JP3481235B1 - 圧電素子、インクジェットヘッド、角速度センサ及びこれらの製造方法、並びにインクジェット式記録装置 - Google Patents
圧電素子、インクジェットヘッド、角速度センサ及びこれらの製造方法、並びにインクジェット式記録装置Info
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Abstract
晶配向性の良好なペロブスカイト型酸化物からなる圧電
体層を形成して、この圧電素子の特性ばらつきを低減す
るとともに、耐電圧及び信頼性を向上させる。 【解決手段】 基板11上に密着層12を設け、密着層
12上に、チタン又は酸化チタンを含有する貴金属から
なる第1の電極層14を設け、第1の電極層14上に、
(100)面又は(001)面に優先配向した配向制御
層15を設ける。この配向制御層15における第1の電
極層14側の表面近傍部を、(100)面又は(00
1)面配向の領域が第1の電極層14における配向制御
層15側の表面部に位置するチタン又は酸化チタン上に
存在しかつ層厚方向と垂直な断面における上記領域の面
積が第1の電極層14側から反対側に向かって大きくな
る構造とする。この配向制御層15上に、(001)面
に優先配向した圧電体層16を設ける。
Description
を呈する圧電素子、この圧電素子を用いたインクジェッ
トヘッド、角速度センサ及びこれらの製造方法、並びに
上記インクジェットヘッドを印字手段として備えたイン
クジェット式記録装置に関する技術分野に属する。
を電気的エネルギーに変換し、或いは電気的エネルギー
を機械的エネルギーに変換する材料である。この圧電材
料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型結晶構造
のチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)
(以下、PZTという)がある。このPZTにおいて最
も大きな圧電変位が得られる方向は、正方晶系の場合に
は<001>方向(c軸方向)であり、菱面体晶系の場
合には<111>方向である。しかし、多くの圧電材料
は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体であるため、各
結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向いている。した
がって、自発分極Psもでたらめに配列している。
て、圧電材料を用いた圧電素子に対しても小型化が強く
要求されるようになってきている。そして、この要求を
満足させるために、圧電素子を、従来より多く使用され
てきた焼結体に比べて体積を著しく小さくできる薄膜の
形態で使用しつつあり、このような圧電素子に対する薄
膜化の研究開発が盛んになってきている。例えば、正方
晶系PZTの場合、自発分極Psはc軸方向を向いてい
るので、薄膜化しても高い圧電特性を実現するために
は、PZT薄膜を構成する結晶のc軸を基板表面に対し
て垂直方向に揃える必要がある。これを実現するため
に、従来においては、スパッタ法を用いて、結晶方位
(100)面が表面に出るように切り出したNaCl型
結晶構造の酸化マグネシウム(MgO)からなる単結晶
の基板を用い、この基板上に、下部電極として(10
0)面に配向したPt電極薄膜を形成し、このPt電極
上に、その表面に対して垂直方向にc軸配向したPZT
薄膜を600〜700℃の温度で形成していた(例え
ば、非特許文献1、特許文献1参照)。この場合、PZ
T薄膜を形成する前に、PZT薄膜の下地層としてZr
が存在しないPbTiO3や(Pb,La)TiO3か
らなる膜厚0.1μmの圧電体層を、(100)面に配
向したPt電極上に形成しておいて、その上に膜厚2.
5μmのPZT薄膜をスパッタ法により形成すると、P
ZT薄膜形成の初期にZr酸化物からなる結晶性の低い
層が形成され難くなり、より高い結晶性のPZT薄膜が
得られる。つまり、(001)面配向度(α(00
1))が略100%のPZT薄膜が得られる。
て、Cu―Kα線を用いたときの2θが10〜70°で
のペロブスカイト型結晶構造のPZTにおける各結晶面
からの回折ピーク強度の総和である。尚、(002)面
及び(200)面は(001)面及び(100)面と等
価な面であるため、ΣI(hkl)には含めない。
MgO単結晶基板を用いるため、圧電素子が高価になっ
てしまい、この圧電素子を用いたインクジェットヘッド
も高価になってしまうという問題がある。また、基板材
料もMgO単結晶の一種類に制限されてしまうという欠
点がある。
ZT等のペロブスカイト型圧電材料の(001)面又は
(100)面結晶配向膜を形成する方法として、種々の
工夫がなされている。例えば、特許文献2には、(11
1)面に配向したPt電極上に、PZT又はランタンを
含有したPZTの前駆体溶液を塗布し、この前駆体溶液
を結晶化させる前に、先ず450〜550℃で熱分解さ
せ、その後550〜800℃で加熱処理して結晶化させ
ること(ゾル・ゲル法)により、PZT膜の(100)
面優先配向膜が生成可能であることが示されている。
極上に極薄のチタン層を形成することにより、その上に
形成するPZT膜の結晶配向性を制御できることが開示
されている。この方法は、シリコン等の基板上に酸化ジ
ルコニウムを主成分とする下地層を形成し、この下地層
上にイリジウムを含有する下部電極を形成し、この下部
電極上に極薄のチタン層を積層し、このチタン層上に、
圧電特性を有する強誘電体を構成する、金属元素及び酸
素元素を含む非晶質の圧電体前駆体薄膜を形成し、この
非晶質の薄膜を高温で熱処理する方法で結晶化させるこ
と(ゾル・ゲル法)により、ペロブスカイト型圧電体薄
膜に変化させる製造方法である。この製造方法では、チ
タン層の膜厚によりPZT等の圧電体薄膜の結晶配向性
の制御が可能であり、チタン層膜厚を2〜10nmとす
ると、(100)面配向膜が得られる。
用いて圧電体薄膜を形成する際、(111)面配向のP
t電極上に4〜6nmのチタン層を形成し、このチタン
層のチタンが酸化した酸化チタンを核にすることで、
(100)面配向のPZT膜が得られることが開示され
ている。
ィジックス(JournalofAppliedPhy
sics)”,(米国),アメリカ物理学会,1989
年2月15日,第65巻,第4号,p.1666―16
70
ィジックス(JournalofAppliedPhy
sics)”,(米国),アメリカ物理学会,1998
年4月1日,第83巻,第7号,p.3835―384
1
の方法においても、高価なMgO単結晶基板を用いない
方法としては優れているものの、ゾル・ゲル法により圧
電体薄膜を形成するため、MgO単結晶基板上に圧電体
薄膜を形成する場合のように、膜形成時において結晶配
向した結晶性良好な膜を得ることは困難である。このた
め、先ず非晶質の圧電体薄膜を形成し、この圧電体薄膜
を含む積層膜を基板ごと熱処理することで、結晶軸が相
応しい方向に優先配向するようにしている。
すると、有機物を取り除く脱脂工程において、非晶質の
圧電体前駆体薄膜に体積変化によるクラックが生じ易
く、さらに、非晶質の圧電体前駆体薄膜を高温加熱して
結晶化させる工程においても、結晶変化によりクラック
や下部電極との膜剥離が生じ易い。
題を解決する方法として、特許文献5や特許文献6に
は、下部電極にチタンや酸化チタンを添加することが有
効であることが示されている。特に、特許文献6では、
スパッタ法を用いた場合でも、(100)面配向のPZ
T膜が得られることが示されている。但し、下部電極上
に直接ペロブスカイト型PZT膜が得られるのではなく
て、最初に200℃以下の低温でアモルファス又はパイ
ロクロア型結晶構造のPZT膜を形成し、その後、酸素
雰囲気中における500〜700℃の高温で熱処理する
ことにより結晶化させており、ゾル・ゲル法と同様に、
高温加熱して結晶化させる工程での結晶変化によりクラ
ックや下部電極との剥離が生じ易いといった欠点があ
る。また、上記ゾル・ゲル法やスパッタ法により形成し
たPZT膜の(001)面配向度又は(100)面配向
度は、いずれの方法においても85%以下である。
工程(前駆体溶液の塗布及びその後の熱処理)において
形成されるPZT膜の膜厚がせいぜい100nm程度で
あるため、圧電素子に必要な1μm以上の膜厚を得るた
めには、上記工程を10回以上繰り返し行う必要があ
り、ともすると歩留まりが低くなってしまうという問題
がある。
膜を一旦形成し、熱処理等の後処理によって結晶性薄膜
に変化させて合成する方法であるゾル・ゲル法(MOD
法も含む)以外の方法、つまり熱処理による結晶化工程
なしに直接に結晶性薄膜を形成する成膜法、例えばスパ
ッタ法、レーザーアブレーション法、CVD法により、
極薄のチタン層を表面に形成したIr下地電極上へのP
ZT配向制御を試みたが、ゾル・ゲル法以外では配向膜
は得られなかったとしている。その理由は、ゾル・ゲル
法では、下部電極側から上部電極側にかけて徐々にPZ
T膜の結晶化が進行するのに対し、CVD法やスパッタ
法等では、PZT膜の結晶化がランダムに進行して、結
晶化に規則性がないことが配向制御を困難にしているか
らであるとしている。
厚さ12nm以下の酸化チタン層を形成し、直接スパッ
タ法によりペロブスカイト型結晶構造のチタン酸鉛膜や
PZT膜を形成した場合、いずれの膜も(111)面配
向性を示し、(100)面又は(001)面配向膜は得
られない(非特許文献2参照)。
あり、その目的とするところは、低コストで、圧電特性
に優れていて高信頼性の圧電素子が得られるようにする
ことにある。
めに、この発明では、電極層を、チタン又は酸化チタン
を含有する貴金属で構成しておき、この電極層上に、立
方晶系又は正方晶系の(100)面又は(001)面に
優先配向したペロブスカイト型酸化物であってジルコニ
ウムの含有量が0以上20モル%以下でありかつ鉛の含
有量が化学量論組成と比較して0を越え30モル%以下
過剰であるチタン酸ランタンジルコン酸鉛、又は該チタ
ン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマンガン
の少なくとも一方を添加したものからなる配向制御層を
形成し、この配向制御層上に、圧電体層を形成するよう
にするとともに、この配向制御層を形成する際に、電極
層における配向制御層側の表面部に位置するチタン又は
酸化チタンを核にしてその上側に結晶成長させることに
より、該配向制御層を(100)面又は(001)面に
優先配向させるようにし、この配向制御層により圧電体
層を(001)面に優先配向させるようにした。
に設けられた第1の電極層と、該第1の電極層上に設け
られた配向制御層と、該配向制御層上に設けられた圧電
体層と、該圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備
えた圧電素子を対象とする。
酸化チタンを含有する貴金属からなり、上記配向制御層
は、立方晶系又は正方晶系の(100)面又は(00
1)面に優先配向したペロブスカイト型酸化物であって
ジルコニウムの含有量が0以上20モル%以下でありか
つ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0を越え30モ
ル%以下過剰であるチタン酸ランタンジルコン酸鉛、又
は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウム及び
マンガンの少なくとも一方を添加したものからなり、上
記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)面
に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、上記
配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表面近
傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域が第
1の電極層における配向制御層側の表面部に位置するチ
タン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直な断
面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧電体
層側に向かって大きくなる構造を有しているものとす
る。
金属膜に、チタン又は酸化チタンを添加することで、基
板と第1の電極層との密着性を向上させることができ
て、圧電素子の製造時における膜剥離を防止することが
できるとともに、この第1の電極層上に配向制御層をス
パッタ法等により形成すれば、第1の電極層が(11
1)面配向であったとしても、配向制御層が(100)
面又は(001)面(立方晶系の場合は(100)面と
(001)面とは同じである)に配向し易くなる。すな
わち、第1の電極層の表面部には、チタン又は酸化チタ
ンが島状に点在しており、配向制御層は、この島状に点
在するチタン又は酸化チタンを核にしてその上側に結晶
成長し、これにより、チタン又は酸化チタン上において
(100)面又は(001)面に配向し易くなる。ま
た、上記チタン又は酸化チタンは、第1の電極層に含有
されているため、第1の電極層の表面からは殆ど突出し
ておらず(突出したとしてもその突出量は2nmよりも
小さくなる)、このことからも、配向制御層は、(10
0)面又は(001)面に配向し易くなる。一方、第1
の電極層は、シリコン等の基板を用いる場合には、通
常、(111)面配向になっており、このため、配向制
御層において第1の電極層の表面部におけるチタン又は
酸化チタンが存在しない部分の上側領域では、(10
0)面及び(001)面以外の面配向(例えば(11
1)面配向)になったりアモルファスになったりする。
しかし、このような(100)面や(001)面配向に
