JP2011091234A

JP2011091234A - 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

Info

Publication number: JP2011091234A
Application number: JP2009244172A
Authority: JP
Inventors: Kinzan Ri; 欣山李
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】変位特性が良好で、耐電圧が高い液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置を提供する。
【解決手段】圧電素子３００は、第１電極６０と、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み、菱面体晶系の結晶構造を有する圧電体層７０と、圧電体層７０の第１電極６０とは反対側に形成された第２電極８０と、を具備し、圧電体層７０は、ニッケル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加されている添加層７２と添加物が添加されていない無添加層７５との積層体からなり、添加層７２は、無添加層７５の第１電極６０側及び第２電極８０側の少なくとも一方に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を噴射する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装
置に関し、特にインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録
装置並びに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で構成し、この振動板を下電極と上電極とを有する圧電素子に
より変形させて圧力発生室のインクを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。また、このようなインクジェット式記録ヘッドには、
圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードのアクチュエーター装置を使用したもの
と、たわみ振動モードのアクチュエーター装置を使用したものの２種類が実用化されてい
る。

たわみ振動モードのアクチュエーター装置を使用したものとしては、例えば、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
フィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて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ある。

近年、液体噴射ヘッドの小型化に伴い、圧電素子の変位を高くすることが求められてい
る。

しかしながら、従来の圧電素子は耐電圧が低く、変位を大きくするために印加できる電
圧が制限されてしまうという問題があった。

そこで、本出願人は、マンガン、ニッケル及びストロンチウムからなる群から選択され
る少なくとも１つの添加物を有する圧電体層を設けた圧電素子を提案している（特許文献
１参照）。

特開２００６−３０３４２６号公報

特許文献１に記載の圧電素子は、耐電圧が高く耐久寿命の長いものであるが、さらに変
位特性に優れたものが求められている。

このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射
する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。また液体噴射ヘッドだけでなく、圧電素
子を具備するアクチュエーター装置においても、このような問題は同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、変位特性が良好で、耐電圧が高い液体噴射ヘッド、液
体噴射装置及びアクチュエーター装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力
発生室が並設された流路形成基板と、前記流路形成基板の上方に設けられた圧電素子とを
備え、圧電素子の変形によってノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子は、第１電極と、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み菱面体晶系の結晶構造
を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を
具備し、前記圧電体層は、ニッケル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加
されている添加層と前記添加物が添加されていない無添加層との積層体からなり、前記添
加層は、前記無添加層の前記第１電極側及び前記第２電極側の少なくとも一方に形成され
ていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、無添加層により圧電体層の変位特性を確保しつつ、所定の添加
物が添加されている添加層により、圧電体層の耐電圧を高くすることができる。すなわち
、変位特性が良好で、耐電圧が高いものとすることができ、駆動の際にクラックが発生し
にくく、信頼性の高い液体噴射ヘッドとすることができる。

また、前記添加層は、マンガンがさらに添加されているのが好ましい。これによれば、
さらに耐電圧を向上させることができる。

前記添加層における前記添加物の含有量は、１０ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。こ
れによれば、さらに変位特性が良好なものとすることができる。

前記添加層の厚さが、前記圧電体層の厚さの２０％以下であるのが好ましい。これによ
れば、さらに変位特性が良好なものとすることができる。

前記添加層は、前記添加物の添加濃度が均一であるのが好ましい。低コストで、変位特
性が良好で耐電圧が高いものとすることができる。

本発明の他の態様は、上記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。
かかる態様では、信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。

さらに、本発明の他の態様は、第１電極と、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み菱面体
晶系の結晶構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された
第２電極と、からなる圧電素子を具備し、前記圧電体層は、ニッケル及びストロンチウム
の少なくとも一方の添加物が添加されている添加層と、前記添加物が添加されていない無
添加層との積層体からなり、前記無添加層の前記第１電極側及び前記第２電極側の少なく
とも一方に、前記添加層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にある
。
かかる態様では、無添加層により圧電体層の変位特性を確保しつつ、所定の添加物が添
加されている添加層により、圧電体層の耐電圧を高くすることができる。すなわち、変位
特性が良好で、耐電圧が高いものとすることができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの圧電素子及び圧力発生室の要部断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図。実施形態１に係る記録装置の概略構成を示す斜視図。他の実施形態に係る記録ヘッドの圧電素子及び圧力発生室の要部断面図。

