圧電素子は、圧電体層３０の劣化が抑制され、漏れ電流が低減されることができる。
上記変形例の圧電素子は、第１実施形態で述べた圧電素子１００の製造方法に準じて製造することができる。すなわち、上記変形例の圧電素子の製造方法は、圧電素子１００の製造方法で述べた自己組織化単分子膜７０を形成する工程を有さず、保護層６０を有機／無機ハイブリッド系材料によって形成するものである。
また、他の変形例として、保護層６０が、複数の層の積層構造である圧電素子を例示することができる。他の変形例としては、たとえば、保護層６０が、有機／無機ハイブリッド系材料層、パラキシリレン系樹脂層、および自己組織化単分子膜から選ばれる２種以上の積層構造を有する圧電素子を例示できる。他の変形例において、積層される構成の積層の順序は特に限定されない。他の変形例において、自己組織化単分子膜が選択され積層される場合は、疎水性が特に優れていることから、自己組織化単分子膜の少なくとも１つが保護層５０の圧電体層３０と反対側の表面に設けられることがさらに好適である。
４．液体噴射ヘッド
図１１は、液体噴射ヘッド１０００の要部を模式的に示す断面図である。液体噴射ヘッド１０００は、少なくとも、上述の圧電素子と、圧力室基板４００と、ノズル板５００と、を有する。以下は、液体噴射ヘッド１０００が上述の圧電素子１００を有する場合について例示する。液体噴射ヘッド１０００の振動板６００は、圧電素子１００の基板１０に相当する。
圧力室基板４００は、圧電素子１００の下に設けられる。圧力室基板４００は、圧力室４０２を有する。圧力室４０２には、噴射させる液体が充填される。圧力室４０２は、図示せぬ流路に連続しており、該流路から圧力室４０２に液体が供給されることができる。圧力室４０２は、流路を介して外部の液体リザーバ（図示せず）に通じている。圧力室４０２は、圧力室４０２の上面を構成する圧電素子１００の基板１０が変形することにより、体積が変化する。圧力室４０２の体積が変化すると、圧力室４０２内部の圧力が変化し、該圧力の変化によって、後述のノズル孔５０２から液体を吐出させることができる。
ノズル板５００は、圧力室基板４００の下に設けられる。ノズル板５００は、ノズル孔５０２を有する。ノズル孔５０２は、圧力室４０２内の液体を外部に吐出させるノズルであり、圧力室４０２に対応して設けられる。圧力室基板１０の材質は、特に限定されない。たとえば、圧力室基板１０の材質は、シリコン、ステンレス、ＳＵＳ、ニッケル、チタン、チタン合金などとすることができる。圧力室基板４００の材質にシリコンを採用すれば、シリコン基板を加工することにより圧力室基板４００およびノズル板５００を形成することができる。
液体噴射ヘッド１０００は、圧電素子１００を有する。そのため、圧力室４０２の上面を構成する振動板、すなわち、圧電素子１００の基板１０が変位を大きくとることができる。これにより液体の吐出量を高めることができ、圧電素子１００の圧電体層３０の劣化が生じにくく、漏れ電流が低減され、安定した動作が可能である。
本実施形態の液体噴射ヘッドは、たとえば、プリンター等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルター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）、電気泳動ディスプレー等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射ヘッドとしても好適に利用することができる。
５．液体噴射装置
以下、本発明にかかる液体噴射装置として、液体噴射ヘッド１０００にインクを充填し、該インクを吐出するインクジェット記録装置２０００を一例として説明する。すなわち本発明の液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを用いて、液体材料を噴射する装置全般を含むものである。
図１２は、本発明にかかるインクジェット記録装置２０００を模式的に示す斜視図である。インクジェット記録装置２０００は、上述の液体噴射ヘッド１０００を有する。インクジェット記録装置２０００は、ヘッドユニット６３０と、駆動部６１０と、制御部６６０と、を含む。また、インクジェット記録装置２０００は、装置本体６２０と、給紙部６５０と、媒体Ｐ（記録用紙）を設置するトレイ６２１と、媒体Ｐを排出する排出口６２２と、装置本体６２０の上面に配置された操作パネル６７０と、を含むことができる。
ヘッドユニット６３０は、上述の液体噴射ヘッド１０００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット６３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ６３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ６３１を搭載した運搬部（キャリッジ）６３２と、を備える。