なっていない領域は、配向制御層における第1の電極層
側の表面近傍部(当該表面からせいぜい20nm程度ま
での範囲)にしか存在しない。つまり、上記チタン又は
酸化チタン上の(100)面又は(001)面配向の領
域がその結晶成長に連れて広がるため、層厚方向と垂直
な断面における該領域の面積が、第1の電極層側からそ
の反対側(圧電体層側)に向かって大きくなり、これに
より、(100)面や(001)面配向になっていない
領域は小さくなって、配向制御層の厚みが20nm程度
となった段階では略全体が(100)面又は(001)
面配向の領域となる。こうして形成した配向制御層上に
圧電体層を形成すれば、該配向制御層により圧電体層は
(001)面配向(菱面体晶系の場合には、(100)
面と(001)面とは同じあるため、この菱面体晶系の
(100)面配向を含む)となる。このような配向制御
層を設けることにより、圧電体層には、圧電特性が良好
な圧電材料を使用しつつ、配向制御層には結晶性や配向
性をより向上させ得る材料を使用することができ、この
結果、圧電体層の(001)面配向度を90%以上にす
ることができるようになる。尚、配向制御層において
(100)面や(001)面に配向していない領域は、
第1の電極層の表面近傍部だけでなく、圧電体層側の表
面に存在していてもよい。このような場合であっても、
配向制御層の層厚が0.01μm以上であれば、圧電体
層側の表面の大部分は(100)面又は(001)面配
向の領域となり、圧電体層の(001)面配向度を90
%以上にすることができる。
に、ゾル・ゲル法以外の、熱処理による結晶化工程なし
に直接に結晶性薄膜を形成する成膜法(スパッタ法やC
VD法等)であっても、配向性が良好な圧電体層が得ら
れ、これにより、圧電特性のばらつきを低く抑えること
ができるとともに、信頼性を向上させることができる。
すなわち、この圧電素子は、その圧電体層の膜表面に対
して垂直方向に電界を印加して用いられるため、特に正
方晶系ペロブスカイト型PZT膜においては、(00
1)面配向により、電界方向が<001>分極軸方向と
平行になって大きな圧電特性が得られる。また、電界印
加による分極の回転が起きないため、圧電特性のばらつ
きを低く抑えることができるとともに、信頼性を向上さ
せることができる。一方、菱面体晶系ペロブスカイト型
PZT膜においては、分極軸が<111>方向であるた
め、(100)面配向により、電界方向と分極軸方向と
の間に約54°の角度が生じるものの、(100)面配
向性を向上させることにより、電界印加に対して分極は
常に一定の角度を保つことができるため、この場合も電
界印加による分極の回転が起きず、これにより、圧電特
性のばらつきを低く抑えることができるとともに、信頼
性を向上させることができる(例えば、無配向のPZT
膜の場合には分極はいろいろな方向を向いているため、
電界を印加すると、電界と平行方向に分極軸を向けよう
とするため、圧電特性が電圧依存性を有してばらつきが
大きくなったり、経時変化が生じて信頼性に問題が生じ
たりする)。
ても、良好な配向性を有する圧電体層が容易に得られる
ので、安価なガラス基板、金属基板、セラミックス基
板、Si基板等を用いることにより、製造コストを低減
することができる。
っても、ゾル・ゲル法のように同じ工程を何回も繰り返
す必要がなく、圧電体層をスパッタ法等により容易に形
成することができ、歩留まりの低下を抑制することがで
きる。
ルコン酸鉛(PLZT;ジルコニウムの含有量が0であ
る場合のチタン酸ランタン鉛(PLT)を含む)を配向
制御層に用いることで、配向制御層が(100)面又は
(001)面により一層配向し易くなり、延いては圧電
体層の配向性を向上させることができる。しかも、この
ようにジルコニウムの含有量を20モル%以下とする
と、結晶成長初期にZr酸化物からなる結晶性が低い層
が形成され難く、また鉛の含有量を化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰とすることで、配向制
御層の結晶性の低下を確実に抑制することができ、この
ことで耐電圧を向上させることができる。よって、圧電
体層の結晶性や配向性を確実に向上させることができ
て、圧電素子の圧電特性をより一層向上させることがで
きる。
いて、チタン酸ランタンジルコン酸鉛におけるランタン
の含有量が0を越え25モル%以下であるものとする。
2の発明において、チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマ
グネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加する場
合のトータル添加量は、0を越え10モル%以下である
ものとする。
制御層の結晶性の低下をより有効に抑えることができ
る。
れか1つの発明において、第1の電極層は、白金、イリ
ジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少
なくとも1種の貴金属からなり、該貴金属に含有された
チタン又は酸化チタンの含有量が0を越え30モル%以
下であるものとする。
タ法等に形成する際の温度に十分に耐えられるととも
に、電極として適切な材料とすることができる。また、
チタン又は酸化チタンの含有量は、30モル%を越える
と配向制御層(延いては圧電体層)の結晶性及び配向性
が低下するので、このように30モル%以下とするのが
よい。
か1つの発明において、第1の電極層における配向制御
層側の表面部に位置するチタン又は酸化チタンの該表面
からの突出量が2nmよりも小さいものとする。
電極層に含有したものであり、第1の電極層の上側に積
極的に設けたものではないため、第1の電極層における
配向制御層側の表面から突出することは殆どなく、突出
したとしてもその突出量は2nmよりも小さくなる。こ
れにより、上述の如く、配向制御層が(100)面又は
(001)面に配向し易くなる。
れか1つの発明において、圧電体層は、チタン酸ジルコ
ン酸鉛を主成分とする圧電材料からなるものとする。
料とすることができ、高性能の圧電素子が得られる。
れか1つの発明において、基板と第1の電極層との間
に、該基板と第1の電極層との密着性を高める密着層が
設けられているものとする。
密着性をさらに向上させることができ、圧電素子の製造
時における膜剥離を確実に防止することができる。
御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されてなる
圧電素子と、該圧電素子の第2の電極層側の面に設けら
れた振動層と、該振動層の圧電素子とは反対側の面に接
合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材と
を備え、上記圧電素子の圧電体層の圧電効果により上記
振動層を層厚方向に変位させて上記圧力室内のインクを
吐出させるように構成されたインクジェットヘッドの発
明である。
1の電極層は、チタン又は酸化チタンを含有する貴金属
からなり、上記配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の
(100)面又は(001)面に優先配向したペロブス
カイト型酸化物であってジルコニウムの含有量が0以上
20モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と
比較して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ラ
ンタンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン
酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添
加したものからなり、上記圧電体層は、菱面体晶系又は
正方晶系の(001)面に優先配向したペロブスカイト
型酸化物からなり、上記配向制御層における少なくとも
第1の電極層側の表面近傍部は、(100)面又は(0
01)面配向の領域が第1の電極層における配向制御層
側の表面部に位置するチタン又は酸化チタン上に存在し
かつ層厚方向と垂直な断面における上記領域の面積が第
1の電極層側から圧電体層側に向かって大きくなる構造
を有しているものとする。
層、配向制御層、圧電体層、第2の電極層及び振動層を
スパッタ法等により順次形成して、この振動層に圧力室
部材を接合した後に上記基板を除去するようにすれば、
請求項1の発明と同様の構成の圧電素子を備えたインク
ジェットヘッドが得られ、その圧電素子の圧電体層の
(001)面配向度を90%以上にすることができる。
よって、インク吐出性能のばらつきが少なくて耐久性に
優れたインクジェットヘッドが得られる。
制御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されてな
る圧電素子と、該圧電素子の第1の電極層側の面に設け
られた振動層と、該振動層の圧電素子とは反対側の面に
接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材
とを備え、上記圧電素子の圧電体層の圧電効果により上
記振動層を層厚方向に変位させて上記圧力室内のインク
を吐出させるように構成されたインクジェットヘッドを
対象とする。
チタン又は酸化チタンを含有する貴金属からなり、上記
配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の(100)面又
は(001)面に優先配向したペロブスカイト型酸化物
であってジルコニウムの含有量が0以上20モル%以下
でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0を越
え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジルコン
酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシ
ウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したものから
なり、上記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(0
01)面に優先配向したペロブスカイト型酸化物からな
り、上記配向制御層における少なくとも第1の電極層側
の表面近傍部は、(100)面又は(001)面配向の
領域が第1の電極層における配向制御層側の表面部に位
置するチタン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と
垂直な断面における上記領域の面積が第1の電極層側か
ら圧電体層側に向かって大きくなる構造を有しているも
のとする。
て、その上に、振動層、第1の電極層、配向制御層、圧
電体層及び第2の電極層をスパッタ法等により順次形成
するようにすれば、請求項8の発明と同様の作用効果を
有するインクジェットヘッドが得られる。
から所定の方向に延びる少なくとも一対の振動部とを有
する基板を備え、該基板の少なくとも各振動部上に、第
1の電極層と配向制御層と圧電体層と第2の電極層とが
順に積層されており、該各振動部上における第2の電極
層が、当該振動部を振動部の幅方向に振動させるための
少なくとも1つの駆動電極と、当該振動部の厚み方向の
変形を検出するための少なくとも1つの検出電極とにパ
ターン化された角速度センサの発明である。
酸化チタンを含有する貴金属からなり、上記配向制御層
は、立方晶系又は正方晶系の(100)面又は(00
1)面に優先配向したペロブスカイト型酸化物であって
ジルコニウムの含有量が0以上20モル%以下でありか
つ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0を越え30モ
ル%以下過剰であるチタン酸ランタンジルコン酸鉛、又
は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウム及び
マンガンの少なくとも一方を添加したものからなり、上
記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)面
に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、上記
配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表面近
傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域が第
1の電極層における配向制御層側の表面部に位置するチ
タン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直な断
面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧電体
層側に向かって大きくなる構造を有しているものとす
る。
及び第1の電極層間に電圧を印加することで、基板の各
振動部を振動部の幅方向に振動させ、この振動時にコリ
オリ力によって振動部が厚み方向に変形すると、第2の
電極層の検出電極及び第1の電極層間に電圧が発生し、
この電圧の大きさ(コリオリ力)から角速度を検出する
ことができる。そして、このように角速度を検出する部
分(振動部)が、請求項1の発明と同様の構成の圧電素
子で構成されていることになるので、従来の水晶を用い
た角速度センサよりも圧電定数を40倍程度に大きくす
ることができ、かなり小型化することができる。また、
工業的に量産しても、特性の再現性が良好で、ばらつき
が少なく、耐電圧及び信頼性の良好な角速度センサが得
られる。
において、チタン酸ランタンジルコン酸鉛におけるラン
タンの含有量が0を越え25モル%以下であるものとす
る。こうすることで、請求項2の発明と同様の作用効果
が得られる。
