JP2012253161A - 圧電素子及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛を含むペロブスカイト型結晶からなる圧電体膜と、圧電体膜に設けられた電極とを有し、圧電体膜の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下である。液体噴射ヘッドは、この圧電素子を備え、液体噴射装置はこの液体噴射ヘッドを備える。
【選択図】図３
【解決手段】 圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛を含むペロブスカイト型結晶からなる圧電体膜と、圧電体膜に設けられた電極とを有し、圧電体膜の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下である。液体噴射ヘッドは、この圧電素子を備え、液体噴射装置はこの液体噴射ヘッドを備える。
【選択図】図３
Description
本発明は、圧電素子及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体膜は、例えば、結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。
このような圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、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がある。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圧電アクチュエーターを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエーターを使用したものの２種類が実用化されている。このようなアクチュエーターでは、高密度に配置するために、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子、すなわち変位の大きな圧電素子が求められている。
ここで、圧電定数を大きくし、また、ばらつきをなくすことを目的として、ＰＺＴと電極を備えた圧電素子であって、ＰＺＴがＺｒとＴｉが室温において菱面体晶となる組成比のペロブスカイト構造で（１００）方向に結晶配向しているものが知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、このような圧電素子では満足する変位を得ることができなかった。なお、このような問題は、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限定されず、他の圧電素子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、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
本発明の圧電素子は、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型結晶からなる圧電体膜と、該圧電体膜に設けられた電極とを有し、前記圧電体膜の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下であることを特徴とする。圧電体層の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置が２θ＝２１．８９〜２１．９７度の範囲内であり、かつ、（２００）面半価幅が、０．３０以上０．５０以下であることで、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる所望の高い変位特性を得ることができる。
本発明の液体噴射ヘッドは、前記圧電素子を具備することを特徴とする。高い変位特性を得ることができる圧電素子を備えていることで、液体噴射特性が高い。
本発明の液体噴射装置は、前記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする。液体噴射特性が高い液体噴射ヘッドを有することで、所望の液体噴射を実現することができる。
（インクジェット式記録ヘッド）
まず、本発明の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について説明する。
図１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。
まず、本発明の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について説明する。
図１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、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には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、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の並設とは直交する方向の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マニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。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。
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が形成されている。弾性膜５０上には、酸化ジルコニウムからなる絶縁体層５５が形成される。なお、この絶縁体層５５に代えて、もしくは絶縁体層５５の上面に配向制御層を設けて第１電極６０を（１００）面に優先配向するように構成してもよい。
さらに、この絶縁体層５５上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが、後述する製造方法で積層形成されて、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。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、絶縁体層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及び絶縁体層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い。
ここで、上述した第１電極６０は、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などの白金族金属及び金（Ａｕ）からなる群から選択される金属からなり、複数層積層したものであってもよい。なお、積層した場合には、後のプロセスにより、結果的に混合層となってもよい。本実施形態では、絶縁体層５５側から順に、Ｐｔ／Ｉｒ／Ｐｔの積層膜とした。
圧電体層７０は、このような第１電極６０上に形成され、電気機械変換作用を示す圧電材料からなる。圧電体層７０は、ペロブスカイト型構造の結晶膜である圧電体膜を積層してなるものであり、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むものである。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性材料（強誘電性材料）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り、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）等も用いることができる。
