JP2010241021A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子の変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーターを提供する。
【解決手段】ノズル２１に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板１０と、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、この圧電素子３００が、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層７０と、圧電体層７０の一方の面側に設けられる第１の電極６０と、圧電体層７０の他方の面側に設けられる第２の電極８０とで構成されており、圧電体層７０に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ圧電体層７０の少なくとも第１の電極６０上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいる構成とする。
【選択図】図３
【解決手段】ノズル２１に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板１０と、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、この圧電素子３００が、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層７０と、圧電体層７０の一方の面側に設けられる第１の電極６０と、圧電体層７０の他方の面側に設けられる第２の電極８０とで構成されており、圧電体層７０に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ圧電体層７０の少なくとも第１の電極６０上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいる構成とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、圧電素子の変位によりノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに、圧電素子を具備するアクチュエーターに関する。
液体噴射ヘッドの代表例としては、圧力発生手段によって圧力発生室内に圧力を発生させることで、インクからインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。このインクジェット式記録ヘッドを構成する圧力発生手段としては、例えば、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ圧電素子が挙げられ、この圧電素子を撓み変形させることで圧力発生室内に圧力を付与してノズルからインク滴を噴射させている。
そして、このような圧電素子に用いられる圧電体層としては、例えば、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有し、その元素比（組成比）Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５〜０．８であり、且つその結晶系が単斜晶系であるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、圧電体層として、例えば、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有し、その組成比Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５０程度のときに、その結晶系が正方晶系であるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
ここで、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のペロブスカイト構造を有する材料からなる圧電体層の結晶系は、一般的に、ＴｉとＺｒとの組成比によって決まることが知られている。例えば、バルクのＰＺＴからなる圧電体層の場合、つまり圧電体層に外部応力がかかっておらず、基板等によって拘束もされていない場合、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）がおよそ０．５０以上であると（組成比Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）がおよそ０．５０よりも小さいと）、圧電体層の結晶系は正方晶系となり、それよりも小さいと菱面体晶系或いは単斜晶系となることが知られている。すなわち、ＰＺＴからなる圧電体層における正方晶系と菱面体晶系との結晶相境界（ＭＰＢ）は組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５０近傍に存在することが知られている。
圧電体層の圧電特性は、圧電体層の組成によっても変化するが、圧電体層の結晶系によっても変化する。しかしながら、上述のように圧電素子を構成する圧電体層の結晶系は、通常、圧電体層の組成に依存する。上記特許文献に記載されているように、圧電体層の組成や結晶系は様々提案されているものの、何れも圧電体層の結晶系は圧電体層の組成に依存するものである。また、圧電体層の組成は、例えば、圧電体層の格子定数と下地の格子定数との関係等に制約されるため、その調整範囲は限定され、得られる圧電体層の特性にも限界がある。このため、圧電体層の圧電特性による圧電素子のさらなる変位特性の向上は難しかった。さらに近年、圧電素子の変位特性のさらなる向上が望まれているが、その要望を満たすことが難しくなってきている。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他の液滴を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子においても存在し、さらには、液体噴射ヘッド以外のデバイスに用いられるアクチュエーターにおいても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーターを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて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、該圧電素子が、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられる第１の電極と、前記圧電体層の他方の面側に設けられる第２の電極と、で構成されており、前記圧電体層に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ当該圧電体層の少なくとも前記第１の電極上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、圧電体層の厚さ方向における組成や結晶配向の揺らぎが抑えられて良好な結晶性が得られる。また、下地から応力（引張り応力）を受けることで相転移した正方晶系の結晶を含んでいると、分極回転の効果によって圧電体層の変位も向上する。したがって、圧電素子の変位量等の変位特性を向上することができる。
かかる本発明では、圧電体層の厚さ方向における組成や結晶配向の揺らぎが抑えられて良好な結晶性が得られる。また、下地から応力（引張り応力）を受けることで相転移した正方晶系の結晶を含んでいると、分極回転の効果によって圧電体層の変位も向上する。したがって、圧電素子の変位量等の変位特性を向上することができる。
