JP2012056194A - 圧電素子、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 - Google Patents

圧電素子、圧電アクチュエーター、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】信頼性の高い圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電素子100は、第1電極20と、第1電極20の上方に形成された第1積層体12と、第1電極20の上方に第1積層体12と離間して形成された第2積層体14と、第1積層体12の側面、第2積層体14の側面、および第1積層体12と第2積層体14との間であって第1電極20の表面を覆う被覆層60と、を含み、第1積層体12および第2積層体14は、第1電極20の上方に形成された圧電体30と、圧電体30の上方に形成された第2電極40と、を有し、第1電極20は、塩素と化学反応する金属を含有し、第1積層体12と第2積層体14との間であって第1電極20の表面20aには、凸部50および凹部の少なくとも一方が形成されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関する。
圧電素子は、電圧印加によりその形状を変化させる特性を有する素子であり、圧電体を電極で挟んだ構造を有する。圧電素子は、例えばインクジェットプリンターの液体噴射ヘッドや、各種アクチュエーターなど多様な用途に用いられている。
圧電素子を構成する圧電体は、湿気などにより劣化しやすい。例えば、特許文献1に記載のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電体層の大気からの吸湿に起因した劣化の問題を解決するために、保護膜を圧電体層の側面や下部電極の上面に設けている。
このような構造の圧電素子において信頼性を向上させるためには、保護膜と、圧電体や下部電極との密着性を高めることが重要である。保護膜と圧電体や下部電極との密着性が良好でない場合には、吸湿に起因した圧電体の劣化を防ぐことができなかったり、電圧を印加して圧電素子を駆動させた際に、保護膜と圧電体との間に発生した間隙に起因してリーク電流が発生し、上部電極と下部電極との間での短絡につながったりする可能性がある。このように保護膜と圧電体や下部電極との密着性が良好でない場合には、圧電素子の信頼性が低下する可能性がある。
特開平10−226071号公報
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、信頼性の高い圧電素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記圧電素子を含む、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置を提供することにある。
本発明に係る圧電素子は、
第1電極と、
前記第1電極の上方に形成された第1積層体と、
前記第1電極の上方に前記第1積層体と離間して形成された第2積層体と、
前記第1積層体の側面、前記第2積層体の側面、および前記第1積層体と前記第2積層体との間であって前記第1電極の表面を覆う被覆層と、
を含み、
前記第1積層体および前記第2積層体は、
前記第1電極の上方に形成された圧電体と、
前記圧電体の上方に形成された第2電極と、
を有し、
前記第1電極は、塩素と化学反応する金属を含有し、
前記第1積層体と前記第2積層体との間であって前記第1電極の表面には、凸部および凹部の少なくとも一方が形成されている。
このような圧電素子によれば、第1積層体と第2積層体との間であって第1電極の表面には、凸部および凹部の少なくとも一方が形成されている。これにより、第1電極の表面に凸部および凹部が形成されていない場合と比べて、被覆層(保護膜)との接触面積を増加させることができる。したがって、被覆層と第1電極との密着性が向上し、高い信頼性を有することができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下「B」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係る圧電素子において、
前記第1電極は、ランタンおよびニッケルを含有する層の単層構造、または、白金またはイリジウムを含有する層とランタンおよびニッケルを含有する層とをこの順で積層した積層構造であることができる。
このような圧電素子によれば、第1電極が塩素と化学反応する材質を含むため、塩素系ガスを用いたドライエッチングで凸部および凹部を容易に形成することができ、製造工程を容易化することができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記凸部は、複数形成され、
単位面積あたりの前記凸部の数は、前記第1積層体および前記第2積層体に近づくに従って多くなることができる。
このような圧電素子によれば、第1積層体の近傍および第2積層体の近傍における被覆層と第1電極との密着性を高めることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記凸部は、空洞部を有し、
前記被覆層の一部は、前記空洞部に形成されていることができる。
このような圧電素子によれば、被覆層と第1電極との密着性をより高めることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記凹部は、複数形成され、