本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛を用いている。本実施形態では、圧電体層７０に含まれるチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３)は、理想的にはｘ＝０．５であることが挙げられるが、０．４７≦ｘ≦０．５３、好ましくは０．４８≦ｘ≦０．５２を満たすものである。この範囲であることで誘電率や圧電特性が極めて大きくなり所望の変位特性を得ることができる。他方で、この範囲を超えることで、耐久性の低下や圧電特性の低下が生じる。
このような第１電極６０上にエピタキシャル成長で形成される圧電体層７０は、第１電極６０の面方位の影響を受けて配向制御され、結晶面方位が（１００）に優先配向する。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。具体的には、「（１００）面に優先配向する」とは、Ｘ線回折広角法によって圧電体膜を測定した際に生じる（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折強度の比率（１００）／（（１００）＋（１１０）＋（１１１））が０．５より大きいことを意味する。
圧電体層７０は、Ｘ線回折広角法により測定すると、その優先配向した（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下である（回折Ｘ線の波長λは、λ＝１．５４０５Å）。なお、本実施形態でいう圧電体層は、第１電極６０上面に接触して作製された一層目の圧電体膜を除き、一括して焼成されて形成されたものをいう。本実施形態では脱脂工程や焼成工程等で調整することにより、圧電体膜を上記所定の回折ピーク位置を有する結晶系とすることができる。
（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置がこのように比較的広角側に（数値が低い方に）あることで、圧電体層７０は菱面体晶となり、圧電体層における引っ張り応力が減少して、圧電体層に電圧が印加されていない場合における撓みを圧力発生室１２とは逆側に調整することができる。このように圧力発生室１２とは逆側に撓んだ後に電圧印加時には圧力発生室１２側へ撓むことから、低い電圧で変位量を大きくすることができる。かつ、Ｘ線の回折ピークの（２００）面半価幅がこのように低いことにより、厚さ方向に組成変化（組成傾斜）が低く、所望の圧電特性を有する圧電体層を形成できることから、変位量を増加させることができる。
例えば、このような圧電体層７０のＸ線回折広角法によって測定すると（使用した測定装置はブルカー・エイエックスエス社製商品名Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳ、回折Ｘ線の波長λは、λ＝１．５４０５Å）、回折ピークは図３に示すようになる。即ち、その（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置が２θ＝２１．９３でありかつ、（２００）面半価幅が０．３９である。
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に形成する。具体的には、圧電体層７０の厚さは、一般的に０．２〜５μｍであるが、本発明では、０．６〜１．５μｍである。本実施形態では、１３３０ｎｍである。このような比較的薄膜の圧電体層７０では、耐久性がよく、かつ、変位がよい。
なお本実施形態では、圧電体層７０を後述するようにエピタキシャル成長方法により設けるので、その膜を下地の結晶構造及び格子面間隔と類似するように所定の条件で形成することが好ましい。また、下地の表面との間に静電相互作用による反発力のない結晶構造となるように形成することが好ましい。なお、圧電体層７０を下地の配向に拘束されない自由成長により設けてもよい。
このように圧電体層が、（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下であれば、所望の高い変位特性を得ることができる。
また、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、絶縁体層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、すなわち、第１電極６０、絶縁体層５５及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部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。このマニホールド部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マニホールド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。
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によってマニホールド部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のマニホールド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、マニホールド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、マニホールド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、絶縁体層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される。この場合に、本実施形態では、圧電体層７０が（１００）面に優先配向し、（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下であることから、たわみ変形量が大きく、低い駆動電圧で高い変形量（例えば図３に示す測定結果の場合には４７０ｎｍ）を得ることができる。
（製造方法）
以下、上述した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、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。
以下、上述した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、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エハーである流路形成基板用ウエハー１１０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、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体層５５を形成する。
次いで、図４（ｃ）に示すように、絶縁体層５５上の全面に第１電極６０を形成する。この第１電極６０の材料は、圧電体層７０がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であることに鑑みれば、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。このため、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。また、第１電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）などにより形成することができる。