ここで、前記圧電体層は複数層の圧電体膜が積層されたものであり、前記第１の電極側の少なくとも最外層の前記圧電体膜が正方晶系の結晶を含んでいることが好ましい。これにより、圧電素子の変位特性をより確実に向上することができる。
また前記圧電体層が、ペロブスカイト構造を有する材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されていることが好ましい。圧電体層がこのような材料で形成されている場合には、圧電素子の変位特性が顕著に向上する。
さらに本発明は、上記のような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。かかる本発明では、液滴の噴射特性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
また本発明は、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられる第１の電極と、前記圧電体層の他方の面側に設けられる第２の電極と、で構成される圧電素子を具備し、前記圧電体層に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ当該圧電体層の少なくとも前記第１の電極上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいることを特徴とするアクチュエーターにある。
かかる本発明では、圧電体層の厚さ方向における組成や結晶配向の揺らぎが抑えられて良好な結晶性が得られる。また、下地から応力（引張り応力）を受けることで相転移した正方晶系の結晶を含んでいることで、分極回転の効果によって圧電体層の変位も向上する。したがって、アクチュエーターとしての圧電素子の変位特性を向上することが可能となる。
かかる本発明では、圧電体層の厚さ方向における組成や結晶配向の揺らぎが抑えられて良好な結晶性が得られる。また、下地から応力（引張り応力）を受けることで相転移した正方晶系の結晶を含んでいることで、分極回転の効果によって圧電体層の変位も向上する。したがって、アクチュエーターとしての圧電素子の変位特性を向上することが可能となる。
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。
インクジェット式記録ヘッドを構成する流路形成基板１０は、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、図１及び図２に示すように、複数の圧力発生室１２がその幅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の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバー部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバーの一部を構成する。インク供給路１４は、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持する役割を果たし、本実施形態では、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されている。
また、流路形成基板１０の一方面側には、各圧力発生室１２に連通するノズル２１が列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接合されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、酸化膜からなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１の電極６０と、圧電体層７０と、第２の電極８０とで構成される圧電素子３００が形成されている。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を複数の圧電素子３００に共通する共通電極とし、他方の電極を圧電体層７０と共に各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして個別電極としている。本実施形態では、第１の電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２の電極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。
なお、このような圧電素子３００と、圧電素子３００の駆動により変位が生じる部分である振動板とを合わせてアクチュエーターと称する。上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１の電極６０が振動板として作用するが、振動板の構成は、特に限定されず、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１の電極６０のみが振動板として機能するようにしてもよい。また、例えば、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。
ここで、第１の電極６０は、本実施形態では、絶縁体膜５５上に形成された導電層６１と、導電層６１上に形成された、例えば、金（Ａｕ）等からなる配向制御層６２とで構成されている。
圧電体層７０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、例えば、ペロブスカイト構造を有し金属としてＺｒやＴｉを含む強誘電体材料、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からなる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）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）等が挙げられる。これらをＰＺＴ系圧電体層と称する。
そして、圧電体層７０の少なくとも配向制御層６２上に形成された部分は、本実施形態では、ＳＲＯからなる配向制御層６２の結晶配向の影響を受けて結晶面方位が（１００）に配向している。つまり圧電体層７０は、配向制御層６２上にエピタキシャル成長して結晶面方位が（１００）に配向している。
また、圧電体層７０は、ジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）との組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ正方晶系の結晶を含んでいる。ペロブスカイト構造を有する材料からなる圧電体層は、一般的に、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）がおよそ０．５以上であるとその結晶は正方晶系となり、それよりも小さいと菱面体晶系となることが知られている。つまり、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満である場合、本来は菱面体晶系の結晶を含む膜となるが、本発明に係る圧電体層７０は、菱面体晶系の結晶ではなく正方晶系の結晶を含んだ膜となっている。