単位面積あたりの前記凹部の数は、前記第1積層体および前記第2積層体に近づくに従って多くなることができる。
このような圧電素子によれば、第1積層体の近傍および第2積層体の近傍における被覆層と第1電極との密着性を高めることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記凸部は、ランタン、ニッケル、および塩素を含有することができる。
本発明に係る圧電アクチュエーターは、
本発明に係る圧電素子を含む。
このような圧電アクチュエーターによれば、本発明に係る圧電素子を含むため、高い信頼性を有することができる。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電アクチュエーターを含む。
このような液体噴射ヘッドによれば、本発明に係る圧電アクチュエーターを含むため、高い信頼性を有することができる。
本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。
このような液体噴射装置によれば、本発明に係る液体噴射ヘッドを含むため、高い信頼性を有することができる。
本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電素子の凸部を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る実験例のSEM観察結果。 本実施形態の変形例に係る圧電素子を模式的に示す平面図。 本実施形態の変形例に係る圧電素子を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る圧電素子の凹部を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。
以下、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。
1. 圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す平面図である。図2は、本実施形態に係る圧電素子100を模式的に示す断面図である。なお、図1では、便宜上、被覆層60の図示を省略している。また、図2は、図1のII−II線断面図である。
圧電素子100は、図1および図2に示すように、第1電極20と、積層体10と、被覆層60と、を含む。積層体10は、圧電体30と、第2電極40と、を含むことができる。圧電素子100は、基板1上に形成されている。
基板1は、例えば、半導体、絶縁体で形成された平板である。基板1は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。基板1は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。
基板1は、例えば、可撓性を有し、圧電体30の動作によって変形(屈曲)することのできる振動板を有していてもよい。この場合、圧電素子100は、振動板を含む圧電アクチュエーター102となる。基板1は、圧力室などを区画する壁の一部を構成していてもよい。圧電アクチュエーター102を液体噴射ヘッドに使用する場合、基板1(振動板)のたわみによって、圧力室の容積を変化させることができる。基板1が振動板を有する場合、振動板の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)、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が挙げられる。振動板は、これら例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
なお、基板1が振動板を有しておらず、第1電極20が振動板であってもよい。すなわち、第1電極20は、圧電体30に電圧を印加するための一方の電極としての機能と、圧電体30の動作によって変形することのできる振動板としての機能と、を有していてもよい。この場合においても、圧電素子100は、圧電アクチュエーター102となることができる。
第1電極20は、基板1上に形成されている。図示はしないが、第1電極20と基板1との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。
第1電極20の形状は、例えば、層状または薄膜状の形状である。第1電極20の厚さは、例えば、50nm以上300nm以下である。第1電極20の平面形状は、第2電極40が対向して配置されたときに両者の間に圧電体30を配置できる形状であれば、特に限定されない。第1電極20の表面20aは、例えば、平滑である。隣り合う積層体(例えば第1積層体12と第2積層体14)の間における第1電極20の表面20aは、圧電体30で覆われていない。
第1電極20は、塩素と化学反応する金属を含有している。具体的には、第1電極20は、ランタンおよびニッケルを含有する層の単層構造、または、図示はしないが、白金またはイリジウムを含有する層とランタンおよびニッケルを含有する層とをこの順で積層した積層構造である。ランタンおよびニッケルを含有する層としては、例えば、ランタンとニッケルとの複合酸化物(LaNiOx:LNO)が挙げられる。第1電極20は、例えば、塩素と化学反応する金属が主成分である。第1電極20は、塩素と化学反応する金属に加えて、当該金属以外の元素を含有していてもよい。