駆動部６１０は、ヘッドユニット６３０を往復動させることができる。駆動部６１０は、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、を有する。液体噴射ヘッド１０００は、ヘッドユニット６３０の往復動の方向と、該ヘッドの各駆動ユニット１００の積層する方向とが一致するようにヘッドユニット６３０に取り付けられている。
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６４４と、キャリッジガイド軸６４４と平行に延在するタイミングベルト６４３と、を備える。キャリッジガイド軸６４４は、キャリッジ６３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ６３２を支持している。さらに、キャリッジ６３２は、タイミングベルト６４３の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、タイミングベルト６４３を走行させると、キャリッジガイド軸６４４に導かれて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、媒体Ｐへの印刷が行われる。
制御部６６０は、ヘッドユニット６３０、駆動部６１０、および給紙部６５０を制御することができる。
給紙部６５０は、媒体Ｐをトレイ６２１からヘッドユニット６３０側へ送り込むことができる。給紙部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とを備える。給紙ローラ６５２は、媒体Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａおよび駆動ローラ６５２ｂを備える。駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。制御部６６０によって給紙部６５０が駆動されると、媒体Ｐは、ヘッドユニット６３０の下方を通過するように送られる。
ヘッドユニット６３０、駆動部６１０、制御部６６０、および給紙部６５０は、装置本体６２０の内部に設けられている。
以上、本発明にかかる液体噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしてのインクジェット記録装置２０００を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。たとえば、本発明の液体噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、液晶ディスプレー等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）、電気泳動ディスプレー等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
６．実験例
以下に実験例を記載して本発明をさらに説明する。本発明は以下の実験例に限定されない。実験例に供した素子は、以下のように準備した。
まず、酸化ジルコニウムが成膜された基板の上に、白金をスパッタリングによって成膜し、パターニングによって下部電極を形成した。次いで、ＰＺＴおよび白金を順次成膜し、パターニングを行って、保護層、自己組織化単分子膜、およびパラキシリレン系樹脂層を有さないブランク圧電素子を同一条件で複数製作した。
ブランク圧電素子に、酸化アルミニウムのみを被覆した圧電素子を作製した。このとき、酸化アルミニウムは、スパッタリングによって成膜し、パターニングを行い上下の電極に配線を行った。酸化アルミニウムの層の厚みを換えて２０、５０、１００、および２００ｎｍの厚みの酸化アルミニウム層を有する素子をそれぞれ作製した。
ブランク圧電素子に、酸化シリコンのみを被覆した圧電素子を作製した。このとき、酸化シリコンは、トリメトキシシランを原料とするＣＶＤによって成膜し、パターニングを行い上下の電極に配線を行った。酸化シリコンの層の厚みを換えて２０、５０、１００、および２００ｎｍの厚みの酸化シリコン層を有する素子をそれぞれ作製した。
ブランク圧電素子に、酸化シリコンおよびフッ化アルキルシランを被覆した圧電素子を作製した。このとき、酸化シリコンは、トリメトキシシランを原料とするＣＶＤによって成膜し、パターニングを行い上下の電極に配線を行った。続いてその後、フッ化アルキルシランをＣＶＤによって成膜した。酸化シリコンの層の厚みを換えて２０、５０、１００、および２００ｎｍの厚みの酸化シリコン層を有する素子をそれぞれ作製した。いずれの素子においても、フッ化アルキルシランの層の厚みは、２〜３ｎｍであった。
ブランク圧電素子に、パリレンＣ（ｐｏｌｙ−ｍｏｎｏｃｈｌｏｒｏ−ｐａｒａｘｙｌｙｌｅｎｅ）のみを被覆した圧電素子を作製した。このとき、パリレンＣは、蒸着によって成膜し、パターニングを行い上下の電極に配線を行った。パリレンＣの層の厚みを換えて２０、５０、１００、および２００ｎｍの厚みのパリレンＣの層を有する素子をそれぞれ作製した。
以上作製した素子を試料として、すべての試料について、耐圧および変位を測定した。耐圧の測定は、上部電極および下部電極に印加する電圧を高くしてゆき、絶縁破壊の電圧を読み取った。変位の測定は、上部電極および下部電極に電圧３０Ｖを印加したときの基板（振動板）の変形量を読み取った。耐圧および変位の測定結果を各試料の被覆体の厚みに対してプロットした結果を、それぞれ、図１３および図１４に示した。