ここで、このように圧電体層７０に含まれる正方晶系の結晶とは、具体的には、圧電体層７０が下地層から受ける応力によって相転移したものである。例えば、本実施形態では、圧電体層７０が下地層から所定の強さの引張り応力を受けるようにすることで、菱面体晶系の結晶などを正方晶系に相転移させている。すなわち、本実施形態に係る圧電体層７０は、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が、例えば、バルクの圧電体層のように下地層から応力を受けていない状態での結晶相境界（ＭＰＢ）よりも大きく且つ主に正方晶系の結晶を含んだ膜となっている。なお圧電体層７０の下地層とは、圧電体層７０よりも流路形成基板１０側の層であり、配向制御層６２（第１の電極６０）だけでなく、絶縁体膜５５等も含まれる。
本実施形態では、下地層として圧電体層７０よりも格子定数の大きい材料である金（Ａｕ）からなる配向制御層６２を設け、この配向制御層６２上に圧電体層７０を形成することで、これら配向制御層６２と圧電体層７０との格子定数の不整合（ミスフィット）によって圧電体層７０が下地層から所定の強さの引張り応力を受けるようにしている。配向制御層６２を構成する金（Ａｕ）の格子定数は４．０７Åであり、格子定数が４．００Å程度であるＰＺＴに比べて大きい。このため、圧電体層７０は配向制御層６２から所定の強さの引張り応力を受けることになり、その結果、圧電体層７０は主に正方晶系の結晶を含む膜となる。
なお、ここでいう「格子定数」とは、圧電体層７０の第１の電極６０との界面に沿った方向（ａ軸或いはｂ軸方向）の格子定数である。
本実施形態にかかる圧電体層７０は、図３に示すように、複数層（本実施形態では１２層）の圧電体膜７１を積層することによって形成されている。このように圧電体層７０が複数の圧電体膜７１で構成されている場合には、少なくとも第１の電極６０側の最外層の圧電体膜７１ａが、主に正方晶系の結晶で構成されていることが好ましい。特に、圧電体層７０の厚さ方向における１／３程度が、主に正方晶系の結晶で構成されていることが好ましい。例えば、本実施形態の構成では、Ａｕからなる配向制御層６２を設けた結果、第１の電極６０側の４層程度の圧電体膜７１ａ〜７１ｄが、主に正方晶系の結晶を含んでいる。
そして、圧電素子３００がこのような圧電体層７０を具備していることで、圧電素子３００の変位量等の変位特性を大幅に向上することが可能となる。圧電体層７０の組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５０未満であると、圧電体層の厚さ方向における組成や結晶配向の揺らぎが抑えられ、良好な結晶性が得られる。また、圧電体層７０が正方晶系の結晶を含んでいることで、分極回転の効果によって圧電体層７０の変形量が向上する。特に、最外層の圧電体膜７１ａが主に正方晶系の結晶を含んでいることで、圧電体層７０の変形量は向上し易い。圧電体膜７１ａは、配向制御層６２に固定されているため圧電体層７０内で最も大きな引張り応力を下地層から受ける。このような圧電体膜７１ａに含まれる正方晶系の結晶は、初期状態では面内方向に配向（ａ軸配向）しているが、電界を印加することで分極回転の効果によって圧電体層７０の厚さ方向に配向（ｃ軸配向）に変化する。このようにｃ軸配向となったときに圧電体層７０の変形量は最も大きくなるが、分極回転による変位は通常は一過性に終わり、繰り返し利用することはできない。
しかしながら、圧電体層７０（特に圧電体膜７１ａ）が下地層から引張り応力を受けていることで、電界解除後の回転した分極、すなわち圧電体層７０の変位が初期状態に戻される。このため、回転分極による変位を繰り返し利用して、圧電素子３００の変位量を向上させることができる。したがって、例えば、噴射するインク滴の重量を増加させることができ、且つ調整可能なインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
ところで、先行技術文献として挙げた特許文献２には、圧電体層のＺｒ／Ｔｉ組成が３０／７０〜５５／４５であれば（組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４５〜０．７０であれば）、圧電体層の結晶を正方晶系とすることができることが記載されている。この特許文献２の記載から、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満であり正方晶系の結晶を含む圧電体層を形成できることは示唆されるかもしれない。しかしながら、本願発明は、圧電体層が、単に、正方晶系の結晶を含んでいることに特徴があるのではなく、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいることに特徴がある。そして、このように圧電体層に含まれる正方晶系の結晶が、圧電体層が下地層から受ける応力によって相転移したものであることは特許文献２には開示も示唆もされていない。つまり本願発明は、特許文献２に記載の構成とは全く相違するものである。
ヘッドの構成の説明に戻り、圧電素子３００の個別電極である各第２の電極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、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための空間である圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合されている。また、保護基板３０には、リザーバー部３２が設けられており、このリザーバー部は、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が設けられており、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、この貫通孔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、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。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３２の一方面が封止されている。固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。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となっており、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。
上記のような構成の本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部の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２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路（図示なし）からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応する各圧電素子３００に電圧を印加して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２１からインク滴が噴射される。