積層体10間(例えば第1積層体12と第2積層体14との間)であって第1電極20の表面20aには、凸部50が形成されている。凸部50は、第1電極20の表面20aに対して外方に突き出た部分である。凸部50の形状は特に限定されず、例えば半球状である。凸部50は、図1および図2に示すように、複数形成されている。複数の凸部50の各々の形状は、異なっていても同じであってもよい。図1に示すように、単位面積あたりの凸部50の数は、積層体10に近づくに従って多くなっている。言い換えると、単位面積あたりの凸部50の数は、第1積層体12と第2積層体14との中間地点(第1電極20の表面20aにおいて第1積層体12からの距離と第2積層体14からの距離とが等しい箇所)22から第1積層体12に向かうに従って多くなり、同様に、中間地点22から第2積層体14に向かうに従って多くなっている。すなわち、積層体10の近傍における単位面積あたりの凸部50の数は、中間地点22近傍における単位面積あたりの凸部50の数よりも多い。
図3は、凸部50の断面図である。凸部50は、図3に示すように、空洞部52を有していることができる。空洞部52は、外部と連通しており、被覆層60の一部は、空洞部52に形成されている。図示の例では、空洞部52は、被覆層60の一部によって埋まっている。凸部50の高さ(第1電極20の表面20aと凸部50の頂点との間の距離)Hは、例えば、50nm以上300nm以下である。また、凸部50の幅は、20nm以上1500nm以下である。これにより、被覆層60と第1電極20との密着性を高めることができる。凸部50は、例えば、ランタン、ニッケル、および塩素を含有している。具体的には、凸部50は、例えば、LNOの塩化物である。
第1電極20の機能の一つとしては、第2電極40と一対になって、圧電体30に電圧を印加するための一方の電極(例えば、圧電体30の下方に形成された下部電極)となることが挙げられる。第1電極20は、複数の積層体10の共通電極であってもよい。より具体的には、第1積層体12に電圧を印加するための第1電極20と、第2積層体14に電圧を印加するための第1電極20とは、電気的に接続されていてもよい。図1に示す例では、第1積層体12に電圧を印加するための第1電極20と、第2積層体14に電圧を印加するための第1電極20とは、共通電極として一体的に形成されている。
積層体10は、第1電極20上に形成されている。積層体10は、例えば複数設けられており、図1に示す例では3つ設けられているが、その数は特に限定されない。複数の積層体10は、互いに離間して設けられており、例えば、第2電極40の短手方向に並んで配置されていてもよい。すなわち、第2電極40の短手方向は、複数の積層体10が併設される方向(併設方向)である。圧電素子100では、積層体(圧電体30、第2電極40)10の短手方向が、併設方向に対して平行であり、積層体10の長手方向が、併設方向に対して垂直である。
圧電体30は、第1電極20上に形成されている。圧電体30の厚さは、例えば、300nm以上3000nm以下である。
圧電体30は、圧電材料によって形成される。そのため圧電体30は、第1電極20および第2電極40によって電圧が印加されることで変形することができる。圧電素子100が圧電アクチュエーター102である場合は、この変形により振動板は変形(屈曲)することができる。
圧電体30の材質としては、一般式ABO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)が好適である。このような材料の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)NbO)などが挙げられる。
第2電極40は、圧電体30上に形成されている。第2電極40は、第1電極20と対向して配置されている。第2電極40の形状は、例えば、層状または薄膜状の形状である。第2電極40の厚さは、例えば、50nm以上300nm以下である。第2電極40の平面形状は、第1電極20に対向して配置されたときに両者の間に圧電体30を配置できる形状であれば、特に限定されない。図示の例では、第2電極40の平面形状は、長方形である。
第2電極40の材質は、例えば、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(例えば酸化イリジウムなど)、ストロンチウムとルテニウムとの複合酸化物(SrRuOx:SRO)、ランタンとニッケルとの複合酸化物(LaNiOx:LNO)などを例示することができる。第2電極40は、これら例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
第2電極40の機能の一つとしては、第1電極20と一対になって、圧電体30に電圧を印加するための他方の電極(例えば、圧電体30の上方に形成された上部電極)となることが挙げられる。第2電極40は、複数の積層体10において個別電極であってもよい。すなわち、第1積層体12の第2電極40と、第2積層体14の第2電極40とは、電気的に分離していてもよい。第2電極40は、配線42を介して図示しない圧電素子駆動回路と電気的に接続されていてもよい。
被覆層60は、少なくとも積層体10の側面、および積層体10間(例えば、第1積層体12と第2積層体14との間)であって第1電極20の表面20aを覆っている。被覆層60は、第1電極20の表面20aにおいて凸部50を覆っている。図示の例では、被覆層60は、積層体10の上面も覆っている。被覆層60の機能の一つとしては、圧電体30の大気からの吸湿に起因した劣化を抑制または防止することが挙げられる。すなわち、被覆層60は、圧電体30を湿気等から保護する保護膜として機能することができる。
