JP2010199339A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高い変位特性、即ちより低電圧で駆動することができる圧電素子及びこれを用いた液体噴射ヘッド、並びにこれを用いた液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 液体噴射ヘッドは、液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子３００とを具備し、前記圧電素子は、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層７０とを備え、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した負帯電層７１が形成されると共に、前記陽極電極の近傍には正に帯電した正帯電層７２が形成されている。
【選択図】図２
【解決手段】 液体噴射ヘッドは、液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子３００とを具備し、前記圧電素子は、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層７０とを備え、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した負帯電層７１が形成されると共に、前記陽極電極の近傍には正に帯電した正帯電層７２が形成されている。
【選択図】図２
Description
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置に関する。
液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を、振動板とこの振動板上に設けられた圧電素子により振動板を変形させるアクチュエーター装置で構成して、圧力発生室のインクをこのアクチュエーター装置で加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。このアクチュエーター装置に用いられる圧電素子としては、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般に圧電素子においては、その変位特性を向上させることが望まれている。例えば、低電圧駆動を可能とするために、誘電材料と一対の電極との界面を洗浄して清浄に保つことが知られている（例えば、特許文献２参照。）
しかしながら、現在、より高い変位特性、即ちより低電圧で駆動することができる圧電素子が求められている。なお、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置や、液体噴射ヘッド以外に搭載されるアクチュエーター装置においても、このような高い変位特性に対する要求は同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、変位特性の高いアクチュエーター装置、及びこれを用いた液体噴射ヘッド、並びにこれを用いた噴射特性の高い液体噴射装置を提供することを目的とする。
本発明の液体噴射ヘッドは、液体を噴射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、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備し、前記圧電素子は、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層とを備え、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記圧電体層の前記陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されていることを特徴とする。本発明においては、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されているので、印加電圧により形成される電界と同一方向に、帯電した領域による内部電界が形成される。従って、従来よりもこの内部電界による電圧分だけ実効電圧が高くなるので、圧電素子の変位特性が向上し、これにより液体噴射ヘッドの吐出特性も向上する。
前記圧電体層は、酸化物からなり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも酸素欠陥が多いか、前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも二価のＰｂイオンが多いか、前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層中の二価のＰｂイオンを三価以上の金属イオンに置換したものからなることが好ましい。このように構成されることにより、この領域に電子が蓄積されやすく、負に帯電する。
前記正に帯電した領域が、前記圧電体層は、酸化物からなり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも酸素が多いか、前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも二価のＰｂイオンが少ないか、前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層中のＺｒ及びＴｉから選ばれた少なくとも一種を三価以下の金属イオンに置換したものからなるか、前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりもＴｉが多いことが好ましい。このように構成されることにより、この領域に正孔が蓄積されやすく、正に帯電する。
本発明の液体噴射装置は、上述したいずれかの液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。吐出特性に優れたいずれかの液体噴射ヘッドを備えることで、本発明の液体噴射装置は、噴射特性に優れる。
本発明のアクチュエーター装置は、基板と、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層とを備え、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記圧電体層の陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されていることを特徴とする。本発明においては、前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されているので、印加電圧により形成される電界と同一方向に、帯電した領域による内部電界が形成される。従って、従来よりもこの内部電界による電圧分だけ実効電圧が高くなるので、変位特性が向上する。
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一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