1の発明において、チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマ
グネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加する場
合のトータル添加量は、0を越え10モル%以下である
ものとする。このことで、請求項3の発明と同様の作用
効果を得ることができる。
のいずれか1つの発明において、第1の電極層は、白
金、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選
ばれた少なくとも1種の貴金属からなり、該貴金属に含
有されたチタン又は酸化チタンの含有量が0を越え30
モル%以下であるものとする。このことにより、請求項
4の発明と同様の作用効果を得ることができる。
のいずれか1つの発明において、第1の電極層における
配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化チタン
の該表面からの突出量が2nmよりも小さいものとす
る。このことで、請求項5の発明と同様の作用効果を得
ることができる。
のいずれか1つの発明において、圧電体層は、チタン酸
ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料からなるものとす
る。このことにより、請求項6の発明と同様の作用効果
が得られる。
のいずれか1つの発明において、基板と第1の電極層と
の間に、該基板と第1の電極層との密着性を高める密着
層が設けられているものとする。こうすることで、請求
項7の発明と同様の作用効果を得ることができる。
は酸化チタンを含有する貴金属からなる第1の電極層を
スパッタ法により形成する工程と、上記第1の電極層上
に、立方晶系又は正方晶系のペロブスカイト型酸化物か
らなる配向制御層をスパッタ法により形成する工程と、
上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法により
形成する工程と、上記圧電体層上に第2の電極層を形成
する工程とを含む圧電素子の製造方法の発明である。
は、ジルコニウムの含有量が0以上20モル%以下であ
りかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0を越え3
0モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジルコン酸
鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウ
ム及びマンガンの少なくとも一方を添加したものからな
り、上記配向制御層を形成する工程は、上記第1の電極
層における配向制御層側の表面部に位置するチタン又は
酸化チタンを核にしてその上側に結晶成長させることに
より、該配向制御層を(100)面又は(001)面に
優先配向させる工程であり、上記圧電体層を形成する工
程は、上記配向制御層により、該圧電体層を(001)
面に優先配向させる工程であるものとする。
作用効果を有する圧電素子を容易に製造することができ
る。
制御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されてな
る圧電素子を備え、該圧電素子の圧電体層の圧電効果に
より振動層を層厚方向に変位させて圧力室内のインクを
吐出させるように構成されたインクジェットヘッドの製
造方法の発明である。
又は酸化チタンを含有する貴金属からなる第1の電極層
をスパッタ法により形成する工程と、上記第1の電極層
上に、立方晶系又は正方晶系のペロブスカイト型酸化物
からなる配向制御層をスパッタ法により形成する工程
と、上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペ
ロブスカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法に
より形成する工程と、上記圧電体層上に第2の電極層を
形成する工程と、上記第2の電極層上に、振動層を形成
する工程と、上記振動層の第2の電極層とは反対側の面
に、圧力室を形成するための圧力室部材を接合する工程
と、上記接合工程後に、上記基板を除去する工程とを含
み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含有量が0以上
20モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と
比較して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ラ
ンタンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン
酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添
加したものからなり、上記配向制御層を形成する工程
は、上記第1の電極層における配向制御層側の表面部に
位置するチタン又は酸化チタンを核にしてその上側に結
晶成長させることにより、該配向制御層を(100)面
又は(001)面に優先配向させる工程であり、上記圧
電体層を形成する工程は、上記配向制御層により、該圧
電体層を(001)面に優先配向させる工程であるもの
とする。
作用効果を有するインクジェットヘッドを容易に製造す
ることができる。
向制御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されて
なる圧電素子を備え、該圧電素子の圧電体層の圧電効果
により振動層を層厚方向に変位させて圧力室内のインク
を吐出させるように構成されたインクジェットヘッドの
製造方法を対象とする。
板上に、振動層を形成する工程と、上記振動層上に、チ
タン又は酸化チタンを含有する貴金属からなる第1の電
極層をスパッタ法により形成する工程と、上記第1の電
極層上に、立方晶系又は正方晶系のペロブスカイト型酸
化物からなる配向制御層をスパッタ法により形成する工
程と、上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系の
ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法
により形成する工程と、上記圧電体層上に第2の電極層
を形成する工程と、上記圧力室基板に、圧力室を形成す
る工程とを含み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含
有量が0以上20モル%以下でありかつ鉛の含有量が化
学量論組成と比較して0を越え30モル%以下過剰であ
るチタン酸ランタンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ラン
タンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なく
とも一方を添加したものからなり、上記配向制御層を形
成する工程は、上記第1の電極層における配向制御層側
の表面部に位置するチタン又は酸化チタンを核にしてそ
の上側に結晶成長させることにより、該配向制御層を
(100)面又は(001)面に優先配向させる工程で
あり、上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層
により、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工
程であるものとする。
効果を有するインクジェットヘッドを容易に製造するこ
とができる。
から所定の方向に延びる少なくとも一対の振動部とを有
する基板を備え、該基板の少なくとも各振動部上に、第
1の電極層と配向制御層と圧電体層と第2の電極層とが
順に積層されており、該各振動部上における第2の電極
層が、当該振動部を振動部の幅方向に振動させるための
少なくとも1つの駆動電極と、当該振動部の厚み方向の
変形を検出するための少なくとも1つの検出電極とにパ
ターン化された角速度センサの製造方法の発明である。
を含有する貴金属からなる第1の電極層をスパッタ法に
より形成する工程と、上記第1の電極層上に、立方晶系
又は正方晶系のペロブスカイト型酸化物からなる配向制
御層をスパッタ法により形成する工程と、上記配向制御
層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型酸
化物からなる圧電体層をスパッタ法により形成する工程
と、上記圧電体層上に、第2の電極層を形成する工程
と、上記第2の電極層をパタ−ニングして上記駆動電極
及び検出電極を形成する工程と、上記圧電体層、配向制
御層及び第1の電極層をパタ−ニングする工程と、上記
基板をパタ−ニングして上記固定部及び振動部を形成す
る工程とを含み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含
有量が0以上20モル%以下でありかつ鉛の含有量が化
学量論組成と比較して0を越え30モル%以下過剰であ
るチタン酸ランタンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ラン
タンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なく
とも一方を添加したものからなり、上記配向制御層を形
成する工程は、上記第1の電極層における配向制御層側
の表面部に位置するチタン又は酸化チタンを核にしてそ
の上側に結晶成長させることにより、該配向制御層を
(100)面又は(001)面に優先配向させる工程で
あり、上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層
により、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工
程であるものとする。
の作用効果を有する角速度センサを容易に製造すること
ができる。
録装置の発明であり、この発明では、請求項8又は9記
載のインクジェットヘッドと、上記インクジェットヘッ
ドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備
え、上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記
録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェ
ットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズ
ル孔から該圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記
録を行うように構成されているものとする。
めて良好な記録装置が容易に得られる。
において11は、厚みが0.3mmのφ4インチシリコ
ン(Si)ウエハからなる基板であり、この基板11上
には、厚みが0.02μmであってチタン(Ti)から
なる密着層12が形成されている。尚、上記基板11
は、Siに限るものではなく、ガラス基板や、金属基
板、セラミックス基板等であってもよい。
mであって2.1モル%のTiを添加した白金(Pt)
からなる第1の電極層14が形成されている。この第1
の電極層14は(111)面配向となっている。
(La)の含有量が12モル%でありかつ鉛の含有量が
化学量論組成と比較して8モル%過剰である立方晶系又
は正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するPLT
からなる配向制御層15が形成されている。この配向制
御層15は(100)面又は(001)面に優先配向し
てなり、その膜厚は0.03μmである。
であって菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型結
晶構造を有するPZTからなる圧電体層16が形成され
ている。この圧電体層16は(001)面に優先配向し
てなる。上記PZTの組成は、正方晶と菱面体晶との境
界(モルフォトロピック相境界)付近の組成(Zr/T
i=53/47)である。尚、圧電体層16におけるZ
r/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Z
r/Ti=30/70〜70/30であればよい。ま
た、圧電体層16の構成材料は、PZTにSr、Nb、
Al等の添加物を含有したもの等のように、PZTを主
成分とする圧電材料であればよく、PMNやPZNであ
ってもよい。さらに、膜厚は、0.5〜5.0μmの範
囲であればよい。
mであってPtからなる第2の電極層17が形成されて
いる。尚、第2の電極層17の材料はPtに限らず、導
電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.4μmの範
囲であればよい。
に、密着層12、第1の電極層14、配向制御層15、
圧電体層16及び第2の電極層17をスパッタ法により
順次成膜して積層したものである。尚、成膜法はスパッ
タ法に限らず、熱処理による結晶化工程なしに直接に結
晶性薄膜を形成する成膜法(例えばCVD法等)であれ
ばよい。また、密着層12及び第2の電極層17の成膜
法は、ゾル・ゲル法等であってもよい。
電極層14との密着性を高めるためのものであって、T
iに限らず、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しく
はクロム又はそれら(Tiを含む)の化合物で構成して
もよい。また、膜厚は0.005〜1μmの範囲であれ
ばよい。この密着層12は必ずしも必要なものではな
く、基板11上に第1の電極層14を直接に形成するよ
うにしても、第1の電極層14にTiが含有されている
ので、基板11と第1の電極層14との密着性はかなり
良好となる。