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、流路形成基板の平面図及びそのＡ−
Ａ′断面図であり、図３は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、
その一方の面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、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
３１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、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、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している。なお、本実施形態では
、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞
ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向か
ら絞ることでインク供給路を形成してもよい。

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。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又はステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、弾性膜
５０が形成され、この弾性膜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、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極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、第１
電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３０
０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を各圧力発生室１２
毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通
電極とし、第２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。

ここで、圧電素子３００を所定の基板上に設け、当該圧電素子３００を駆動させる装置
をアクチュエーター装置と称する。本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１
電極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、第１電極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く、この
場合は、圧電素子３００がアクチュエーター装置となる。

図２及び図３に示すように、本実施形態の圧電体層７０は、チタン、ジルコニウム及び
鉛を含み菱面体晶系の結晶構造を有するものであり、ニッケル及びストロンチウムの少な
くとも一方の添加物が添加されている添加層７２と、添加物が添加されていない無添加層
７５とからなる。

上述したように、圧電体層７０は、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み菱面体晶系の結
晶構造を有するものであり、ペロブスカイト構造の結晶膜が挙げられる。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、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ
）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７
０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなるものとした。また、圧電体層７０は、Ｐ
ｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＴｉ（チタン）を含む材料からなり、焼成後の組成
比がＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．０〜１．３となるようにするのが好ましい。すなわち、
圧電体層７０には、余剰鉛が３０％以下含有されているのが好ましい。これにより、余剰
鉛が粒界に集まってリーク電流が大きくなるのを防止して、所定のリーク電流にすること
ができる。

添加層７２は、ニッケル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加されてい
るものであり、これに加えてさらにマンガンが添加物として添加されていてもよい。添加
層７２は、所定の添加物が添加されていることで、電気抵抗率、比誘電率、残留分極強度
、抗電界などが所定の値となると共に、耐電圧が高いものとなるが、十分な変位特性が得
られない。ここで、添加層７２の変位特性について、ニッケルを添加したものを例に挙げ
て説明する。表１に、ニッケルの添加量を変化させた際の添加層７２の圧電係数ｄ３１の
値を示す。なお、圧電定数ｄ３１は、ひずみ易さの指標となるものである。

表１に示すように、添加物（ここではＮｉ）を添加することにより、添加物を添加しな
いものと比較して、圧電係数ｄ３１が低下して変位特性が低下する傾向にあり、添加物の
添加量が増加すると圧電係数ｄ３１が大きく低下してしまう。本実施形態の圧電体層７０
は、添加層７２と無添加層７５とを具備することにより、添加層７２により耐電圧を高く
すると共に、無添加層７５により変位特性を確保することができ、耐電圧が高く、変位特
性が良好なものとなる。

また、添加層７２の厚さは、圧電体層７０の厚さの２０％以下であるのが好ましく、さ
らに好ましくは５〜１５％である。二層の添加層７２を設ける場合は、その合計の厚さが
圧電体層７０の厚さの２０％以下であるのが好ましい。添加層７２の厚さが、圧電体層７
０の厚さの２０％以下であると、圧電体層７０は、変位特性の低下がほとんどないものと
することができる。圧電体層７０の厚さの８０％以上で良好な変位特性を確保しつつ、厚
さの２０％以下で耐電圧を高くすることにより、より変位特性が良好で、耐電圧が高いも
のとすることができる。

ここで、添加層における各添加物の含有量及び添加層の膜厚を変化させた際の圧電体層
の耐電圧を表２に示す。

表２に示すように、ニッケル（Ｎｉ）、又はストロンチウム（Ｓｒ）及びマンガン（Ｍ
ｎ）が添加された添加層、及び無添加層からなる圧電体層（サンプル２〜１２）は、添加
物を添加していない無添加層のみからなる圧電体層（サンプル１）と比較して耐電圧が高
くなる。ニッケルが添加された添加層を有する圧電体層も、ストロンチウム及びマンガン
が添加された添加層を有する圧電体層も、圧電体層における添加層の膜厚が大きくなるに
つれて、耐電圧が高くなる。また、ニッケルが添加された添加層を有する圧電体層も、ス
トロンチウム及びマンガンを添加した添加層を有する圧電体層も、添加層の膜厚が同じ場
合、それぞれ添加物の含有量（ｍｏｌ％）が増加すると耐電圧が高くなる。