被覆層60の材質は、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、公知の有機材料が挙げられる。公知の有機材料としては、例えば、フォトレジストであってもよいし、ポリイミド、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリビニルアルコール誘導体等の樹脂組成物であってもよい。
圧電素子100は、例えば、以下の特徴を有する。
圧電素子100は、積層体10間であって第1電極20の表面20aには凸部50が形成されている。これにより、第1電極20の表面20aに凸部50が形成されていない場合と比べて、被覆層60との接触面積を増加させることができる。したがって、被覆層60と第1電極20との密着性が向上し、高い信頼性を有することができる。
圧電素子100では、第1電極20は、ランタンおよびニッケルを含有する層の単層構造、または、白金またはイリジウムを含有する層とランタンおよびニッケルを含有する層とをこの順で積層した積層構造である、すなわち、第1電極20が塩素と化学反応する材質を含むため、後述するように塩素系ガスを用いたドライエッチングで凸部50を容易に形成することができ、製造工程を容易化することができる。
圧電素子100では、凸部50は、複数形成され、単位面積あたりの凸部50の数は、積層体10に近づくに従って多くなる。これにより、積層体10の近傍における被覆層60と第1電極20との密着性を高めることができる。
圧電素子100では、凸部50は、空洞部52を有し、被覆層60の一部は、空洞部52に形成されている。これにより、被覆層60と第1電極20の密着性をより高めることができる。
2. 圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図4〜図7は、本実施形態に係る圧電素子100の製造工程を模式的に示す断面図である。
図4に示すように、基板1上に、第1電極20を形成する。第1電極20は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法等による成膜後、パターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により行われる。
次に、第1電極20上に第1圧電材料膜30aを成膜する。第1圧電材料膜30aは、例えば、ゾルゲル法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOD(Metal Organic Deposition)法、スパッタ法、レーザーアブレーション法により成膜される。第1圧電材料膜30aは、結晶化を目的として熱処理されてもよい。
図5に示すように、第1圧電材料膜30aをパターニングする。パターニングは、例えば、公知のドライエッチング技術により行われる。公知のドライエッチング技術としては、例えば、ICP(Inductively Coupled Plasma)のような高密度プラズマ装置を用いたドライエッチングが挙げられる。ドライエッチングに用いるエッチングガスには、塩素系ガスを主成分とした混合ガスを用いることができる。例えば、BCl、CF、およびArを含むガスや、ClおよびArを含むガスなどが挙げられる。高密度プラズマ装置(ドライエッチング装置)において、1.0Pa以下の圧力に設定すると良好にエッチングを行うことができる。
ここで、本工程において、塩素系ガスを用いることにより、第1電極20の表面20aに第1電極20を構成する物質(例えばLNO)と塩素との反応物が生成され、凸部50が形成される。また、パターニングの際に用いるレジスト(図示しない)の近傍において、反応物が多く生成されるため、凸部50は、パターニングされた第1圧電材料膜30aの近傍に多く形成される。
次に、Ti層(図示しない)を第1圧電材料膜30a上および第1電極20上に成膜する。Ti層は、例えば、スパッタ法により成膜される。Ti層は、後述する第2圧電材料膜30bの結晶成長を制御することができる。これにより、配向性の高い圧電体30を得ることができる。
図6に示すように、第2圧電材料膜30bを、Ti層を介して、第1電極20上、第1圧電材料膜30a上、および凸部50上に成膜する。第2圧電材料膜30bは、第1圧電材料膜30aと同様に成膜される。第2圧電材料膜30bは、結晶化を目的として熱処理されてもよい。なお、Ti層は、熱処理時に第2圧電材料膜30bに取り込まれる。
次に、第2圧電材料膜30b上に導電材料膜40aを成膜する。導電材料膜40aは、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法により成膜される。
図7に示すように、導電材料膜40aおよび第2圧電材料膜30bをパターニングして、第2電極40および圧電体30を形成する。パターニングは、例えば、第1圧電材料膜30aのパターニングと同様に行われる。したがって、本工程においても同様に、塩素系ガスを用いることにより、第1電極20の表面20aに凸部50が形成される。また、パターニングの際に用いるレジスト(図示しない)の近傍において、反応物が多く生成されるため、凸部50は、圧電体30の近傍に多く形成される。
ここでは、凸部50が、第1圧電材料膜30aをパターニングする工程および第2圧電材料膜30bをパターニングする工程の両方で形成される場合について説明したが、凸部50は、第1圧電材料膜30aをパターニングする工程のみで形成されてもよいし、第2圧電材料膜30bをパターニングする工程のみで形成されてもよい。