（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一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びその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、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、他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がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバー１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。即ち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。
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とは反対側の端部近傍に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によって固着されている。
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５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１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、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を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子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。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アクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成され、分極構造を有する酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）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）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を用いている。
また、圧電体層７０の上電極膜８０との界面には、負に帯電した負帯電層７１が設けられ、下電極膜６０との界面には、正に帯電した正帯電層７２が設けられている。即ち、圧電体層７０は、正帯電層７２、圧電体層本体７３、負帯電層７１がこの順で積層されてなるものである。このように圧電体層７０中に正帯電層７２及び負帯電層７１が存在することで、正帯電層７２及び負帯電層７１との間に内部電界が形成される。本実施形態では、この形成された内部電界が下電極膜６０と上電極膜８０との間の印加電圧による電界と同一の方向に形成されるように、正帯電層７２及び負帯電層７１が構成されているので、圧電素子３００の実効電圧を高くすることができる。このため、アクチュエーター装置としての圧電素子の変位特性を向上させることができる。以下、この点について図３を用いて詳細に説明する。図３は、圧電素子における電界を説明するための模式図であり、（ａ）は従来の圧電素子、（ｂ）は本実施形態の圧電素子を示す。なお、本実施形態では、正帯電層７２及び負帯電層７１は電極膜との界面に形成されているが、図３中では説明のため正帯電層７２及び負帯電層７１は電極膜との界面に形成されてはいない。
図３（ａ）に示すように、従来の圧電素子においては、圧電体層７０内に正帯電層７２及び負帯電層７１が設けられていなかった。この場合に、下電極膜６０を陽極とし、上電極膜８０を陰極として電圧を印加すると、各電極膜に電荷が蓄積され、この電荷により、圧電素子には下電極膜６０から上電極膜８０へ向かう電界Ｅ１が形成される。また、圧電体層７０内には、この印加電圧により形成された内部電界Ｅ２が電界Ｅ１とは逆向きに形成されるので、圧電素子に印加される実効電界Ｅは、Ｅ＝Ｅ１−Ｅ２となる。従って、実際に印加される電圧よりも小さな電圧が印加されたことになる。
これに対し、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の圧電素子においては、圧電体層７０内に正帯電層７２及び負帯電層７１が形成されている。この正帯電層７２及び負帯電層７１との間に帯電層による帯電層内部電界Ｅ３が、正帯電層７２から負帯電層７１に向かって形成される。この場合に、下電極膜６０を陽極とし、上電極膜８０を陰極として電圧を印加すると、各電極膜に電荷が蓄積され、この電荷により圧電素子３００には、下電極膜６０から上電極膜８０へ向かう電界Ｅ１が形成される。また、圧電体層７０内には、この印加電圧により形成された内部電界Ｅ２が電界Ｅ１とは逆向きに形成される。さらに、前述した帯電層内部電界Ｅ３が電界Ｅ１と同一の向きに形成されるので、圧電素子３００に印加される実効電界Ｅは、Ｅ＝Ｅ１−Ｅ２＋Ｅ３となる。
このように、本実施形態では、帯電層内部電界Ｅ３の分だけ従来よりも大きな実効電圧を得ることができる。従って、本実施形態の圧電素子３００においては、従来と同一電圧を印加しても従来よりも圧電体層７０に大きな変位を行わせることができ、変位特性が向上している。その結果、本実施形態の圧電素子３００を用いたインクジェット式記録ヘッドは、液体の吐出特性がよい。
以下、負帯電層７１及び正帯電層７２について詳細に説明する。負帯電層７１は、負の電荷が帯電した、即ちドナー性不純物が多く存在することで電子過多な状態となっているものであり、正帯電層７２は、正の電荷が帯電した、即ちアクセプタ性不純物が多く存在することで正孔過多な状態となっているものである。従って、負帯電層７１と正帯電層７２との間には、それぞれに帯電した電荷により電界が形成される。なお、本実施形態で不純物とは、実際に存在する不純物だけでなく、欠損等を含むものである。
負帯電層７１としては、例えば、酸素が圧電体層本体７３より少ない欠損状態で形成されているものが挙げられる。なお、本実施形態では、圧電体層本体７３としてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を用いており、この場合には圧電体層本体７３における組成比は、Ｐｂ：（Ｚｒ＋Ｔｉ）：Ｏ＝（１．０８〜１．２４）：１：（３〜３．５）である。また、負帯電層７１としては、圧電体層本体７３においてはＰｂは二価の鉛イオンとして存在しているが、この二価の鉛イオンを圧電体層本体７３よりも過多とした状態で形成されているものや、この二価の鉛イオンを三価の金属イオン、例えば三価の鉄イオン、三価のアルミニウムイオン等で置換したものが挙げられる。これらは、酸素欠損、過剰な鉛イオン、鉛イオンを置換したものがそれぞれドナー性不純物として機能するので、これらを含んでいる負帯電層７１では、電子を過多とすることができ、その結果、負に帯電している。なお、この負帯電層７１の製造については後述する。