割を有するだけでなく、Tiを添加したことにより、上
記配向制御層15を(100)面又は(001)面に優
先配向させる役割をも担っており、このTiの代わりに
酸化チタンを添加してもよい。このチタン又は酸化チタ
ンの添加量は、0を越え30モル%以下であることが好
ましい。また、第1の電極層14の材料は、Pt、イリ
ジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少
なくとも1種の貴金属であればよく、膜厚は0.05〜
2μmの範囲であればよい。尚、第1の電極層14にお
ける配向制御層15側の表面部に位置するチタン又は酸
化チタンは、第1の電極層14に含有したものであり、
第1の電極層14の上側に積極的に設けたものではない
ため、上記配向制御層15側の表面から突出することは
殆どなく、突出したとしてもその突出量は2nmよりも
小さい。
の結晶性及び(001)面配向性を向上させるものであ
って、そのために、Laを含みかつZrを含まず、鉛の
含有量が化学量論組成よりも過剰なPLTとしている。
尚、圧電体層16の結晶性及び配向性を向上させる観点
から、Laの含有量は0を越え25モル%以下であれば
よく、鉛の含有量は0を越え30モル%以下過剰とす
る。また、配向制御層15を構成する材料は、上記PL
Tに限らず、このPLTにジルコニウムを含有したPL
ZTであってもよく、これらPLTやPLZTに、マグ
ネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの
であってもよい。上記ジルコニウムの含有量は20モル
%以下とする。マグネシウム及びマンガンの少なくとも
一方を添加する場合、そのトータル添加量は0を越え1
0モル%以下(いずれか一方の添加量が0であってもよ
い)であることが好ましい。また、配向制御層15の膜
厚は0.01〜0.2μmの範囲であればよい。
の電極層14側の表面近傍部は、図2に示すように、
(100)面又は(001)面配向の領域15aが、第
1の電極層14における配向制御層15側の表面部に位
置するチタン(第1の電極層14に酸化チタンを含有し
た場合には酸化チタンであるが、チタンを含有した場合
でも酸化して酸化チタンになることがある)上に存在し
ていて層厚方向と垂直な断面における上記領域15aの
面積が第1の電極層14側から圧電体層16側に向かっ
て大きくなる構造を有している。一方、第1の電極層1
4が(111)配向であるため、配向制御層15におい
て第1の電極層14の表面部におけるチタン又は酸化チ
タンが存在しない部分の上側領域15bでは、(10
0)面や(001)面には配向しておらず、ここでは、
(111)面配向になっている(第1の電極層14の材
料によっては(111)面以外の配向になったりアモル
ファスになったりする)。このような(100)面や
(001)面配向になっていない領域15bは、配向制
御層15の第1の電極層14側の表面から最大でも20
nm程度までの範囲にしか存在せず、配向制御層15の
膜厚が0.02μm以上であれば、配向制御層15の圧
電体層16側の表面の略全体が(100)面又は(00
1)面配向の領域15aとなる。
により(001)面に優先配向されたものであり、その
(001)面配向度αは90%以上となっている。
面全てが上記領域15aとなっている必要はなく、膜厚
がかなり小さいために、(100)面及び(001)面
に配向していない領域15bが部分的に存在していても
よい。このような場合であっても、配向制御層15の層
厚が0.01μm以上であれば、圧電体層16側の表面
の大部分は(100)面又は(001)面配向の領域と
なり、圧電体層16の(001)面配向度を90%以上
にすることができる。
る。
2、第1の電極層14、配向制御層15、圧電体層16
及び第2の電極層17をスパッタ法により順次成膜す
る。
て、基板11を400℃に加熱しながら100Wの高周
波電力を印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形
成することにより得られる。
置を使用して、Tiターゲット及びPtターゲットを用
い、基板11を400℃に加熱しながら1Paのアルゴ
ンガス中において85W及び200Wの高周波電力で1
2分間形成することにより得られる。この得られた第1
の電極層14における密着層12とは反対側の表面部に
は、チタンが島状に点在している。
より形成する際に使用するガスは、上記のようにアルゴ
ンガスのみであってもよく、アルゴンと酸素との混合ガ
スであってもよい。アルゴンガスのみを用いた場合に
は、第1の電極層14の表面部のチタンは酸化されない
が、アルゴンと酸素との混合ガスを用いた場合には、そ
のチタンが酸化されて酸化チタンとなる。特にアルゴン
と酸素との混合ガスを用いる場合には、基板11の温度
を650℃以下に設定することが望ましい。これは、基
板11の温度が650℃よりも高いと、チタンのみなら
ず貴金属表面も僅かに酸化して、その上側に形成する配
向制御層15の結晶性や配向性に悪影響を及ぼす可能性
があるからである。
ル%含有するPLTに酸化鉛(PbO)を12モル%過
剰に加えて調合した焼結ターゲットを用い、基板11の
温度600℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガ
ス体積比Ar:O2=19:1)において、真空度0.
8Pa、高周波電力300Wの条件で12分間形成する
ことにより得られる。
り形成する際に使用するアルゴンと酸素との混合ガスに
おける酸素分圧は、0%を越え10%以下であることが
好ましい。これは、酸素が全く存在しない状態では、配
向制御層15の結晶性が低下する一方、酸素分圧が10
%を越えると、(100)面又は(001)面の配向性
が低下するからである。また、真空度は、0.05Pa
以上5Pa以下であることが好ましい。これは、真空度
が0.05Paよりも小さいと、配向制御層15の結晶
性がばらつく一方、5Paを越えると、(100)面又
は(001)面の配向性が低下するからである。
より形成する際の基板11の温度は、450℃以上75
0℃以下であることが望ましい。これは、基板11の温
度が450℃よりも小さいと、配向制御層15の結晶性
が低下するとともに、パイロクロアが生成し易くなる一
方、750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれ
るPbが蒸発することにより不足し、結晶性が低下する
からである。
%以上10%以下とし、かつ真空度を0.1Pa以上2
Pa以下とするとともに、基板11の温度を500℃以
上650℃以下にすることである。
ば、この配向制御層15は、第1の電極層14における
配向制御層15側の表面部に点在するチタンを核にして
結晶成長し、これにより、チタン上において(100)
面又は(001)面に配向し易くなる。また、このチタ
ンが、上記の如く第1の電極層14の表面からは殆ど突
出していない(突出してもその突出量は2nmよりも小
さい)ので、配向制御層15は、(100)面又は(0
01)面により一層配向し易くなる。一方、第1の電極
層14は(111)面配向になっているため、配向制御
層15において第1の電極層14の表面部におけるチタ
ンが存在しない部分の上側領域では、(100)面や
(001)面配向とはならない(ここでは、(111)
面配向になる)。この領域は上記結晶成長に連れて小さ
くなる一方、(100)面又は(001)面配向の領域
は拡大する。この結果、配向制御層15における第1の
電極層14側の表面近傍部は、上述の如く、第1の電極
層14における配向制御層15側の表面部に位置するチ
タン上に存在する(100)面又は(001)面配向の
領域15aと、第1の電極層14の表面部におけるチタ
ンが存在しない部分の上側に存在しかつ(100)面や
(001)面配向となっていない領域15bとを有する
ことになり、この(100)面又は(001)面配向の
領域15aは第1の電極層14側からその反対側(圧電
体層16側)に向かって広くなり、配向制御層15の圧
電体層16側の表面では、略全体が(100)面又は
(001)面配向の領域15aとなる。そして、ジルコ
ニウムの含有量を20モル%以下とし、ランタンの含有
量が0を越え25モル%以下とすれば、配向制御層15
の結晶性や配向性が格段に向上する。特にジルコニウム
の含有量が少ないほど、結晶成長初期にZr酸化物から
なる結晶性が低い層が形成され難くなり、結晶性の低下
が確実に抑制される。
=53/47)の焼結体ターゲットを用い、基板11の
温度610℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガ
ス体積比Ar:O2=19:1)において、真空度0.
3Pa、高周波電力250Wの条件で3時間形成するこ
とにより得られる。
形成する際に使用するアルゴンと酸素との混合ガスにお
ける酸素分圧は、0%を越え30%以下であることが好
ましい。これは、酸素が全く存在しない状態では、圧電
体層16の結晶性が低下する一方、酸素分圧が30%を
越えると、(001)面配向度が低下するからである。
また、真空度は、0.1Pa以上1Pa以下であること
が好ましい。これは、真空度が0.1Paよりも小さい
と、圧電体層16の結晶性及び圧電特性がばらつく一
方、1Paを越えると、(001)面配向度が低下する
からである。
り形成する際の基板11の温度は、450℃以上750
℃以下であることが望ましい。これは、基板11の温度
が450℃よりも小さいと、圧電体層16の結晶性が低
下するとともに、パイロクロアが生成し易くなる一方、
750℃よりも大きいと、成膜時に、膜中に含まれるP
bが蒸発することにより不足し、結晶性が低下するから
である。
上10%以下とし、かつ真空度を0.15Pa以上0.
8Pa以下とするとともに、基板11の温度を525℃
以上625℃以下とすることである。
この圧電体層16は、上記配向制御層15の圧電体層1
6側の表面が(100)面又は(001)面配向となっ
ていることで、(001)面配向となり(ここでは、Z
r/Ti=53/47であることから菱面体晶系とな
り、この菱面体晶系の場合には、(100)面と(00
1)面とは同じあるため、この菱面体晶系の(100)
面配向を含む)、その(001)面配向度(菱面体晶系
の(100)面配向度)が90%以上となる。また、配
向制御層15の結晶性が良好であるため、この圧電体層
16の結晶性も良好となる。
を用いて、室温において1Paのアルゴンガス中200
Wの高周波電力で10分間形成することにより得られ
る。
高価なMgO単結晶基板を用いなくても、安価なシリコ
ンの基板11上にスパッタ法により成膜することで、結
晶性及び配向性が良好な圧電体層16が得られ、製造コ
ストを低減しつつ、圧電素子の圧電特性のばらつきを低
く抑えることができるとともに、信頼性を向上させるこ
とができる。また、Zr酸化物からなる結晶性が低い層
が形成され難いので、圧電素子の耐電圧を向上させるこ
とができる。
明する。尚、以下の各実施例1〜5においては、基板上
に、密着層、第1の電極層、配向制御層、圧電体層及び
第2の電極層を順に形成した構成は、上記実施形態と同
じである(但し、実施例5では、密着層を形成していな
い)。
が上記実施形態で説明したものと同じものとした。この
実施例1の圧電素子の各膜には、クラックや膜剥離は見
られなかった。
体層の結晶配向性や膜組成を調べた。すなわち、X線回
折法による解析から、圧電体層は(100)面配向菱面
体晶系ペロブスカイト型結晶構造を示し、(100)面
配向度はα=97%であった。また、PZT膜の組成
は、X線マイクロアナライザーによる組成分析を行った
結果、ターゲット組成と同じでZr/Ti比は53/4
7であった。
電極層の結晶配向性及び膜組成を調べた。すなわち、X
線回折法により解析を行った結果、Pt膜は(111)
面配向を示していた。また、X線光電子分光(XPS)
で表面から5nmの深さでの組成分析を行った結果、T
i量は2.1モル%であった。
層の結晶配向性及び膜組成を調べた。この配向制御層の
PLT膜は(100)面配向ペロブスカイト型結晶構造
を示していた。尚、配向制御層の第1の電極層側には
(111)面配向になった部分が見られた。この(11
1)面配向になった部分は、第1の電極層の表面部にお
けるチタンが存在しない部分の上側に存在すると考えら
れる。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析
を行った結果、ランタンが12モル%含有され、Pbが
8モル%過剰に含まれていた。
ものを用いて、ダイシングにより15mm×2mmに切
り出したカンチレバーを100個作製し、0.2μm厚
の第2の電極層をスパッタ法により形成して、圧電定数
d31の測定を行った(圧電定数d31の測定方法につ
いては、例えば特開2001−21052号公報参
照)。この100個のカンチレバーの圧電定数の平均値
は−127pC/Nであり、ばらつきはσ=4.2%で
あった。
1mm角で0.2μm厚のPt膜としてスパッタ法によ
りメタルマスクを用いて10mm間隔で65個形成し、
それぞれの第2の電極層と第1の電極層との間に電圧を
印加して耐電圧を測定した。尚、耐電圧値は、電圧印加
による電流値が1μAとなる値とした。この結果、耐電
圧値の平均は118Vであり、ばらつきはσ=4.2%
であった。
チステンレス鋼(SUS304)とし、密着層には、膜
厚0.01μmのタンタル(Ta)膜を、第1の電極層
には、膜厚が0.25μmであって酸化チタンを8モル
%含有するPt膜を、配向制御層には、膜厚が0.03
μmであって17モル%のランタンを含有しかつ鉛の含
有量が化学量論組成と比較して6モル%過剰であるPL
T膜(3モル%のマグネシウムを添加したもの)を、圧
電体層には、膜厚が2.7μmであるPZT膜(Zr/
Ti=40/60)を、第2の電極層には、膜厚が0.