次に、流路形成基板用ウエハー１１０の第１電極６０が形成された面にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層を形成する。ここで、本実施形態では、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾル（塗布溶液）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。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図４（ｃ）に示すように、第１電極６０上にスパッタ法（例えば、本実施形態ではＤＣスパッタ法）より所定の厚さのチタン（Ｔｉ）からなる第１チタン含有層７１を形成する。このときのスパッタ条件は特に限定されないが、スパッタ圧力は、０．４〜４．０Ｐａの範囲内であるのが好ましい。また、スパッタ出力は５０〜１００Ｗとするのが好ましく、スパッタ温度は常温（約２３〜２５℃）〜２００℃の範囲内とするのが好ましい。さらに、パワー密度は１〜４ｋＷ／ｍ２程度とすることが好ましい。このように第１チタン含有層７１を形成することで、次工程で形成する圧電体層７０の結晶の核となる種チタンを多数形成することができる。
その後、図４（ｄ）に示すように、圧電体前駆体膜７２を成膜し、すなわち、第１チタン含有層７１が形成された流路形成基板用ウエハー１１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布して圧電体前駆体膜７２を形成する（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、本実施形態では、圧電体前駆体膜７２を１００〜１８０℃で３〜１０分間保持し、さらに圧電体前駆体膜７２を１００〜１８０℃で３〜１０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）。脱脂工程では、圧電体前駆体膜７２を、３００〜４００℃程度の温度に加熱して約３〜１０分保持することで脱脂する。本実施形態では、以下説明する脱脂装置を用いて３７５℃で３分間保持した。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。
図５に示すように、脱脂装置４００は、複数のチャンバー４０１が積載されてなるいわゆる多段式の脱脂装置である。チャンバー４０１は、それぞれ内部に圧電体前駆体膜７２が形成された流路形成基板用ウエハー１１０が載置される基板載置台４０２を備えている。この基板載置台４０２には、ヒーター４０３が設けられており、これにより流路形成基板用ウエハー１１０を加熱することが可能である。このチャンバー４０１の天井は蓋部４０４により封止されている。この蓋部４０４は、内部のガスを除去するための排気管４０５をその中央に備えている。排気管４０５は、垂直方向に積載されたチャンバー４０１間のチャンバー支持部４０６の間に延設されて、各チャンバー４０１の間から排気を外部へ送出する。
ここで、本実施形態では、流路形成基板用ウエハー１１０の基板面から蓋部４０４との距離Ｈが１０〜２０ｃｍである。通常の脱脂装置では基板面から蓋部４０４との距離は２ｃｍ程度であり、本実施形態では、脱脂装置４００はこれに比べて距離Ｈが長いことから、脱脂工程における排気が効率よく行われ、これにより得られる圧電体膜７３が上述したような低い電位で大きな変位を有するものとなる。
即ち、通常の多段式脱脂装置のように基板面から蓋部４０４との距離Ｈが２ｃｍであると、蓋部４０４の輻射熱によって圧電体膜が下方だけでなく上方からも脱脂されてしまう。本来は圧電体膜形成時に圧電体膜の下層に結晶核を形成したいが、このように上方からも脱脂されてしまう場合、得られる圧電体膜中にランダムに結晶核が形成されてしまう。このため、下方からの結晶成長が阻害され、結晶方向の揃った好ましい圧電体膜７３を形成することができない場合が考えられる。
また、通常の脱脂装置のように基板面から蓋部４０４との距離が２ｃｍであると、脱脂工程で蒸発したガス、即ち、圧電体前駆体膜７２に含まれる有機成分がＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱してなるガスが蓋部４０４で反射して流路形成基板用ウエハー１１０の圧電体前駆体膜に再度付着してしまうことがあり、脱脂の効果を十分に得られないことがある。
これに対し、本実施形態では、流路形成基板用ウエハー１１０の基板面から蓋部４０４との距離Ｈが１０〜２０ｃｍであり、通常の脱脂装置の基板面から蓋部４０４との距離２ｃｍよりも長い。これにより、上方に載置されているチャンバー４０１からの熱の影響を受けにくくするように構成されている。さらに、流路形成基板用ウエハー１１０の基板面から蓋部４０４との距離Ｈが長いことで、脱脂工程で圧電体前駆体膜７２から離脱したガスが排気管４０５から流出しやすく、圧電体前駆体膜に再度付着してしまうことを防止している。
従って、本実施形態における圧電体前駆体膜７２（図４参照）は、脱脂工程で、所望の温度で脱脂できると共に、上部のチャンバー４０１からの熱による影響を受けにくく構成されているので、その後の工程により圧電体前駆体膜を加熱して結晶化させた場合に、組成傾斜が小さくなり、所望の圧電体膜を形成することが可能である。さらにまた、脱脂工程で離脱したガスが排気管４０５から流出しやすく、再付着することが抑制されているので、不純物の混入が抑制される。
次に、図６（ａ）に示すように、圧電体前駆体膜を赤外線加熱装置によって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７３を形成する（焼成工程）。なお、本実施形態では、一層目の圧電体膜７３の厚みは、１２０ｎｍであった。このように本実施形態で後述するように一層目の圧電体膜７３の厚みを他の圧電体膜７３の厚みよりも薄くするのは、圧電体層７０の配向、結晶粒径を制御するためである。
なお、このような赤外線加熱装置を用いて加熱する焼成工程では、圧電体前駆体膜７２を７００〜７６０℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、赤外線加熱装置によって、７４０℃で５分間加熱を行って圧電体前駆体膜７２を焼成して圧電体膜７３を形成した。また、焼成工程では、昇温レートは１００℃／ｓｅｃ以上が好適である。このように圧電体膜７３の焼成時の昇温レートを１００℃／ｓｅｃ以上とすることで、低温の昇温レートで長時間行うのに比べて、短時間で行うことができると共に、圧電体膜７３を比較的粒径が小さく且つ均一な結晶で形成することができ、大粒結晶の形成を実質的に防止することができる。
なお、上述した乾燥工程及び脱脂工程においても、焼成工程で用いる赤外線加熱装置を用いることで、使用する装置の種類を減少させて製造コストを低減することができるが、脱脂工程では、上述のように脱脂時に圧電体前駆体膜７２の第１電極６０側からエピタキシャル成長させるために脱脂装置を用いることが好ましい。
そして、図６（ａ）に示すように、第１電極６０上に一層目の圧電体膜７３を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７３を同時にパターニングする。なお、第１電極６０及び圧電体膜７３のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
次いで、パターニング後、第２チタン含有層７４を形成する。第２チタン含有層７４は、１層目の圧電体膜７３及び絶縁体層５５に亘って形成される。この第２チタン含有層７４は、この第２チタン含有層７４上に形成される圧電体膜７３の配向制御を行うために形成されている。第２チタン含有層７４は、第１チタン含有層７１と同様に、例えばスパッタ法により所定の厚さで形成される。