正帯電層７２としては、例えば、酸素が圧電体層本体７３より過多な状態で形成されているものが挙げられる。また、正帯電層７２としては、圧電体層７０においてはＰｂは二価の鉛イオンとして存在しているが、この二価の鉛イオンを圧電体層本体７３よりも少ない欠損状態で形成されているものや、Ｔｉ及びＺｒから選ばれた少なくとも１種を三価以下の金属イオン、例えば三価の鉄イオン、三価のアルミニウムイオン等で置換したもの、さらにＴｉを添加してＴｉ過多としたものが挙げられる。これらは、過剰酸素、鉛欠損、Ｔｉ及びＺｒから選ばれた少なくとも１種を三価以下の金属イオンで置換したもの、及び過剰Ｔｉがそれぞれアクセプタ性不純物として機能するので、これらを含んでいる正帯電層７２では、正孔を過多とすることができ、その結果、正に帯電している。この正帯電層７２の製造については後述する。
図１及び２に戻り、さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、即ち、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバー部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、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の共通のインク室となるリザーバー１００を構成している。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバー１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバー１００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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０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、下電極膜６０を陽極とし、上電極膜８０を陰極として電圧を印加し、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からインク滴が吐出する。この場合に、本実施形態においては、圧電体層７０内に正帯電層７２及び負帯電層７１が形成されていることで、従来と同一の電圧を印加してもより変位量が大きい。
以下、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４〜図９を参照して説明する。なお、図４〜図９は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。
次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金及びイリジウムからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５の全面に亘って形成する。
次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等を用いてもよい。
本実施形態においては、圧電体層７０を形成するにあたり、まず正帯電層７２を形成する。正帯電層７２は、上述のようにアクセプタ性不純物を有するものであり、どのようなアクセプタ性不純物を有するかにより正帯電層７２の形成方法は決定されるが、過剰Ｔｉをアクセプタ性不純物として有する場合について以下説明し、その他のアクセプタ性不純物を有する場合については後述する。
まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上に後述する圧電体前駆体溶液よりもＴｉ含有量の多い正帯電層用溶液を調製し、これを用いて正帯電層膜７４を成膜する。即ち、下電極膜６０が形成された流路形成基板用ウェハー１１０上に金属有機化合物（Ｔｉ有機化合物を含む）を含むゾル（溶液）を塗布する。次いで、所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。
乾燥した後、所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。なお、本実施形態でいう脱脂とは、膜中に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。
次に、再度所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、過剰Ｔｉをアクセプタ性不純物として有する正帯電層膜７４を形成する。そして、図５（ｂ）に示すように、下電極膜６０上に正帯電層膜７４を形成した段階で、下電極膜６０及び正帯電層膜７４を、例えばイオンミリング等のドライエッチングにより同時にパターニングし、正帯電層７２とする。
この下電極膜６０及び正帯電層膜７４をパターニングした後、圧電体層本体７３を形成する。圧電体層本体７３も、上述した正帯電層７２と同様に形成することができるものであり、まず、正帯電層７２を含む流路形成基板用ウェハー１１０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜を成膜する。即ち、金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布し、次いで、この圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜を１７０〜１８０℃で８〜３０分間保持することで乾燥することができる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。
次に、圧電体前駆体膜を酸素雰囲気下（酸素分圧１５〜１００％）で所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７５を形成する。この圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図６（ａ）に示すように複数層の圧電体膜７５を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、圧電体層本体７３上に負帯電層７１となる負帯電層膜７６を形成する。負帯電層７１は、上述のようにドナー性不純物を有するものであり、どのようなドナー性不純物を有するかにより負帯電層膜７６の形成方法は変更されるが、酸素欠損をドナー性不純物として有する場合について以下説明し、その他のドナー性不純物を有する場合については後述する。
本実施形態では、最上層の圧電体膜を形成する際に、圧電体前駆体膜を還元雰囲気（例えば、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）等雰囲気下）で焼成する。これにより、圧電体層の最上層に他の領域（圧電体層本体７３）よりも酸素が欠損した酸素欠損をドナー性不純物として有する負帯電層膜７６を形成することができる。即ち、圧電体膜７５を焼成により形成する際に、圧電体前駆体膜を酸素雰囲気下（酸素分圧１５〜１００％）で焼成すると、上述のように通常のＰＺＴからなる圧電体膜７５が形成されるが、圧電体前駆体膜を酸素を含まない還元雰囲気下（例えば窒素１００％）で焼成すると、酸素が欠損したＰＺＴからなる負帯電層膜７６を形成することができる。なお、負帯電層膜７６には、酸素が全く含有されていない訳ではなく、圧電体前駆体膜を焼成する際に、下地となる圧電体膜７５から酸素が供給され、ある程度は酸素が含有されている。