1μmのPt膜をそれぞれ用いた。
基板を500℃に加熱しながら100Wの高周波電力を
印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成するこ
とにより得た。
使用して、Tiターゲット及びPtターゲットを用い、
基板を400℃に加熱しながら1Paのアルゴンと酸素
との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=15:1)
において120W及び200Wの高周波電力で12分間
形成することにより得た。
を含有するPLTに、3モル%のマグネシウムを添加し
かつ酸化鉛(PbO)を10モル%過剰に加えて調合し
た焼結ターゲットを用い、基板温度600℃で、アルゴ
ンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=1
9:1)において、真空度0.8Pa、高周波電力30
0Wの条件で15分間形成することにより得た。
0/60)の焼結体ターゲットを用い、基板温度600
℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比A
r:O2=19:1)において、真空度0.3Pa、高
周波電力250Wの条件で3時間形成することにより得
た。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で形成することにより得た。
ックや膜剥離は見られなかった。
体層の結晶配向性や膜組成を、上記実施例1と同様の方
法で調べたところ、圧電体層は(001)面配向正方晶
系ペロブスカイト型結晶構造を示し、(001)面配向
度はα=96%であった。また、PZT膜の組成は、タ
ーゲット組成と同じでZr/Ti比は40/60であっ
た。
電極層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、Pt膜
は(111)面配向を示していた。また、酸化チタン量
は8モル%であった。
層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、PLT膜は
(001)面配向ペロブスカイト型結晶構造を示してい
た。尚、配向制御層の第1の電極層側には(111)面
配向になった部分が見られた。この(111)面配向に
なった部分は、第1の電極層の表面部における酸化チタ
ンが存在しない部分の上側に存在すると考えられる。ま
た、マグネシウムが3モル%、ランタンが17モル%含
有され、Pbが6モル%過剰に含まれていた。
層を形成する前の状態のものを用いて、ダイシングによ
り15mm×2mmに切り出したカンチレバーを100
個作製し、0.1μm厚の第2の電極層をスパッタ法に
より形成して、圧電定数d31の測定を行ったところ、
100個のカンチレバーの圧電定数の平均値は−129
pC/Nであり、ばらつきはσ=2.9%であった。
1mm角で0.1μm厚のPt膜としてスパッタ法によ
りメタルマスクを用いて10mm間隔で65個形成し、
それぞれの第2の電極層と第1の電極層との間に電圧を
印加して耐電圧を測定したところ、耐電圧値の平均は1
18Vであり、ばらつきはσ=4.8%であった。
珪酸ガラス(100mm角サイズ)とし、密着層には、
膜厚0.005μmのニッケル(Ni)膜を、第1の電
極層には、膜厚が0.15μmであってチタンを18モ
ル%含有するイリジウム(Ir)膜を、配向制御層に
は、膜厚が0.02μmであって8モル%のランタンを
含有しかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して16モ
ル%過剰であるPLT膜(1モル%のマンガンを添加し
たもの)を、圧電体層には、膜厚が2.6μmであるP
ZT膜(Zr/Ti=60/40)を、第2の電極層に
は、膜厚が0.01μmのPt膜をそれぞれ用いた。
基板を300℃に加熱しながら200Wの高周波電力を
印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成するこ
とにより得た。
使用して、Tiターゲット及びIrターゲットを用い、
基板を600℃に加熱しながら1Paのアルゴンガス中
において160W及び200Wの高周波電力で10分間
形成することにより得た。
を含有するPLTに、2モル%のマンガンを添加しかつ
酸化鉛(PbO)を22モル%過剰に加えて調合した焼
結ターゲットを用い、基板温度580℃で、アルゴンと
酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:
1)において、真空度0.8Pa、高周波電力300W
の条件で15分間形成することにより得た。
0/40)の焼結体ターゲットを用い、基板温度580
℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比A
r:O2=19:1)において、真空度0.3Pa、高
周波電力260Wの条件で3時間形成することにより得
た。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で形成することにより得た。
ックや膜剥離は見られなかった。
体層の結晶配向性や膜組成を調べたところ、圧電体層は
(100)面配向菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造
を示し、(100)面配向度はα=95%であった。ま
た、PZT膜の組成は、ターゲット組成と同じでZr/
Ti比は60/40であった。
電極層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、Ir膜
は(111)面配向を示していた。また、Ti量は18
モル%であった。
層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、PLT膜は
(100)面配向ペロブスカイト型結晶構造を示してい
た。尚、配向制御層の第1の電極層側にはアモルファス
になった部分が見られた。このアモルファスになった部
分は、第1の電極層の表面部におけるチタンが存在しな
い部分の上側に存在すると考えられる。また、マンガン
が1モル%、ランタンが8モル%含有され、Pbが16
モル%過剰に含まれていた。
ものを用いて、ダイシングにより15mm×2mmに切
り出したカンチレバーを100個作製し、0.01μm
厚の第2の電極層をスパッタ法により形成して、圧電定
数d31の測定を行ったところ、100個のカンチレバ
ーの圧電定数の平均値は−122pC/Nであり、ばら
つきはσ=3.6%であった。
1mm角で0.01μm厚のPt膜としてスパッタ法に
よりメタルマスクを用いて10mm間隔で65個形成
し、それぞれの第2の電極層と第1の電極層との間に電
圧を印加して耐電圧を測定したところ、耐電圧値の平均
は115Vであり、ばらつきはσ=5.2%であった。
シリコンウエハとし、密着層には、膜厚0.01μmの
チタン膜を、第1の電極層には、膜厚が0.25μmで
あって酸化チタンを5モル%含有するIr膜を、配向制
御層には、膜厚が0.05μmであって10モル%のラ
ンタンを含有しかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較し
て10モル%過剰であるPLT膜を、圧電体層には、膜
厚が3.2μmであるPZT膜(Zr/Ti=52/4
8)を、第2の電極層には、膜厚が0.01μmのPt
膜をそれぞれ用いた。
基板を500℃に加熱しながら100Wの高周波電力を
印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成するこ
とにより得た。
使用して、Tiターゲット及びIrターゲットを用い、
基板を400℃に加熱しながら1Paのアルゴンと酸素
との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=10:1)
において90W及び200Wの高周波電力で12分間形
成することにより得た。
を含有するPLTに酸化鉛(PbO)を14モル%過剰
に加えて調合した焼結ターゲットを用い、基板温度60
0℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比
Ar:O2=15:1)において、真空度0.84P
a、高周波電力300Wの条件で20分間形成すること
により得た。
2/48)の焼結体ターゲットを用い、基板温度620
℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比A
r:O2=19:1)において、真空度0.4Pa、高
周波電力270Wの条件で3時間形成することにより得
た。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で形成することにより得た。
ックや膜剥離は見られなかった。
体層の結晶配向性や膜組成を調べたところ、圧電体層は
(100)面配向菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造
を示し、(100)面配向度はα=99%であった。ま
た、PZT膜の組成は、ターゲット組成と同じでZr/
Ti比は52/48であった。
電極層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、Ir膜
は(111)面配向を示していた。また、酸化チタン量
は5モル%であった。
層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、PLT膜は
(100)面配向ペロブスカイト型結晶構造を示してい
た。尚、配向制御層の第1の電極層側にはアモルファス
になった部分が見られた。このアモルファスになった部
分は、第1の電極層の表面部における酸化チタンが存在
しない部分の上側に存在すると考えられる。また、ラン
タンが10モル%含有され、Pbが10モル%過剰に含
まれていた。
ものを用いて、ダイシングにより15mm×2mmに切
り出したカンチレバーを100個作製し、0.01μm
厚の第2の電極層をスパッタ法により形成して、圧電定
数d31の測定を行ったところ、100個のカンチレバ
ーの圧電定数の平均値は−141pC/Nであり、ばら
つきはσ=2.4%であった。
1mm角で0.01μm厚のPt膜としてスパッタ法に
よりメタルマスクを用いて10mm間隔で65個形成
し、それぞれの第2の電極層と第1の電極層との間に電
圧を印加して耐電圧を測定したところ、耐電圧値の平均
は122Vであり、ばらつきはσ=4.1%であった。
シリコンウエハとし、密着層をなくして、基板に第1の
電極層を直接形成するとともに、この第1の電極層に
は、膜厚が0.22μmであってチタンを2.1モル%
含有するPt膜を、配向制御層には、膜厚が0.03μ
mであって12モル%のランタンと15モル%のジルコ
ニウムとを含有しかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して18モル%過剰であるPLZT膜(3モル%のマグ
ネシウムを添加したもの)を、圧電体層には、膜厚が3
μmであるPZT膜(Zr/Ti=53/47)を、第
2の電極層には、膜厚が0.2μmのPt膜をそれぞれ
用いた。
使用して、Tiターゲット及びPtターゲットを用い、
基板を400℃に加熱しながら1Paのアルゴンガス中
において85W及び200Wの高周波電力で12分間形
成することにより得た。
と15モル%のジルコニウムとを含有するPLZTに、
3モル%のマグネシウムを添加しかつ酸化鉛(PbO)
を24モル%過剰に加えて調合した焼結ターゲットを用
い、基板温度600℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲
気中(ガス体積比Ar:O2=19:1)において、真
空度0.8Pa、高周波電力300Wの条件で12分間
形成することにより得た。
3/47)の焼結体ターゲットを用い、基板温度610
℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比A
r:O2=19:1)において、真空度0.3Pa、高
周波電力250Wの条件で3時間形成することにより得
た。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で形成することにより得た。
ックや膜剥離は見られなかった。
体層の結晶配向性や膜組成を調べたところ、圧電体層は
(100)面配向菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造