図1に示すように、第2電極40と電気的に接続する配線42を形成する。配線42は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法等による成膜後、パターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により行われる。
図2に示すように、少なくとも積層体10の側面、積層体10間であって第1電極20の表面20aを覆うように被覆層60を形成する。被覆層60は、例えばスピンコート法、スパッタ法等による成膜後、パターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。
以上の工程により、圧電素子100を製造することができる。
圧電素子100の製造方法によれば、上記のとおり信頼性の高い圧電素子100を得ることができる。
3. 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
(1) 試料の作製
まず、シリコン基板上に、スパッタ法により、酸化シリコン(SiO)および酸化ジルコニウム(ZrO)をこの順で成膜し、基板を形成した。次に、基板上にLNOを成膜し、第1電極を形成した。次に、MOD法によりPZT(第1圧電材料膜)を形成し、高密度プラズマ装置(ドライエッチング装置)でパターニングした。エッチングガスには、塩素系ガスを主成分とした混合ガスを用い(例えば、BCl、CF、およびArを含むガスやClおよびArを含むガス)、1.0Pa以下の圧力に設定した。次に、スパッタ法によりTi層を成膜し、MOD法によりPZT(第2圧電材料膜)を形成した。次に、PZT(第2圧電材料膜)を、高密度プラズマ装置(ドライエッチング装置)でパターニングして圧電体を形成した。エッチングガスには、BClを含む塩素系ガスを主成分とする混合ガスを用い、1.0Pa以下の圧力に設定した。
(2) SEM観察結果
図8(A)および図8(B)は、上記のように作製した試料のSEM観察結果である。図8(A)および図8(B)に示すSEM観察結果より、第1電極の表面には、凸部が形成されていることが確認できた。また、図8(B)に示すSEM観察結果より、凸部に空洞部が形成されていることが確認できた。
4. 圧電素子の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図9は、本実施形態の変形例に係る圧電素子200を模式的に示す平面図である。図10は、本実施形態に係る圧電素子200を模式的に示す断面図である。なお、図9では、便宜上、被覆層60の図示を省略している。また、図10は、図9のIX−IX線断面図である。以下、圧電素子200において、圧電素子100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
圧電素子200では、図9および図10に示すように、積層体10間であって第1電極20の表面20aには、凹部55が形成されている。
凹部55は、第1電極20の表面20aに形成された窪みである。凹部55は、複数形成されている。凹部55の形状は特に限定されず、例えば半球状である。また、複数の凹部55の各々の形状は、異なっていても同じであってもよい。図9に示すように、単位面積あたりの凹部55の数は、積層体10に近づくに従って多くなっている。言い換えると、単位面積あたりの凹部55の数は、第1積層体12と第2積層体14との中間地点(第1電極20の表面20aにおいて第1積層体12からの距離と第2積層体14からの距離とが等しい箇所)22から第1積層体12に向かうに従って多くなり、同様に、中間地点22から第2積層体14に向かうに従って多くなっている。すなわち、積層体10の近傍における単位面積あたりの凹部55の数は、中間地点22近傍における単位面積あたりの凹部55の数よりも多い。
図11は、凹部55の断面図である。被覆層60は、凹部55に沿って形成されている。凹部55の深さ(第1電極20の表面20aと凹部55の最下点との間の距離)Dは、例えば、10nm以上100nm以下である。また、凹部55の幅は20nm以上1500nm以下である。これにより、被覆層60と第1電極20との密着性を高めることができる。
圧電素子200は、以下の特徴を有する。
圧電素子200は、積層体10間であって、第1電極20の表面20aには凹部55が形成されている。これにより、第1電極20の表面20aに凹部55が形成されていない場合と比べて、被覆層60との接触面積を増加させることができる。したがって、被覆層60と第1電極20との密着性が向上し、高い信頼性を有することができる。
圧電素子200では、第1電極20は、ランタンおよびニッケルを含有する層の単層構造、または、白金またはイリジウムを含有する層とランタンおよびニッケルを含有する層とをこの順で積層した積層構造である。すなわち、第1電極20が塩素と化学反応する材質を含むため、後述するように塩素ガスを用いたドライエッチングで凹部55を容易に形成することができ、製造工程を容易化することができる。
圧電素子200では、凹部55は、複数形成され、単位面積あたりの凹部55の数は、積層体10に近づくに従って多くなる。これにより、積層体10の近傍における被覆層60と第1電極20との密着性を高めることができる。
5. 変形例に係る圧電素子の製造方法