その後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程からなる前駆体膜形成工程を繰り返して、図６（ｂ）に示すように圧電体前駆体膜７２を複数層（図中では３層）形成し、その後、一括して焼成工程を行い、複数層からなる圧電体膜７３を一括して形成する（一括焼成工程）。本実施形態では、この一括焼成工程で一括して焼成されて得られる圧電体膜７３の膜厚が、１４０ｎｍ以上、好ましくは２４０ｎｍ以上である。
これらの前駆体膜形成工程を複数繰り返した後一括焼成工程を行う工程を繰り返し、図６（ｃ）に示すように複数層の圧電体膜７３からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。例えば、本実施形態では、前駆体膜形成工程を３回繰り返した後一括焼成工程を行う工程を３回繰り返し、その後、圧電体前駆体膜７２を２層形成した後に一括焼成工程を行い、計１２回の塗布により全体で１３３０ｎｍ程度の厚みの圧電体層７０を得た。
その後、図７（ａ）に示すように、圧電体層７０上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０を形成する。そして、図７（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７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウエハー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、流路形成基板用ウエハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウエハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウエハー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、流路形成基板用ウエハー１１０を所定の厚みに薄くする。次いで、図８（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウエハー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に示すように、流路形成基板用ウエハー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、流路形成基板用ウエハー１１０及び保護基板用ウエハー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、流路形成基板用ウエハー１１０の保護基板用ウエハー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、保護基板用ウエハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウエハー１１０等を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、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッドＩとする。
（試験例）
かかるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子について、上述した実施形態に記載した圧電素子を形成した（試験例１）。また、試験例２〜５では、それぞれ試験例１とは製造条件を変えて圧電素子を形成し、さらにＸ線回折ピークを測定すると共に、変位量を算出した。
かかるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子について、上述した実施形態に記載した圧電素子を形成した（試験例１）。また、試験例２〜５では、それぞれ試験例１とは製造条件を変えて圧電素子を形成し、さらにＸ線回折ピークを測定すると共に、変位量を算出した。
結果を以下の表１に示す。なお、表１中、（１００）ピーク位置、（２００）半価幅、変位量については数値範囲に含まれていたことを示す。
このように、試験例２、３では、上述した基板―蓋部間距離の長い脱脂装置を用いて脱脂工程を行うことで、前記圧電体層の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置が２θ＝２１．８９〜２１．９７の範囲内であり、かつ、（２００）面半価幅が、０．３０以上０．５０以下である圧電素子を形成することができた。特に、試験例３の場合には、圧電素子の変位量は、他の試験例に比べて高く、高い変位量を得ることができた。これに対し、基板―蓋部間距離が短い試験例１、４、５ではそれぞれ変位量が低かった。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。
また、このような本発明の液体噴射ヘッドは、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、液体噴射装置に搭載される。図１０は、その液体噴射装置の一例を示す概略図である。
図１０に示すように、液体噴射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上に搬送されるようになっている。
ここで、上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッド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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、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ｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。
勿論、このような液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置も特に限定されるものではない。
さらに、本発明は、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエーター装置を構成する圧電素子だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置を構成する圧電素子に適用することができる。例えば、上述したヘッドの他に、センサー等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、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ マニホールド部、 ３２ 圧電素子保持部、 ３３ 貫通孔、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 １００ マニホールド
Claims (3)
- Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型結晶からなる圧電体膜と、該圧電体膜に設けられた電極とを有し、
前記圧電体膜の（１００）面に由来するＸ線の回折ピーク位置（２θ）が２１．８９以上２１．９７以下であり、かつ、（２００）面半価幅（２θ）が、０．３０以上０．５０以下であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項１記載の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項２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。
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