を示し、(100)面配向度はα=98%であった。ま
た、PZT膜の組成は、ターゲット組成と同じでZr/
Ti比は53/47であった。
電極層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、Pt膜
は(111)面配向を示していた。また、チタン量は
2.1モル%であった。
層の結晶配向性及び膜組成を調べたところ、PLT膜は
(100)面配向ペロブスカイト型結晶構造を示してい
た。尚、配向制御層の第1の電極層側には(111)面
配向になった部分が見られた。この(111)面配向に
なった部分は、第1の電極層の表面部におけるチタンが
存在しない部分の上側に存在すると考えられる。また、
マグネシウムが3モル%、ランタンが12モル%含有さ
れ、Pbが18モル%過剰に含まれていた。
ものを用いて、ダイシングにより15mm×2mmに切
り出したカンチレバーを100個作製し、0.2μm厚
の第2の電極層をスパッタ法により形成して、圧電定数
d31の測定を行ったところ、100個のカンチレバー
の圧電定数の平均値は−130pC/Nであり、ばらつ
きはσ=4.12%であった。
1mm角で0.2μm厚のPt膜としてスパッタ法によ
りメタルマスクを用いて10mm間隔で65個形成し、
それぞれの第2の電極層と第1の電極層との間に電圧を
印加して耐電圧を測定したところ、耐電圧値の平均は1
20Vであり、ばらつきはσ=4.0%であった。
制御層を設けない点のみが異なるものであり、基板上
に、密着層、第1の電極層、圧電体層及び第2の電極層
を順に形成した構成である。
(100)面配向菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造
を示し、(100)面配向度はα=31%であった。
d31の測定を行ったところ、圧電定数の平均値は−7
2pC/Nであり、ばらつきはσ=11.5%であっ
た。
を測定したところ、耐電圧値の平均は65Vであり、ば
らつきはσ=14.5%であった。
御層を設けるだけで、圧電体層の結晶性や配向性を向上
させることができ、圧電素子の圧電特性や耐電圧を向上
できることが判る。
材料のみが異なる(配向制御層のスパッタ条件も実施例
1と同じ)。すなわち、この配向制御層は、Laを含有
していないチタン酸鉛(PT)からなり、その鉛の含有
量は化学量論組成と比較して過剰とはしていない。
は(100)面配向菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構
造を示し、(100)面配向度はα=41%であった。
また、圧電定数の平均値は−82pC/Nであり、ばら
つきはσ=9.2%であった。さらに、耐電圧値の平均
は82Vであり、ばらつきはσ=12.1%であった。
ても、上記比較例のものに比べると、圧電体層の配向性
は向上し、圧電定数や耐電圧を向上できることが判る。
に、配向制御層にランタンを含有し、Pb過剰とすれ
ば、圧電体層の配向性を格段に向上させ得ることが判
る。
の全体構成を示し、図4はその要部の構成を示す。図3
及び図4において、Aは、圧力室部材であって、この圧
力室部材Aには、その厚み方向(上下方向)に貫通する
圧力室開口部101が形成されている。Bは、上記圧力
室開口部101の上端開口を覆うように配置されたアク
チュエータ部であり、Cは、圧力室開口部101の下端
開口を覆うように配置されたインク流路部材である。上
記圧力室部材Aの圧力室開口部101は、その上下にそ
れぞれ位置する上記アクチュエータ部B及びインク流路
部材Cにより閉塞されることで圧力室102とされてい
る。
102の略真上に位置する第1の電極層103(個別電
極)を有し、これら圧力室102及び第1の電極層10
3は、図3から判るように、千鳥状に多数配列されてい
る。
に並ぶ圧力室102間で共用する共通液室105と、こ
の共通液室105のインクを上記圧力室102に供給す
るための供給口106と、圧力室102内のインクを吐
出させるためのインク流路107とを有している。
には、上記インク流路107に連通するノズル孔108
が形成されている。また、EはICチップであって、こ
のICチップから上記各個別電極103に対してボンデ
ィングワイヤBWを介して電圧をそれぞれ供給するよう
になっている。
5に基づいて説明する。この図5は、図3に示したイン
ク供給方向とは直交する方向の断面図である。同図で
は、上記直交方向に並ぶ4個の圧力室102を持つ圧力
室部材Aが参照的に描かれている。このアクチュエータ
部Bは、上記の如く各圧力室102の略真上にそれぞれ
位置する第1の電極層103と、この各第1の電極層1
03上(同図では下側)に設けられた配向制御層104
と、この配向制御層104上(同下側)に設けられた圧
電体層110と、この圧電体層110上(同下側)に設
けられ、全圧電体層110に共通となる第2の電極層1
12(共通電極)と、この第2の電極層112上(同下
側)に設けられ、上記圧電体層110の圧電効果により
層厚方向に変位し振動する振動層111と、この振動層
111上(同下側)に設けられ、各圧力室102の相互
を区画する区画壁102aの上方に位置する中間層11
3(縦壁)とを有しており、上記第1の電極層103、
配向制御層104、圧電体層110及び第2の電極層1
12は、これらが順に積層されてなる圧電素子を構成す
ることになる。また、振動層111は、この圧電素子の
第2の電極層112側の面に設けられていることにな
る。
チュエータ部Bとを接着する接着剤であり、上記各中間
層113は、この接着剤114を用いた接着時に、その
一部の接着剤114が区画壁102aの外方にはみ出し
た場合でも、この接着剤114が振動層111に付着し
ないで振動層111が所期通りの変位及び振動を起こす
ように、圧力室102の上面と振動層111の下面との
距離を拡げる役割を有している。このようにアクチュエ
ータ部Bの振動層111における第2の電極層112と
は反対側面に中間層113を介して圧力室部材Aを接合
するのが好ましいが、振動層111における第2の電極
層112とは反対側面に直接圧力室部材Aを接合するよ
うにしてもよい。
4、圧電体層110及び第2の電極層112の各構成材
料は、上記実施形態1で説明した第1の電極層14、配
向制御層15、圧電体層16及び第2の電極層17とそ
れぞれ同様である(構成元素の含有量が異なるものもあ
る)。また、配向制御層104及び圧電体層110の構
造も、配向制御層15及び圧電体層16とそれぞれ同様
であり、配向制御層104における第1の電極層103
側の表面近傍部は、(100)面又は(001)面配向
の領域が第1の電極層103における配向制御層104
側の表面部に位置するチタン上に存在していて層厚方向
と垂直な断面における上記領域の面積が第1の電極層1
03側から圧電体層110側に向かって大きくなる構造
を有している。
ェットヘッド、つまり図4に示す上記圧力室部材A、ア
クチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dよ
りなるインクジェットヘッドの製造方法を図6〜図10
に基いて説明する。
に、順次、密着層121、第1の電極層103、配向制
御層104、圧電体層110、第2の電極層112、振
動層111、上記中間層113をスパッタ法により成膜
して、積層する。尚、上記密着層121は、上記実施形
態1で説明した密着層12と同様であって、基板120
と第1の電極層103との密着性を高めるために基板1
20と第1の電極層103との間に形成する(必ずしも
密着層121を形成する必要はない)。この密着層12
1は、後述の如く、基板120と同様に除去する。ま
た、振動層111の材料にはCrを、中間層113には
Tiをそれぞれ使用する。
たSi基板を用いる。この基板120は、Siに限るも
のではなく、ガラス基板や金属基板、セラミックス基板
であってもよい。また、基板サイズも18mm角に限る
ものではなく、Si基板であれば、φ2〜10インチの
ウエハであってもよい。
いて、基板120を400℃に加熱しながら100Wの
高周波電力を印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分
間形成することにより得られる。この密着層121の膜
厚は0.02μmとなる。尚、密着層121の材料は、
Tiに限らず、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若し
くはクロム又はそれら(Tiを含む)の化合物であって
もよい。また、膜厚は0.005〜0.2μmの範囲で
あればよい。
装置を使用して、Tiターゲット及びPtターゲットを
用い、基板120を600℃に加熱しながら1Paのア
ルゴンガス中において85W及び200Wの高周波電力
で12分間形成することにより得られる。この第1の電
極層103の膜厚は0.2μmとなり、(111)面に
配向する。また、Tiの含有量は2.5モル%である。
この第1の電極層103も、上記実施形態1における第
1の電極層14と同様に、Pt、イリジウム、パラジウ
ム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも1種の貴
金属に、チタン又は酸化チタンを添加したもの(添加量
は0を越え30モル%以下であることが好ましい)であ
ればよく、膜厚は0.05〜2μmの範囲であればよ
い。
モル%含有するPLTに酸化鉛(PbO)を15モル%
過剰に加えて調合した焼結ターゲットを用い、基板12
0の温度600℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中
(ガス体積比Ar:O2=19:1)において、真空度
0.8Pa、高周波電力300Wの条件で12分間形成
することにより得られる。この得られたチタン酸ランタ
ン鉛膜は、ランタンを10モル%含みかつ鉛を化学組成
量論組成よりも10%過剰に含むペロブスカイト型結晶
構造であって、第1の電極層103における配向制御層
104側の表面部に位置するチタン上において(10
0)面又は(001)面に配向しており、この(10
0)面又は(001)面配向の領域は第1の電極層10
3側からその反対側(圧電体層110側)に向かって拡
大する。一方、配向制御層104において第1の電極層
103の表面部のチタン又は酸化チタンが存在しない部
分の上側領域は、(100)面や(001)面配向とは
ならないが、この領域は圧電体層110側に向かって小
さくなる。そして、ここでは、配向制御層104の膜厚
が0.02μmとなるため、圧電体層110側の表面は
略全体が(100)面又は(001)面に配向した領域
となる。
5と同様に、上記配向制御層104のLaの含有量は0
を越え25モル%以下であればよく、鉛の含有量は0を
越え30モル%以下過剰とする。また、配向制御層10
4を構成する材料は、PLTにジルコニウムを含有した
PLZT(ジルコニウムの含有量は20モル%以下とす
る)であってもよく、PLTやPLZTに、マグネシウ
ム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの(マグ
ネシウム及びマンガンの添加量は0を越え10モル%以
下であることが好ましい)であってもよい。また、配向
制御層104の膜厚は0.01〜0.2μmの範囲であ
ればよい。
i=52/48)の焼結体ターゲットを用い、基板12
0の温度580℃で、アルゴンと酸素との混合雰囲気中
(ガス体積比Ar:O2=15:1)において、真空度
0.3Pa、高周波電力250Wの条件で3時間形成す
ることにより得られる。この得られたPZT膜は、菱面
体晶系ペロブスカイト型結晶構造で(100)面配向と
なる。また、圧電体層110の膜厚は3.1μmとな
る。尚、この圧電体層110のZr/Ti組成は、Zr
/Ti=30/70〜70/30であればよく、膜厚
は、1〜5μmの範囲であればよい。また、圧電体層1
10の構成材料は、PZTにSr、Nb、Al等の添加
物を含有したもの等のように、PZTを主成分とする圧
電材料であればよく、PMNやPZNであってもよい。
トを用いて、室温において1Paのアルゴンガス中20
0Wの高周波電力で10分間形成することにより得られ
る。この第2の電極層112の膜厚は0.2μmとな
る。尚、第2の電極層112の材料はPtに限らず、導
電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.4μmの範
囲であればよい。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で6時間形成することにより得られる。この