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の一例、具体的には、アクチュエーターを構成する圧電素子３００の製造方法の一例について説明する。図４〜図６は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、例えば、シリコン基板である流路形成基板１０を熱酸化することにより、流路形成基板１０の表面に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる弾性膜５０を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５を１００〜５００ｎｍ程度の厚さで形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５上に第１の電極６０を形成する。具体的には、まず絶縁体膜５５上に、例えば、スパッタリング法により白金（Ｐｔ）、（Ｉｒ）等からなる導電層６１を２０〜８０ｎｍ程度の厚さで形成する。さらに、この導電層６１上に、例えば、スパッタリング法により、例えば、金（Ａｕ）からなる電極を兼ねた配向制御層６２を５〜２０ｎｍ程度の厚さに形成する。なお、本実施形態では、第１の電極６０が、導電層６１と、金からなる配向制御層６２とで構成されているが、勿論、第１の電極６０は金からなる配向制御層６２のみで構成されていてもよい。また金以外にも、結晶系が細密立方晶系で格子定数が４．０７８Åである銀（Ａｇ）も好適である。またルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）も格子定数が４．０１Åであり、ＰＺＴ系圧電体層の相転移に効果を有する。
次に、圧電体層７０を形成する。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、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法や、スパッタリング法等を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図５（ａ）に示すように、第１の電極６０上に圧電体層７０の前駆体膜である圧電体前駆体膜７２を成膜する。すなわち、配向制御層６２上にＴｉ及びＺｒを含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７２を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、圧電体前駆体膜７２を１５０〜１７０℃で５〜１０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７２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（脱脂工程）。例えば、圧電体前駆体膜７２を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約５〜１０分間保持することで脱脂できる。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７２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。また、脱脂工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７２を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、１層目の圧電体膜７１ａを形成する（焼成工程）。具体的には、例えば、圧電体前駆体膜７２を６５０〜８００℃で５〜３０分間加熱して圧電体膜７１ａを形成する。なおその際の昇温レートは１５℃／ｓｅｃ以下とすることが好ましい。
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の電極６０（配向制御層６２）上に１層目の圧電体膜７１ａを形成した段階で、第１の電極６０及び１層目の圧電体膜７１ａを同時に所定形状にパターニングする。次いで、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回繰り返し、図５（ｄ）に示すように、１層目の圧電体膜７１ａ上を含む流路形成基板１０上に、２層目〜４層目の圧電体前駆体膜７２を形成する。そして、これら複数層の圧電体前駆体膜７２を同時に加熱して結晶化させ圧電体膜７１ｂ〜７１ｄを形成する（焼成工程）。その後は、このように複数層の圧電体前駆体膜７２を形成する工程と、これら複数層の圧電体前駆体膜７２を結晶化させる工程を、複数回繰り返すことによって、複数層（本実施形態では、１２層）の圧電体膜７１からなる圧電体層７０を形成する。
そして、このように形成された圧電体層７０の配向制御層６２に形成された部分は、下地層である配向制御層６２との格子定数の不整合により、配向制御層６２から所定の強さの引張り応力を受けている。これにより、圧電体層７０は、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満であるが、正方晶系の結晶を含む膜となる。なお、圧電体層７０が受ける引張り応力の強さは、例えば、配向制御層６２の材料によって調整することができる。配向制御層６２の材料としては、例えば、金、銀の他に、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）や、クロム（Ｃｒ）等を用いることができる。なお、配向制御層６２がＺｒやＣｒからなる場合には、圧電体層７０は、配向制御層６２の結晶配向の影響を受けて結晶面方位が（１１１）に配向する。
その後、図６（ａ）に示すように、圧電体層７０上に、例えば、イリジウム（Ｉｒ）等からなる第２の電極８０を形成した後、図６（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び第２の電極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。
上述のように本実施形態では、配向制御層６２と圧電体層７０との格子定数の不整合によって、圧電体層７０が配向制御層６２から引張り応力を受けるようにしたが、例えば、第１の電極６０や絶縁体膜５５等の下地層を圧電体層７０の線膨張係数よりも小さい所定材料で形成することによっても、圧電体層７０を焼成後の冷却過程で、圧電体層７０がこれらの下地層から所定の強さの引張り応力を受けるようになる。したがって、圧電素子３００を製造するに際し、例えば、第１の電極６０、絶縁体膜５５等の圧電体層７０の下地層の材料や厚さ、圧電体層７０の組成、さらには焼成温度等の製造条件を適宜変更することで、圧電体層７０が下地層から受ける引張り応力の強さを調整することができる。すなわち、このように圧電体層７０が下地層から受ける引張り応力の強さを適宜調整することによっても、圧電体層７０を、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満であっても、正方晶系の結晶を含む膜とすることができる。
ここで、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）を変化させた以外は製造条件を一定として圧電体層７０を製造したときの、圧電体層７０の格子定数の変化について説明する。図７は、圧電体層の組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）と格子定数との関係を示すグラフである。
なお圧電体層の格子定数は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ法）のアウトプレーン、インプレーンの２つの測定手段による測定結果に基づく。また圧電体層７０は次のように形成した。まずは、基板上に酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５を３００ｎｍ程度の厚さで形成する。次いで、絶縁体膜５５上に、スパッタリング法により白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）を下層側から積層して導電層６１を形成する。導電層６１の膜厚はＩｒ/Ｐｔ＝１０/５０ｎｍである。さらに、この導電層６１上に、イオンビームアシストスパッタリング法により、金（Ａｕ）からなる配向制御層６２を１０ｎｍ程度の厚さに形成する。イオンビームアシスト法を用いることで、膜厚方向に金結晶を（１００）面配向させた。そして、この配向制御層６２上に、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、その後４００℃でゲル化させ、さらに７５０℃のＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）で焼成することで、金属酸化物からなる圧電体層７０を形成した。