添加層７２における添加物の含有量は、１０ｍｏｌ％以下であるのが好ましく、さらに
好ましくは１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％である。添加層７２に２つの添加物を添加する場合
は、添加層７２における添加物の総含有量が、１０ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。添
加層７２における添加物の含有量が、１０ｍｏｌ％以下であると、圧電体層７０は、変位
特性の低下がほとんどないものとすることができる。なお、添加物の含有量が多くなりす
ぎると、圧電体層７０の変位特性が低下してしまう虞がある。また、添加物の含有量が少
なくなりすぎると、十分な効果が得られなくなってしまう虞がある。

本実施形態では、圧電体層７０は、所定の添加物が添加された添加層７２、添加物の添
加されていない無添加層７５を第１電極６０側から順に積層したもの、すなわち、添加層
７２を、無添加層７５の第１電極６０側に設けたものとした。添加層７２は、無添加層７
５の第１電極６０側及び第２電極８０側のいずれに設けても耐電圧は変わらないが、無添
加層７５の第１電極６０側に設ける場合、無添加層７５の第２電極８０側に設ける場合と
比較して、変位特性がより良好なものとなる。

さらに、圧電体層７０の厚さは、十分な変位特性を呈する程度にする。例えば、圧電体
層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成するのが好ましく、本実施形態では、１．１μｍと
した。

そして、圧電素子３００の個別電極である各第２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、すなわち、第１電極６０
、絶縁体膜５５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を構成しているが、流路
形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバー部３１のみ
をリザーバーとしてもよい。また、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設
け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁
体膜５５）にリザーバー１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設け
るようにしてもよい。

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。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例え
ば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板
１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

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１２
０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、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１
００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２
１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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性
膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。

ここで、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６を参照して説明
する。なお、図４〜図６は、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、流路形成基板１０が複数一体的に形成されるシリコン
ウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリ
コン（ＳｉＯ_２）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、例えば、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、絶縁体膜５５上の全面に第１電極６０を形成すると
共に、所定形状にパターニングする。第１電極６０の形成方法は特に限定されないが、例
えば、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、物理蒸着法（ＰＶＤ法）などが挙げ
られる。この第１電極６０の材料は、特に限定されず、白金、イリジウム、これらの材料
以外の金属又は金属酸化物を用いることができる。本実施形態のように圧電体層７０とし
てチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化
が少ない材料であることが望ましいため、第１電極６０の材料としては白金、イリジウム
等が好適に用いられる。

そして、第１電極６０上に、所定の添加物が添加された添加層７２と、添加物が添加さ
れていない無添加層７５とからなる圧電体層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を形成した。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。

このような圧電体層７０の材料は、チタン、ジルコニウム及び鉛を含むものであり、本
実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成した。この圧電体層７０は、ニッ
ケル（Ｎｉ）及びストロンチウム（Ｓｒ）の少なくとも一方の添加物が添加された添加層
７２と、添加物が添加されていない無添加層７５とからなる。これにより、耐電圧が高く
、変位特性の良好なものとすることができる。なお、本実施形態では、添加層７２は添加
物の添加濃度が均一となるようにした。

圧電体層７０の具体的な形成手順は、図５（ａ）〜（ｃ）に示す通りである。まず、図
５（ａ）に示すように、第１電極６０上に添加層前駆体膜（圧電体前駆体膜）７１を成膜
する。具体的には、第１電極６０が形成された流路形成基板１０上に、金属有機化合物を
含むゾル（溶液）に、硝酸ニッケル及び硝酸ストロンチウムの少なくも１つと、必要に応
じて硝酸マンガンとを混ぜた塗布液を塗布する。このように、硝酸ニッケル、硝酸ストロ
ンチウム、硝酸マンガン等をゾルに混ぜることで、詳しくは後述するが、焼成により、ニ
ッケル、ストロンチウム、マンガン等が存在する添加層７２が形成される。なお、添加層
７２に添加したい添加物に応じて、ゾルに混合する物質（硝酸ニッケル、硝酸ストロンチ
ウム、硝酸マンガン）は適宜選択する（塗布工程１）。

次いで、この添加層前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程
）。次に、乾燥した添加層前駆体膜７１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）。なお、ここでいう脱脂とは、添加層前駆体膜７１に含まれる
有機成分を、例えば、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。

次に、添加層前駆体膜７１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、添加層（圧電体膜）７２を形成する（焼成工程）。焼成工程では、添加層前駆体膜
７１を６００〜８００℃で１〜６０分加熱するのが好ましく、本実施形態では、７００℃
で３０分加熱するようにした。また、焼成工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以下と
するのが好ましい。このように、添加層７２を焼成により形成する際には、添加層前駆体
膜（圧電体前駆体膜）７１を３０分以上加熱するのが好ましい。これにより優れた特性の
添加層７２を得ることができる。以下、塗布工程１、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を
添加層膜形成工程とする。

なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例
えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Rapid Thermal An
nealing）装置などを用いることができる。

そして、図５（ｂ）に示すように、添加層７２上に、無添加層前駆体膜（圧電体前駆体
膜）７３を成膜する。具体的には、添加層７２上に、金属有機化合物を含むゾル（溶液）
を塗布する（塗布工程２）。このとき、ゾルには硝酸ストロンチウム及び硝酸マンガン等
を混合しないようにする。その後は、同様に乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を行うこと
により、無添加層膜７４を得ることができる。塗布工程２、乾燥工程、脱脂工程及び焼成
工程からなる無添加層膜形成工程を複数回、本実施形態では９回繰り返すことで、図５（
ｃ）に示すように、９層の無添加層膜７４からなる所定厚さの無添加層７５を形成する。
これにより、添加層７２と、無添加層７５からなる圧電体層７０となる。例えば、ゾルの
１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ
程度となる。

なお、実際には、１層目の無添加層膜７４を形成した後、その後２層目以降は、塗布工
程、乾燥工程及び脱脂工程を３回行った後、３層ずつ焼成することで形成する。すなわち
、９層の無添加層膜７４からなる無添加層７５は、３回焼成することで形成することがで
きる。そして、このような圧電体層７０の総焼成時間は、３時間以下とするのが好ましい
。これにより優れた特性の圧電体層７０を形成することができる。なお、添加層の膜厚及
び無添加層の膜厚は、添加層膜形成工程、無添加層膜形成工程それぞれの回数を調整する
ことにより、調整することができる。

そして、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程によって圧電体層７０を形成した後は、図
６（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる第２電極８０を形成する。そして、
図６（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び第２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。圧電体層７０及び第２電極８０の
パターニングとしては、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
ッチングが挙げられる。

次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（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、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜を形成後、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毎に金
属膜をパターニングすることでリード電極９０が形成される。

そして、図示しないが、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を接着剤３５によって接
合する。なお、保護基板３０には、リザーバー部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成
されている。また、保護基板３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単
結晶基板からなり、保護基板３０を接合することで流路形成基板１０の剛性は著しく向上
することになる。その後、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さにする。

次いで、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜を新たに形成し、所定形状にパター
ニングする。そして、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜を介して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３
００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の圧力発生室１２が開口する面側のマスク膜
を除去し、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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にコンプライアンス基板４０を
接合し、これら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上述した構造のインクジェット式記録ヘ
ッドが製造される。

また、これらのインクジェット式記録ヘッド１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７は、そのインクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図である。

図７に示すように、本実施形態の液体噴射装置であるインクジェット式記録装置Ｉは、
例えば、ブラック（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）等の複数の異
なる色のインクが貯留される貯留室を有するインクカートリッジ（液体貯留手段）２が装
着されたインクジェット式記録ヘッド１（以下、記録ヘッド）を具備する。記録ヘッド１
はキャリッジ３に搭載されており、記録ヘッド１が搭載されたキャリッジ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。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、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、図示しない給紙装置等
により給紙された紙等の被記録媒体Ｓがプラテン８上を搬送されるようになっている。

以上説明したように、本発明では、圧電素子３００を構成する圧電体層７０を、ニッケ
ル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加されている添加層７２と、添加物
が添加されていない無添加層７５とからなるものとすることにより、耐電圧が高く、変位
特性の高いものとなる。これにより、駆動の際にクラックが発生しにくく、信頼性の高い
液体噴射ヘッドとすることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定される
ものではない。

実施形態１では、圧電体層７０は、第１電極６０側から添加層７２、無添加層７５を順
に積層したものとしたが、これに限定されず、無添加層、添加層の順に第１電極６０側か
ら順に積層してもよい。すなわち、無添加層の第２電極８０側に添加層を設けるようにし
てもよい。

また、図８に示すように、圧電体層７０Ａは、第１電極６０側から順に、添加層７２、
無添加層７５、添加層７２Ａを積層してもよい。すなわち、無添加層の第１電極６０側と
第２電極８０側のそれぞれに、添加層を設けてもよい。圧電体層において、添加層を二層
設ける場合は、その合計の厚さが圧電体層７０の厚さの２０％以下であるのが好ましい。
添加層７２の厚さが、圧電体層７０の厚さの２０％以下であると、圧電体層７０は、変位
特性の低下がほとんどないものとすることができる。