振動層111の膜厚は3μmとなる。この振動層111
の材料は、Crに限らず、ニッケル、アルミニウム、タ
ンタル、タングステン、シリコン又はこれらの酸化物若
しくは窒化物(例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン)等であってもよ
い。また、振動層111の膜厚は2〜5μmであればよ
い。
いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの
高周波電力で5時間形成することにより得られる。この
中間層113の膜厚は5μmとなる。この中間層113
の材料は、Tiに限らず、Cr等の導電性金属であれば
よい。また、中間層113の膜厚は3〜10μmであれ
ばよい。
材Aを形成する。この圧力室部材Aは、上記Si基板1
20よりも大きいサイズ、例えば4インチウエハーのシ
リコン基板130(図11参照)を使用して形成され
る。具体的には、先ず、シリコン基板130(圧力室部
材用)に対して複数の圧力室用開口部101をパターン
ニングする。このパターンニングは、同図(b)から判
るように、4つの圧力室用開口部101を1組として、
各組を区画する区画壁102bは、各組内の圧力室用開
口部101を区画する区画壁102aの幅の約2倍の幅
の厚幅に設定される。その後、上記パターンニングされ
たシリコン基板130をケミカルエッチング又はドライ
エッチング等で加工して、各組で4個の圧力室用開口部
101を形成し、圧力室部材Aを得る。
0(成膜用)と前記圧力室部材Aとを接着剤を用いて接
着する。この接着剤の形成は電着による。すなわち、先
ず、同図(c)に示すように、圧力室部材A側の接着面
として、圧力室の区画壁102a、102bの上面に接
着剤114を電着により付着させる。具体的には、図示
しないが、上記区画壁102a、102bの上面に、下
地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのNi
薄膜をスパッタ法により形成し、その後、上記Ni薄膜
上に、パターニングされた接着樹脂剤114を形成す
る。この際、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液
に0〜50重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液
を使用する。Ni薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設
定するのは、シリコン基板130(圧力室部材用)に接
着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるように
するためである。電着条件は、実験によると、液温約2
5℃、直流電圧30V、通電時間60秒が好適であり、
この条件下で約3〜10μmのアクリル樹脂を、シリコ
ン基板130(圧力室部材用)のNi薄膜上に電着樹脂
形成する。
層されたSi基板120(成膜用)と圧力室部材Aと
を、上記電着された接着剤114を用いて接着する。こ
の接着は、基板120(成膜用)に成膜された中間層1
13を基板側接着面として行う。また、Si基板120
(成膜用)は18mmのサイズであり、圧力室部材Aを
形成するSi基板130は4インチサイズと大きいた
め、図11に示すように、複数(同図では14個)のS
i基板120(成膜用)を1個の圧力室部材A(Si基
板130)に貼り付ける。この貼り付けは、図7(a)
に示すように、各Si基板120(成膜用)の中心が圧
力室部材Aの厚幅の区画壁102bの中心に位置するよ
うに位置付けられた状態で行われる。この貼り付け後、
圧力室部材AをSi基板120(成膜用)側に押圧、密
着させて、両者の接着を液密性高くする。さらに、上記
接着したSi基板120(成膜用)及び圧力室部材Aを
加熱炉において徐々に昇温して、上記接着剤114を完
全に硬化させる。続いて、プラズマ処理を行って、上記
接着剤114のうち、はみ出した断片を除去する。
20(成膜用)と圧力室部材Aとを接着したが、圧力室
用開口部101を形成しない段階のSi基板130(圧
力室部材用)を上記成膜後のSi基板120(成膜用)
と接着してもよい。
室部材Aの各区画壁102a、102bをマスクとして
中間層113をエッチングして所定形状に仕上げる(上
記各区画壁102a、102bに連続する形状(縦壁)
とする)。次いで、図8(a)に示すように、Si基板
120(成膜用)及び密着層121をエッチングにより
除去する。
力室部材A上に位置する第1の電極層103について、
フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、各
圧力室102毎に個別化する。そして、図9(a)に示
すように、フォトリソグラフィー技術を用いて配向制御
層104と圧電体層110とをエッチングして第1の電
極層103と同様の形状に個別化する。これらエッチン
グ後の第1の電極層103、配向制御層104及び圧電
体層110は、圧力室102の各々の上方に位置し、か
つ第1の電極層103、配向制御層104及び圧電体層
110の幅方向の中心が、対応する圧力室102の幅方
向の中心に対し高精度に一致するように形成される。こ
のように第1の電極層103、配向制御層104及び圧
電体層110を各圧力室102毎に個別化した後、図9
(b)に示すように、シリコン基板130(圧力室部材
用)を各厚幅の区画壁102bの部分で切断して、4つ
の圧力室102を持つ圧力室部材Aとその上面に固着さ
れたアクチュエータ部Bとが4組完成する。
ク流路部材Cに共通液室105、供給口106及びイン
ク流路107を形成するとともに、ノズル板Dにノズル
孔108を形成する。次いで、同図(b)に示すよう
に、上記インク流路部材Cとノズル板Dとを接着剤10
9を用いて接着する。
部材Aの下端面又はインク流路部材Cの上端面に接着剤
(図示せず)を転写し、圧力室部材Aとインク流路部材
Cとのアライメント調整を行って、この両者を上記接着
剤により接着する。以上により、同図(d)に示すよう
に、圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部
材C及びノズル板Dを持つインクジェットヘッドが完成
する。
ヘッドの第1及び第2電極層103,112間に所定電
圧を印加すると、圧電体層110の圧電効果により振動
層111における各圧力室102に対応する部分が層厚
方向に変位して、圧力室102内のインクが該圧力室1
02に連通するノズル孔108から吐出されることにな
る。そして、上記電圧印加時の振動層111における各
圧力室102に対応する部分の層厚方向の変位量を測定
したところ、その変位量のばらつきはσ=1.8%であ
った。また、周波数が20kHzの20V交流電圧を1
0日間印加し続けたが、インクの吐出不良は全くなく、
吐出性能の低下は見られなかった。
に対して配向制御層104を設けない点のみが異なるイ
ンクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッ
ドの第1及び第2電極層103,112間に所定電圧を
印加して、振動層111における各圧力室102に対応
する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、その変
位量のばらつきはσ=7.2%であった。また、周波数
が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けた
ところ、全圧力室102のうちの約30%の圧力室10
2に対応する部分でインク吐出不良が発生した。これ
は、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエー
タ部B(圧電素子)の耐久性が低いと考えられる。
ヘッドは、インク吐出性能のばらつきが少なくて耐久性
に優れていることが判る。
ヘッドの主要部を示し、上記実施形態2のインクジェッ
トヘッドのように基板を成膜用と圧力室部材用とに別個
に用いないで、成膜用と圧力室部材用とを兼用するよう
にしたものである。
工により形成された圧力室基板401(圧力室部材)上
に、振動層403、密着層404、第1の電極層406
(共通電極)、配向制御層407、圧電体層408及び
第2の電極層409(個別電極)が順に積層されてい
る。上記第1の電極層406、配向制御層407、圧電
体層408及び第2の電極層409は、これらが順に積
層されてなる圧電素子を構成することになる。また、振
動層403は、この圧電素子の第1の電極層406側の
面に密着層404を介して設けられていることになる。
この密着層404は、振動層403と第1の電極層40
6との密着性を高めるものであり、上記実施形態2にお
ける密着層121と同様になくてもよい。上記密着層4
04、第1の電極層406、配向制御層407、圧電体
層408及び第2の電極層409の各構成材料は、上記
実施形態2で説明した密着層121、第1の電極層10
3、配向制御層104、圧電体層110及び第2の電極
層112とそれぞれ同様である。また、配向制御層40
7及び圧電体層408の構造も、配向制御層104及び
圧電体層110とそれぞれ同様であり、配向制御層40
7における第1の電極層406側の表面近傍部は、(1
00)面又は(001)面配向の領域が第1の電極層4
06における配向制御層407側の表面部に位置するチ
タン上に存在していて層厚方向と垂直な断面における上
記領域の面積が第1の電極層406側から圧電体層40
8側に向かって大きくなる構造を有している。
さ200μmのSi基板を用いる。この実施形態でも、
Siに限るものではなく、ガラス基板や金属基板、セラ
ミックス基板であってもよい。
膜厚が2.8μmであって二酸化シリコンからなる。
尚、この振動層403の材料は、二酸化シリコンに限ら
ず、上記実施形態2で説明した材料(ニッケルやクロム
等の単体又はその酸化物若しくは窒化物)であってもよ
い。また、振動層111の膜厚は0.5〜10μmであ
ればよい。
法について図13を参照しながら説明する。
に、圧力室402が形成されていない圧力室基板401
に、振動層403、密着層404、第1の電極層40
6、配向制御層407、圧電体層408及び第2の電極
層409をスパッタ法により順次形成する。
体のターゲットを用いて、圧力室基板401の加熱は行
わないで室温において、300Wの高周波電力を印加し
て、0.4Paのアルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガ
ス体積比Ar:O2=5:25)で、8時間形成するこ
とにより得られる。尚、この振動層403の成膜法とし
ては、スパッタ法に限らず、熱CVD法、プラズマCV
D法、ゾル・ゲル法等であってもよく、圧力室基板40
1の熱酸化処理で形成する方法であってもよい。
いて、圧力室基板401を400℃に加熱しながら、1
00Wの高周波電力を印加して、1Paのアルゴンガス
中で、1分間加熱することにより得られる。この密着層
404の膜厚は0.03μmとなる。尚、密着層404
の材料は、Tiに限らず、タンタル、鉄、コバルト、ニ
ッケル若しくはクロム又はそれら(Tiを含む)の化合
物であってもよい。また、膜厚は0.005〜0.1μ
mの範囲であればよい。
装置を使用して、Tiターゲット及びPtターゲットを
用い、圧力室基板401を600℃に加熱しながら1P
aのアルゴンガス中において85W及び200Wの高周
波電力で12分間形成することにより得られる。この第
1の電極層406の膜厚は0.2μmとなり、(11
1)面に配向する。また、Tiの含有量は2.5モル%
である。この第1の電極層406も、上記実施形態1に
おける第1の電極層14と同様に、Pt、イリジウム、
パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも
1種の貴金属に、チタン又は酸化チタンを添加したもの
(添加量は0を越え30モル%以下であることが好まし
い)であればよく、膜厚は0.05〜2μmの範囲であ
ればよい。
モル%含有するPLTに酸化鉛(PbO)を15モル%
過剰に加えて調合した焼結ターゲットを用い、圧力室基
板401の温度620℃で、アルゴンと酸素との混合雰
囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:1)において、
真空度0.8Pa、高周波電力300Wの条件で12分
間形成することにより得られる。この得られたチタン酸
ランタン鉛膜は、上記実施形態2における配向制御層1
04と同じである。