次に、図７（ａ）に示すように、圧電体層７０上（負帯電層膜７６上）に亘って上電極膜８０を形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体膜７５、負帯電層膜７６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体層７０を有する圧電素子３００を形成する。パターニングには、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングを用いる。
次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の全面に亘ってリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングすることで形成される。
次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合する。
次に、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。
次いで、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５２を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー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、保護基板用ウェハー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ー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、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
このようにして得られた本実施形態のインクジェット式記録ヘッドに対して、駆動電圧（パルス電圧、パルス幅：２００μｓｅｃ、印加電圧：２５Ｖ）を印加して変位測定を実施したところ、５２０ｎｍであった。なお、従来のインクジェット式記録ヘッドに対して同様の駆動電圧を印加して変位測定を実施したところ、４９０ｎｍであった。これにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドによれば、同一の駆動電圧を印加しても３０ｎｍ変位が向上したことが分かる。
以下、正帯電層膜７４におけるその他のアクセプタ性不純物を有する場合の製造方法について以下説明する。
過剰酸素をアクセプタ性不純物として有する正帯電層膜７４を製造するには、圧電体層本体７３を製造する場合において、脱脂温度を、圧電体層本体７３を形成する場合よりも高く（４２０〜５００℃程度）することが挙げられる。一般に、酸素は、圧電体層前駆体における酸素−金属結合が弱いと焼成時に結合がきれて抜け易いので、このように高い温度で脱脂することで、酸素−金属結合を強くして酸素の抜けを抑制して正帯電層膜７４中に酸素を過剰に残すことができる。また、塗布溶液中に溶媒として分子量の大きいポリエチレングリコール（例えば分子量１００００ｇ／ｍｏｌ以上）を用いてもよい。分子量の大きいポリエチレングリコールを用いることで、各処理におけるポリエチレングリコールの分解に時間がかかり、ポリエチレングリコールの成分が正帯電層膜７４中に残り易いので、ポリエチレングリコール中の酸素が膜中に多く残る。その結果、正帯電層膜７４を酸素が多くなるように形成することができる。
鉛欠損をアクセプタ性不純物として有する正帯電層膜７４を製造するには、圧電体前駆体膜を形成する溶液よりも鉛含有量の少ない溶液を調製し、これを用いて正帯電層膜７４を形成することが挙げられる。
Ｔｉ及びＺｒから選ばれた少なくとも１種を三価以下の金属イオンで置換したものをアクセプタ性不純物として有する正帯電層膜７４を製造するには、圧電体前駆体膜を形成する溶液に置換させたい金属イオン（又はこれを含む有機金属化合物など）を添加剤として含有させることが挙げられる。添加剤として金属イオンが含有されていることで、この溶液を用いて正帯電層膜７４を形成することにより、二価の鉛イオンが三価以下の金属イオンで置換される。
また、過剰Ｔｉをアクセプタ性不純物として有する正帯電層膜７４を製造するには、上述したように溶液中にＴｉを過剰に含有させてもよいが、例えばスパッタリング等により薄いＴｉ膜を形成し、このＴｉ膜上に圧電体前駆体膜を形成してもよい。この場合、圧電体前駆体膜はＴｉ膜近傍では過剰Ｔｉを有する正帯電層膜７４となる。さらに、Ｔｉ膜を形成した後に、上述したようにＴｉを過剰に含有させた溶液を用いて正帯電層膜７４を形成してもよい。
負帯電層膜７６におけるその他のドナー性不純物を有する場合の製造方法について以下説明する。
過剰な鉛イオンをドナー性不純物として有する負帯電層膜７６を製造するには、圧電体前駆体膜を形成する溶液よりも圧電体鉛含有量の多い溶液を調製し、これを用いて負帯電層膜７６を形成することが挙げられる。この場合、過剰な鉛の拡散を防ぐべく、上電極膜８０はイリジウム、オスミウム、ルテニウム等の鉛を通しにくい金属を用いて形成し、形成時に加熱処理を行う。
Ｐｂを三価以上の金属イオンで置換したものをドナー性不純物として有する負帯電層膜７６を製造するには、圧電体前駆体膜を形成する溶液に添加剤として置換させたい金属イオンを含有させることが挙げられる。添加剤として金属イオンが含有されていることで、鉛イオンが三価以上の金属イオンで置換された負帯電層膜７６を形成することができる。
このようなインクジェット式記録ヘッドを用いたインクジェット式記録装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。上述の如きインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク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、この記録ヘッドユニット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。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、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、駆動モーター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、記録ヘッドユニット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ー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上を搬送されるようになっている。本実施形態のインクジェット式記録装置は、上述したインクの吐出特性がよいインクジェット式記録ヘッドを用いていることで、印刷特性に優れている。