次に、本実施形態の変形例に係る圧電素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図12〜図13は、本実施形態の変形例に係る圧電素子200の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、上述した圧電素子100の製造方法と異なる点について説明し、同様の点については詳細な説明を省略する。
まず、基板1上に、第1電極20を形成する。次に、第1電極20上に第1圧電材料膜30aを成膜し、パターニングする。パターニングは、ドライエッチングにより行われ、ドライエッチングに用いるエッチングガスには、塩素系ガスを主成分とする混合ガスを用いることができる。例えば、BCl、CF、およびArを含むガスや、ClおよびArを含むガスなどが挙げられる。これにより、第1電極20の表面20a上には、凸部50が形成される。第1圧電材料膜30aは、成膜後に結晶化を目的として熱処理されてもよい。
図12に示すように、第1電極20の表面20aを洗浄する。洗浄は、例えば、純水を用いて行われる。凸部50は塩化物であるため、水に溶ける。したがって、洗浄により凸部50がなくなり、凸部50が形成されていた箇所に凹部55が形成される。凸部50は、パターニングされた第1圧電材料膜30a近傍に多く形成されているため、凹部55は、パターニングされた第1圧電材料膜30a近傍に多く形成される。
次に、Ti層(図示しない)を第1圧電材料膜30a上および第1電極20上に成膜する。次に、第2圧電材料膜30bを、Ti層を介して、第1電極20上、第1圧電材料膜30a上、に成膜する。第2圧電材料膜30bは、結晶化を目的として熱処理されてもよい。次に、第2圧電材料膜30b上に導電材料膜40aを成膜し、導電材料膜40aおよび第2圧電材料膜30bをパターニングして、第2電極40および圧電体30を形成する。パターニングは、例えば、第1圧電材料膜30aのパターニングと同様に行われるため、第1電極20の表面20aには凸部50が形成される。
図13に示すように、第1電極20の表面20aを洗浄する。洗浄は、例えば、純水を用いて行われる。この洗浄により凸部50がなくなり、凸部50が形成されていた箇所に凹部55が形成される。凸部50は、圧電体30近傍に多く形成されているため、凹部55は、圧電体30近傍に多く形成される。
ここでは、凹部55が、第1圧電材料膜30aをパターニングした後の洗浄工程および第2圧電材料膜30bをパターニングした後の洗浄工程の両方で形成される場合について説明したが、凸部50は、第1圧電材料膜30aをパターニングした後の洗浄工程のみで形成されてもよいし、第2圧電材料膜30bをパターニングした後の洗浄工程のみで形成されてもよい。
図10に示すように、少なくとも積層体10の側面、積層体10間であって第1電極20の表面を覆うように被覆層60を形成する。
以上の工程により、圧電素子200を製造することができる。
圧電素子200の製造方法によれば、上記のとおり信頼性の高い圧電素子200を得ることができる。
6. 液体噴射ヘッド
次に、本実施形態にかかる圧電素子(圧電アクチュエーター)の用途の一例として、これらを有する液体噴射ヘッド600について、図面を参照しながら説明する。図14は、液体噴射ヘッド600の要部を模式的に示す断面図であって、図2に対応するものである。図15は、液体噴射ヘッド600の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液体噴射ヘッド600は、上述の圧電素子(圧電アクチュエーター)を有することができる。以下では、基板1(上部に振動板1aを含む構造体)の上に圧電素子100が形成され、圧電素子100と振動板1aとが圧電アクチュエーター102を構成している液体噴射ヘッド600を例示して説明する。なお、図示の例では、基板1は、振動板1aと、圧力室基板620と、ノズル板610と、を含む。
液体噴射ヘッド600は、図14および図15に示すように、ノズル孔612を有するノズル板610と、圧力室622を形成するための圧力室基板620と、圧電アクチュエーター102と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド600は、図15に示すように、筐体630を有することができる。なお、図15では、圧電素子100を簡略化して図示している。
ノズル板610は、図14および図15に示すように、ノズル孔612を有する。ノズル孔612からは、インクが吐出されることができる。ノズル板610には、例えば、多数のノズル孔612が一列に設けられている。ノズル板620の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼(SUS)などを挙げることができる。
圧力室基板620は、ノズル板610上(図15の例では下)に設けられている。圧力室基板620の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板620がノズル板610と振動板1aとの間の空間を区画することにより、図15に示すように、リザーバー(液体貯留部)624と、リザーバー624と連通する供給口626と、供給口626と連通する圧力室622と、が設けられている。この例では、リザーバー624と、供給口626と、圧力室622とを区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口626は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー624、供給口626および圧力室622は、ノズル板610と圧力室基板620と振動板1aとによって区画されている。