また、圧電体層７０の形成方法は、上述した形成方法に限定されるものではない。圧電
体層７０は、スパッタリング法により製造してもよく、例えば、マルチチャンバー型のス
パッタリング装置を用いて形成することができる。実施形態１の圧電体層７０を形成する
場合は、ニッケル、ストロンチウム、マンガン等の添加物を添加したチタン酸ジルコン酸
鉛ターゲットを所定の厚さまでスパッタリングして添加層７２を成膜した後、添加物を添
加していないチタン酸ジルコン酸鉛ターゲットをスパッタリングして無添加層７５を成膜
することにより、添加層７２、無添加層７５からなる圧電体層７０を形成することができ
る。

圧電体層７０が、第１電極側から無添加層、添加層を順に積層したものである場合、添
加物を含まないチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる層をゾル−ゲル法等により形成
した後、イオン注入法で添加物を添加してもよい。なお、イオン注入法は、半導体に対し
て不純物をドープする際に広く行われている方法であって、ドープする不純物に付与する
加速エネルギーを変化させることで注入深さを変化させることができる。したがって、チ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる層の表面側から、所望の深さまで添加物（ニッケ
ル、ストロンチウム、マンガン等）をドープすればよい。

また、実施形態１では、添加層７２において添加物の添加濃度が均一となるようにした
が、添加層において添加物の添加濃度が傾斜的となるようにしてもよい。添加物の添加濃
度を傾斜的とする場合は、電極側（第１電極６０又は／及び第２電極８０）の添加濃度が
高くなるようにするのが好ましい。この場合も同様に、無添加層の第１電極６０側と第２
電極８０側それぞれに、添加層を設けてもよい。添加物の添加濃度が傾斜的な添加層と、
無添加層とからなる圧電体層を形成するには、例えば、マルチチャンバー型のスパッタリ
ング装置を用いることができる。まず、添加物を添加したチタン酸ジルコン酸鉛ターゲッ
トと、添加物を添加していないチタン酸ジルコン酸鉛ターゲットとを同時にスパッタリン
グして、添加物の添加濃度が傾斜的となる添加層を形成する。このとき、補助ターゲット
に印加している電圧を増減することにより、添加濃度を調整する。その後は、添加物を添
加していないチタン酸ジルコン酸鉛ターゲットをスパッタリングして無添加層を形成すれ
ばよい。

また、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、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス基板、ＭｇＯ基板等においても
本発明は有効である。また、振動板の最下層に二酸化シリコンからなる弾性膜５０を設け
るようにしたが、振動板の構成は、特にこれに限定されるものではない。

また、上述したインクジェット式記録装置では、インクジェット式記録ヘッド１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１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、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができ
る。

なお、上述の実施形態では、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
る圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子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、１３連通部、１４インク供給路、
１５連通路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３
１リザーバー部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜
、６０第１電極、７０圧電体層、７２，７２Ａ添加層、７５無添加層、
８０第２電極、９０リード電極、１００リザーバー、１１０流路形成基
板用ウェハー、１２０駆動回路、１２１接続配線、３００圧電素子

Claims

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が並設された流路形成基板と、前記流路
形成基板の上方に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によってノズル開口から
液体を吐出する液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子は、第１電極と、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み菱面体晶系の結晶構造
を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を
具備し、
前記圧電体層は、ニッケル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加されてい
る添加層と前記添加物が添加されていない無添加層との積層体からなり、
前記添加層は、前記無添加層の前記第１電極側及び前記第２電極側の少なくとも一方に形
成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記添加層は、マンガンがさらに添加されて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。
前記添加層における前記添加物の含有量は、１０ｍｏｌ％以下であ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。
前記添加層の厚さが、前記圧電体層の厚さの２０％以下であることを特徴とする請求項１
〜３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記添加層は、前記添加物の添加濃度が均一であ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。
請求項１〜５のいず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。
第１電極と、チタン、ジルコニウム及び鉛を含み菱面体晶系の結晶構造を有する圧電体層
と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、からなる圧電素子を
具備し、
前記圧電体層は、ニッケル及びストロンチウムの少なくとも一方の添加物が添加されてい
る添加層と、前記添加物が添加されていない無添加層との積層体からなり、
前記無添加層の前記第１電極側及び前記第２電極側の少なくとも一方に、前記添加層が形
成されていることを特徴とするアクチュエーター装置。