図７のグラフに示すように、圧電体層７０の組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０付近までは結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数がほぼ一定（ａ＝ｂ＝ｃ）となっており、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）がそれよりも大きくなるとａ軸及びｂ軸の格子定数とは異なるｃ軸の格子定数が出現している（ａ＝ｂ＜ｃ）。この結果から、圧電体層７０の組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０付近までは圧電体層７０が主に菱面体晶系の結晶を含んだ膜となっており、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）がそれよりも大きくなると、圧電体層７０が主に正方晶系の結晶を含んだ膜となっていることが分かる。すなわちこの結果から分かるように、圧電体層７０が下地層から受ける引張り応力の強さを調整することで、組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満であり且つ正方晶系の結晶を含む圧電体層７０を形成することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、勿論、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、第１の電極６０として配向制御層６２を設け、圧電体層７０がこの配向制御層６２からも引張り応力を受けるようにしたが、勿論、第１の電極６０を構成する導電層６１や絶縁体膜５５等の材料や、各種製造条件を変更することで、圧電素子７０が所望の引張り応力を受けるようにすることができれば、配向制御層６２は設けられていなくてもよい。また、例えば、絶縁体膜５５と第１の電極６０との間にさらに別の層を形成することで、圧電体層７０が受ける引張り応力の強さを調整するようにしてもよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、勿論、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、第１の電極６０として配向制御層６２を設け、圧電体層７０がこの配向制御層６２からも引張り応力を受けるようにしたが、勿論、第１の電極６０を構成する導電層６１や絶縁体膜５５等の材料や、各種製造条件を変更することで、圧電素子７０が所望の引張り応力を受けるようにすることができれば、配向制御層６２は設けられていなくてもよい。また、例えば、絶縁体膜５５と第１の電極６０との間にさらに別の層を形成することで、圧電体層７０が受ける引張り応力の強さを調整するようにしてもよい。
また、例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、流路形成基板１０の材料は、圧電体層７０が受ける応力を考慮して適宜決定されればよく、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等を用いてもよい。
なお上述した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。図８に示すように、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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
また上述した実施形態では、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録ヘッド及び液体噴射装置を挙げて本発明を説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド及びそれを具備する液体噴射装置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。
なお、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だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエーターにも適用することができる。
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ４１ 封止膜、 ４２ 固定板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１の電極、 ６１ 導電層、 ６２ 配向制御層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２の電極、 ９０ リード電極、 ３００、 圧電素子
Claims (6)
- 液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて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、
該圧電素子が、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられる第１の電極と、前記圧電体層の他方の面側に設けられる第２の電極と、で構成されており、
前記圧電体層に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ当該圧電体層の少なくとも前記第１の電極上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記圧電体層は複数層の圧電体膜が積層されたものであり、前記第１の電極側の少なくとも最外層の前記圧電体膜が正方晶系の結晶を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層が、ペロブスカイト構造を有する材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載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。
- チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、該圧電体層の一方の面側に設けられる第１の電極と、前記圧電体層の他方の面側に設けられる第２の電極と、で構成される圧電素子を具備し、
前記圧電体層に含まれるジルコニウムとチタンとの組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４０以上０．５０未満の範囲であり且つ当該圧電体層の少なくとも前記第１の電極上に形成された部分が、下地層から受ける応力によって相転移した正方晶系の結晶を含んでいることを特徴とするアクチュエーター。
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