リザーバー624は、外部(例えばインクカートリッジ)から、基板1に設けられた貫通孔628を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー624内のインクは、供給口626を介して、圧力室622に供給されることができる。圧力室622は、振動板1aの変形により容積が変化する。圧力室622はノズル孔612と連通しており、圧力室622の容積が変化することによって、ノズル孔612からインク等が吐出される。なお、リザーバー624を、マニホールドと呼ぶこともできる。
圧電素子100は、圧力室基板620上(図15の例では下)に設けられている。圧電素子100は、圧電素子駆動回路(図示しない)に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作(振動、変形)することができる。振動板1aは、圧電体30の動作によって変形し、圧力室622の内部圧力を適宜変化させることができる。
図14に示す例では、第2電極40の短手方向に沿う圧力室622の幅は、第2電極40の短手方向に沿う圧電体30の幅よりも大きい。すなわち、圧電体30の側面は、圧力室622の側面(圧力室622を区画する圧力室基板620の側面)よりも内側に位置している。これにより、効果的に圧力室622の内部圧力を変化させることができる。
筐体630は、図15に示すように、ノズル板610、圧力室基板620、および圧電素子100を収納することができる。筐体630の材質としては、例えば、樹脂、金属を挙げることができる。
液体噴射ヘッド600は、上述した信頼性の高い圧電素子100を有する。したがって液体噴射ヘッド600は、高い信頼性を有することができる。
なお、ここでは、液体噴射ヘッド600がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本実施形態の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチッ
プ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
7. 液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを有する。以下では、液体噴射装置が上述の液体噴射ヘッド600を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図16は、本実施形態にかかる液体噴射装置700を模式的に示す斜視図である。
液体噴射装置700は、図16に示すように、ヘッドユニット730と、駆動部710と、制御部760と、を含む。液体噴射装置700は、さらに、装置本体720と、給紙部750と、記録用紙Pを設置するトレイ721と、記録用紙Pを排出する排出口722と、装置本体720の上面に配置された操作パネル770と、を含むことができる。
ヘッドユニット730は、上述した液体噴射ヘッド600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730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731と、ヘッドおよびインクカートリッジ731を搭載した運搬部(キャリッジ)732と、を備える。
駆動部710は、ヘッドユニット730を往復動させることができる。駆動部710は、ヘッドユニット730の駆動源となるキャリッジモーター741と、キャリッジモーター741の回転を受けて、ヘッドユニット730を往復動させる往復動機構742と、を有する。
往復動機構742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744と、キャリッジガイド軸744と平行に延在するタイミングベルト743と、を備える。キャリッジガイド軸744は、キャリッジ732が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ732を支持している。さらに、キャリッジ732は、タイミングベルト743の一部に固定されている。キャリッジモーター741の作動により、タイミングベルト743を走行させると、キャリッジガイド軸744に導かれて、ヘッドユニット730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、記録用紙Pへの印刷が行われる。
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Pに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Pに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
制御部760は、ヘッドユニット730、駆動部710および給紙部750を制御することができる。
給紙部750は、記録用紙Pをトレイ721からヘッドユニット730側へ送り込むことができる。給紙部750は、その駆動源となる給紙モーター751と、給紙モーター751の作動により回転する給紙ローラー752と、を備える。給紙ローラー752は、記録用紙Pの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー752aおよび駆動ローラー752bを備える。駆動ローラー752bは、給紙モーター751に連結されている。制御部760によって供紙部750が駆動されると、記録用紙Pは、ヘッドユニット730の下方を通過するように送られる。