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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。例えば、上述した実施形態１では、負帯電層７１を上電極膜８０側に設けるようにしたが、陰極側に設けられていれば、これに限定されない。例えば、下電極膜６０側を陰極とし、上電極膜８０側を陽極とする場合には、負帯電層７１を圧電体層７０の下電極膜６０側に設け、かつ、正帯電層７２を上電極膜８０側に設けるようにしてもよい。また、このように上述した実施形態とは積層方向が逆になるように形成する場合、例えば、基板上に上電極膜、正帯電層、圧電体層本体、負帯電層及び下電極膜からなる圧電素子を順次積層形成した後、流路形成基板１０上に圧電素子を転写することで形成してもよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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。例えば、上述した実施形態１では、負帯電層７１を上電極膜８０側に設けるようにしたが、陰極側に設けられていれば、これに限定されない。例えば、下電極膜６０側を陰極とし、上電極膜８０側を陽極とする場合には、負帯電層７１を圧電体層７０の下電極膜６０側に設け、かつ、正帯電層７２を上電極膜８０側に設けるようにしてもよい。また、このように上述した実施形態とは積層方向が逆になるように形成する場合、例えば、基板上に上電極膜、正帯電層、圧電体層本体、負帯電層及び下電極膜からなる圧電素子を順次積層形成した後、流路形成基板１０上に圧電素子を転写することで形成してもよい。
また、上記実施形態では、正帯電層７２として過剰Ｔｉを有する層を形成し、負帯電層７１として酸素欠損した層を形成したが、上記したような正帯電層７２及び負帯電層７１の組み合わせはこれに限定されない。さらに、上記実施形態では、圧電体層７０と、上電極膜８０及び下電極膜６０との界面に正帯電層７２及び負帯電層７１を形成したが、上電極膜８０及び下電極膜６０の近傍であれば界面でなくてもよい。また、本実施形態では正帯電層７２及び負帯電層７１はそれぞれ１層のみとしたが、２層以上から構成してもよい。
また、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７５を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７５を形成するようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態１では、基板（流路形成基板１０）上に下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層した圧電素子３００を具備するアクチュエーター装置を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子を具備するアクチュエーター装置にも本発明を適用することができる。
なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレー）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が挙げられる。
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置及びその製造方法に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置及びその製造方法並びにその駆動方法にも適用することができる。
また、上述したインクジェット式記録装置では、ヘッドユニット１Ａ、１Ｂがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッド（又はヘッドユニット）が固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
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 リザーバー部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ７１ 負帯電層、 ７２ 正帯電層、 ７３ 圧電体層本体、 ７４ 正帯電層膜、 ７５ 圧電体膜、 ７６ 負帯電層膜 、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子
Claims (10)
- 液体を噴射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、
該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子は、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記圧電体層の前記陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記圧電体層は、酸化物からなり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも酸素欠陥が多いことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも二価のＰｂイオンが多いことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記負に帯電した領域が、前記圧電体層中の二価のＰｂイオンを三価以上の金属イオンに置換したものからなることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、酸化物からなり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも酸素が多いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、Ｐｂを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりも二価のＰｂイオンが少ないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層中のＺｒ及びＴｉから選ばれた少なくとも一種を三価以下の金属イオンに置換したものからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを少なくとも含んでおり、前記正に帯電した領域が、前記圧電体層の他の領域よりもＴｉが多いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。
- 基板と、陰極及び陽極からなる一対の電極と、該一対の電極に挟まれて変位可能に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層の前記陰極電極の近傍には負に帯電した領域が形成されると共に、前記圧電体層の前記陽極電極の近傍には正に帯電した領域が形成されていることを特徴とするアクチュエーター装置。
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