図１３をみると、酸化シリコンのみで被覆した素子は、どの膜厚においても耐圧が低いことが分かる。これに対して、酸化シリコンをフッ化アルキルシランによって被覆した素子は、どの膜厚においても耐圧が高いことが分かる。一方、酸化アルミニウムのみで被覆した素子と、パリレンＣのみで被覆した素子は、耐圧は中程度であったが、５０ｎｍ程度よりも膜厚が小さい領域では、パリレンＣのみで被覆した素子のほうが耐圧が優れていた。
図１４をみると、酸化アルミニウムのみで被覆した素子は、どの膜厚においても、変位が小さいことが分かる。これに対して、パリレンＣのみで被覆した素子は、どの膜厚においても、変位が大きいことが分かる。一方、酸化シリコンのみで被覆した素子と、酸化シリコンをフッ化アルキルシランで被覆した素子は、どの膜厚においても変位はほぼ同じで、かつ中程度の変位量を示した。
図１３および図１４から、以下のことが判明した。酸化シリコンをフッ化アルキルシランによって被覆した素子は、優れた耐圧かつ良好な変位量を有すること。パリレンＣのみで被覆した素子は、優れた変位量かつ良好な耐圧を有すること。酸化アルミニウムのみで被覆した素子は、耐圧が良好であっても変位が不十分であること。酸化シリコンのみで被覆した素子は、変位は良好であっても耐圧が不十分であること。以上のように、保護層および自己組織化単分子膜を有する圧電素子、および、パラキシリレン系樹脂層を有する圧電素子は、変位が大きく、かつ、漏れ電流が低減されていることが判明した。ポリシロキサン系の材料を有する圧電素子も、パラキシリレン系樹脂層を有する圧電素子と同等の特性を示した。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１０ 基板、２０，２０ａ 下部電極、３０，３０ａ 圧電体層、
４０，４０ａ 上部電極、６０ 被覆層、６２，７２ 開口部、
７０ 自己組織化単分子膜、１００，２００，３００ 圧電素子、４００ 圧力室基板、
４０２ 圧力室、５００ ノズル板、５０２ ノズル孔、６１０ 駆動部、
６２０ 装置本体、６２１ トレイ、６２２ 排出口、６３０ ヘッドユニット、
６３１ インクカートリッジ、６３２ キャリッジ、６４１ キャリッジモータ、
６４２ 往復動機構、６４３ タイミングベルト、６４４ キャリッジガイド軸、
６５０ 給紙部、６５１ 給紙モータ、６５２ 給紙ローラ、６６０ 制御部、
６７０ 操作パネル、１０００ 液体噴射ヘッド、２０００ インクジェット記録装置

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板の上方に形成された下部電極と、
    前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
    前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、
    前記圧電体層の側面に形成された保護層と、
    前記保護層の前記圧電体層と反対側の面に形成された自己組織化単分子膜と、
    を含む、圧電素子。
  2. 請求項１において、
    前記保護層の材質は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、および酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種である、圧電素子。
  3. 請求項１において、
    前記保護層の材質は、パラキシリレン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、および有機／無機ハイブリッド系材料から選ばれる少なくとも１種である、圧電素子。
  4. 請求項１において、
    前記保護層の材質は、パラキシリレン系樹脂である、圧電素子。
  5. 請求項１において、
    前記保護層の材質は、有機／無機ハイブリッド系材料である、圧電素子。
  6. 基板と、
    前記基板の上方に形成された下部電極と、
    前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
    前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、
    を含み、
    前記圧電体層の側面に、自己組織化単分子膜、パラキシリレン系樹脂層、および有機／無機ハイブリッド系材料層から選ばれる少なくとも１種が形成された、圧電素子。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の圧電素子を有する、液体噴射ヘッド。
  8. 請求項７に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。
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