ヘッドユニット730、駆動部710、制御部760および給紙部750は、装置本体720の内部に設けられている。
液体噴射装置700は、信頼性の高い液体噴射ヘッド600を有する。したがって、液体噴射装置700は、高い信頼性を有することができる。
なお、上記例示した液体噴射装置700は、1つの液体噴射ヘッド600を有し、この液体噴射ヘッド600によって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体噴射ヘッドが互いに連結されて、1つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
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液体噴射装置700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。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、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)、電気泳動ディスプレイ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。
以上に述べた実施形態および変形例は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態および変形例は、それぞれの実施形態および変形例が有する効果または相乗的な効果を奏することができる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
1 基板、1a 振動板、10 積層体、12 第1積層体、14 第2積層体、
20 第1電極、20a 表面、22 中間地点、30 圧電体、
30a 第1圧電材料膜、30b 第2圧電材料膜、40 第2電極、
40a 導電材料膜、42 配線、50 凸部、52 空洞部、55 凹部、
60 被覆層、100 圧電素子、102 圧電アクチュエーター、200 圧電素子、
600 液体噴射ヘッド、610 ノズル板、612 ノズル孔、620 圧力室基板、
622 圧力室、624 リザーバー、626 供給口、628 貫通孔、
630 筐体、700 液体噴射装置、710 駆動部、720 装置本体、
721 トレイ、722 排出口、730 ヘッドユニット、
731 インクカートリッジ、732 キャリッジ、741 キャリッジモーター、
742 往復動機構、743 タイミングベルト、744 キャリッジガイド軸、
750 給紙部、751 給紙モーター、752 給紙ローラー、
752a 従動ローラー、752b 駆動ローラー、760 制御部、
770 操作パネル

Claims (9)

  1. 第1電極と、
    前記第1電極の上方に形成された第1積層体と、
    前記第1電極の上方に前記第1積層体と離間して形成された第2積層体と、
    前記第1積層体の側面、前記第2積層体の側面、および前記第1積層体と前記第2積層体との間であって前記第1電極の表面を覆う被覆層と、
    を含み、
    前記第1積層体および前記第2積層体は、
    前記第1電極の上方に形成された圧電体と、
    前記圧電体の上方に形成された第2電極と、
    を有し、
    前記第1電極は、塩素と化学反応する金属を含有し、
    前記第1積層体と前記第2積層体との間であって前記第1電極の表面には、凸部および凹部の少なくとも一方が形成されている、圧電素子。
  2. 請求項1において、
    前記第1電極は、ランタンおよびニッケルを含有する層の単層構造、または、白金またはイリジウムを含有する層とランタンおよびニッケルを含有する層とをこの順で積層した積層構造である、圧電素子。
  3. 請求項1または2において、
    前記凸部は、複数形成され、
    単位面積あたりの前記凸部の数は、前記第1積層体および前記第2積層体に近づくに従って多くなる、圧電素子。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項において、
    前記凸部は、空洞部を有し、
    前記被覆層の一部は、前記空洞部に形成されている、圧電素子。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項において、
    前記凹部は、複数形成され、
    単位面積あたりの前記凹部の数は、前記第1積層体および前記第2積層体に近づくに従って多くなる、圧電素子。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項において、
    前記凸部は、ランタン、ニッケル、および塩素を含有する、圧電素子。
  7. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の圧電素子を含む、圧電アクチュエーター。
  8. 請求項7に記載の圧電アクチュエーターを含む、液体噴射ヘッド。
  9. 請求項8に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。
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