5と同様に、上記配向制御層407のLaの含有量は0
を越え25モル%以下であればよく、鉛の含有量は0を
越え30モル%以下過剰とする。また、配向制御層40
7を構成する材料は、PLTにジルコニウムを含有した
PLZT(ジルコニウムの含有量は20モル%以下とす
る)であってもよく、PLTやPLZTに、マグネシウ
ム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの(マグ
ネシウム及びマンガンの添加量は0を越え10モル%以
下であることが好ましい)であってもよい。また、配向
制御層407の膜厚は0.01〜0.2μmの範囲であ
ればよい。
i=52/48)の焼結体ターゲットを用い、圧力室基
板401の温度580℃で、アルゴンと酸素との混合雰
囲気中(ガス体積比Ar:O2=15:1)において、
真空度0.3Pa、高周波電力250Wの条件で3時間
形成することにより得られる。この得られたPZT膜
は、上記実施形態2における圧電体層110と同じであ
る。尚、圧電体層408のZr/Ti組成は、Zr/T
i=30/70〜70/30であればよく、膜厚は、1
〜5μmの範囲であればよい。また、圧電体層408の
構成材料は、PZTにSr、Nb、Al等の添加物を含
有したもの等のように、PZTを主成分とする圧電材料
であればよく、PMNやPZNであってもよい。
トを用いて、室温において1Paのアルゴンガス中20
0Wの高周波電力で10分間形成することにより得られ
る。この第2の電極層409の膜厚は0.2μmとな
る。尚、第2の電極層409の材料はPtに限らず、導
電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.4μmの範
囲であればよい。
ジストをスピンコートにより塗布し、圧力室402が形
成されるべき位置に合わせて露光・現像を行ってパター
ニングする。そして、第2の電極層409、圧電体層4
08及び配向制御層407をエッチングして個別化す
る。このエッチングは、アルゴンとフッ素元素を含む有
機ガスとの混合ガスを用いたドライエッチングで行う。
室基板401に圧力室402を形成する。この圧力室4
02の形成は、六フッ化硫黄ガス、フッ素元素を含む有
機ガス又はこれらの混合ガスを使用した異方性ドライエ
ッチングで行う。つまり、圧力室基板401の上記各膜
を形成した面とは反対側の面における側壁413となる
部分にエッチングマスクを形成して、異方性ドライエッ
チングにより圧力室402を形成する。
ズル板412を、接着剤を用いて圧力室基板401の上
記各膜を形成した面とは反対側の面に接合することによ
り、インクジェットヘッドが完成する。上記ノズル孔4
10は、リゾグラフィ法、レーザー加工法、放電加工法
等により、ノズル板412の所定位置に開口する。そし
て、ノズル板412を圧力室基板401に接合する際に
は、各ノズル孔410が圧力室402に対応して配置さ
れるように位置合わせを行う。
ヘッドの第1及び第2電極層406,409間に所定電
圧を印加して、振動層403における各圧力室402に
対応する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、そ
の変位量のばらつきはσ=1.8%であった。また、周
波数が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続
けたが、インクの吐出不良は全くなく、吐出性能の低下
は見られなかった。
に対して配向制御層407を設けない点のみが異なるイ
ンクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッ
ドの第1及び第2電極層406,409間に所定電圧を
印加して、振動層403における各圧力室402に対応
する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、その変
位量のばらつきはσ=5.8%であった。また、周波数
が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けた
ところ、全圧力室402のうちの約25%の圧力室40
2に対応する部分でインク吐出不良が発生した。これ
は、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエー
タ部(圧電素子)の耐久性が低いと考えられる。
ヘッドは、上記実施形態2のインクジェットヘッドと同
様に、インク吐出性能のばらつきが少なくて耐久性に優
れていることが判る。
録装置27を示し、このインクジェット式記録装置27
は、上記実施形態2又は3で説明したものと同様のイン
クジェットヘッド28を備えている。このインクジェッ
トヘッド28において圧力室(上記実施形態2における
圧力室102や実施形態3における圧力室402)に連
通するように設けたノズル孔(上記実施形態2における
ノズル孔108や実施形態3におけるノズル孔410)
から該圧力室内のインクを記録媒体29(記録紙等)に
吐出させて記録を行うように構成されている。
方向Xに延びるキャリッジ軸30に設けられたキャリッ
ジ31に搭載されていて、このキャリッジ31がキャリ
ッジ軸30に沿って往復動するのに応じて主走査方向X
に往復動するように構成されている。このことで、キャ
リッジ31は、インクジェットヘッド28と記録媒体2
9とを主走査方向Xに相対移動させる相対移動手段を構
成することになる。
は、上記記録媒体29をインクジェットヘッド28の主
走査方向X(幅方向)と略垂直方向の副走査方向Yに移
動させる複数のローラ32を備えている。このことで、
複数のローラ32は、インクジェットヘッド28と記録
媒体29とを副走査方向Yに相対移動させる相対移動手
段を構成することになる。尚、図14中、Zは上下方向
である。
リッジ31により主走査方向Xに移動しているときに、
インクジェットヘッド28のノズル孔からインクを記録
媒体29に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、
上記ローラ32により記録媒体29を所定量移動させて
次の一走査の記録を行う。
置27は、上記実施形態2又は3と同様のインクジェッ
トヘッド28を備えているので、良好な印字性能及び耐
久性を有している。
ンサを示し、この角速度センサは、音叉型のものであっ
て、車両に搭載されるナビゲーション装置等に好適に用
いられるものである。
リコンウエハからなる基板500を備えている(ガラス
基板や金属基板、セラミックス基板であってもよい)。
この基板500は、固定部500aと、該固定部500
aから所定の方向(検出する角速度の回転中心軸が延び
る方向;本実施形態では、図15に示すy方向)に延び
る一対の振動部500bとを有している。これら固定部
500a及び一対の振動部500bは、基板500の厚
み方向(図15に示すz方向)から見て音叉状をなして
おり、一対の振動部500bは音叉のアーム部に相当し
ていて、振動部500bの幅方向に並んだ状態で互いに
平行に延びている。
定部500aの振動部側の部分上には、第1の電極層5
03と配向制御層504と圧電体層505と第2の電極
層506とが順に積層されている。尚、この角速度セン
サにおいても、上記基板500と第1の電極層503と
の間に、上記実施形態1における圧電素子と同様に、密
着層を設けることが好ましい。
4、圧電体層505及び第2の電極層506の各構成材
料及び厚みは、上記実施形態1で説明した第1の電極層
14、配向制御層15、圧電体層16及び第2の電極層
17とそれぞれ同様である。また、配向制御層504及
び圧電体層505の構造も、配向制御層15及び圧電体
層16とそれぞれ同様であり、配向制御層504におけ
る第1の電極層503側の表面近傍部は、(100)面
又は(001)面配向の領域が第1の電極層503にお
ける配向制御層504側の表面部に位置するチタン上に
存在していて層厚方向と垂直な断面における上記領域の
面積が第1の電極層503側から圧電体層505側に向
かって大きくなる構造を有している。
500b上において、当該振動部500bを振動部50
0bの幅方向(図15に示すx方向)に振動させるため
の2つの駆動電極507と、当該振動部500bの厚み
方向(z方向)の変形(たわみ)を検出するための1つ
の検出電極508とにパターン化されている。
500bの幅方向(x方向)両端部上において、振動部
500bの長さ方向(y方向)全体に亘って設けられ、
各駆動電極507の固定部500a側の端部は、固定部
500a上に位置して接続端子507aを構成してい
る。尚、各振動部500bの幅方向一端部上に1つの駆
動電極507を設けるだけであってもよい。
500bの幅方向中央部上において、振動部500bの
長さ方向全体に亘って設けられ、上記駆動電極507と
同様に、検出電極508の固定部500a側の端部は、
固定部500a上に位置して接続端子508aを構成し
ている。尚、各振動部500b上において複数の検出電
極508を設けてもよい。
00a上における一対の振動部500b間の中央位置に
おいて、振動部500bとは反対側に突出する接続端子
503aを有している。
の電極層503と2つの駆動電極507との間には、当
該振動部500bがその幅方向に振動するように、振動
部500bの固有振動と共振する周波数の電圧が印加さ
れるようになっている。すなわち、第1の電極層503
には、グランド電圧が印加される一方、2つの駆動電極
507には、正負が互いに逆の電圧が印加され、このこ
とで、各振動部500bの幅方向一端部側が伸長すると
きには、他端部側が収縮して、該振動部500bがその
他端部側に変形する。一方、各振動部500bの幅方向
一端部側が収縮するときには、他端部側が伸長して、振
動部500bがその一端部側に変形する。この動作を交
互に繰り返すことによって振動部500bがその幅方向
に振動する。尚、各振動部500b上における2つの駆
動電極507のいずれか一方に電圧を印加するだけで
も、当該振動部500bをその幅方向に振動させること
は可能である。そして、一対の振動部500bは、各振
動部500bの幅方向において互いに反対向きに変形
し、一対の振動部500b間の中央にあって該振動部5
00bの長さ方向に延びる中央線Lに対して対称に振動
するようになっている。
振動部500bをその幅方向(x方向)に上記中央線L
に対して対称に振動させているときに、その中央線L回
りに角速度ωが加わると、2つ振動部500bは、コリ
オリ力によって厚み方向(z方向)にたわんで変形し
(一対の振動部500bは互いに反対向きに同じ量たわ
む)、これにより、圧電体層505にもたわみが発生し
て、第1の電極層503と検出電極508との間には、
コリオリ力の大きさに応じた電圧が発生する。この電圧
の大きさ(コリオリ力)から角速度ωを検出することが
できる。
00bの幅方向の速度をv、各振動部500bの質量を
mとすると、 Fc=2mvω となるので、コリオリ力Fcから角速度ωの値が分かる
ことになる。
て図17及び図18に基づいて説明する。
み0.3mmのφ4インチシリコンウエハ(平面図は図
18参照)からなる基板500を用意し、図17(b)
に示すように、この基板500上に、2.1モル%のT
iを添加したイリジウム(Ir)からなる厚み0.22
μmの第1の電極層503をスパッタ法により形成す
る。この第1の電極層503は、基板500を400℃
に加熱しながら多元スパッタ装置を使用して、Tiター
ゲット及びIrターゲットを用い、1Paのアルゴンガ
ス中において85W及び200Wの高周波電力で12分
間形成することにより得られる。この第1の電極層50
3の表面部にはチタンが島状に点在するとともに、その
チタンの該表面からの突出量は2nmよりも小さい。
第1の電極層503上に、厚み0.03μmの配向制御
層504をスパッタ法により形成する。この配向制御層
504は、ランタンを14モル%含有するPLTに酸化
鉛(PbO)を12モル%過剰に加えて調合した焼結タ
ーゲットを用い、基板500を温度600℃に加熱しな
がら、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比A
r:O2=19:1)において、真空度0.8Pa、高
周波電力300Wの条件で12分間形成することにより
得られる。この製造方法よれば、上記実施形態1で説明
したように、配向制御層504における第1の電極層5
03側の表面近傍は、(100)面又は(001)面配
向の領域がチタン上に存在しかつ層厚方向と垂直な断面
における上記領域の面積が第1の電極層503側から上
側に向かって大きくなる。
配向制御層504上に厚み3μmの圧電体層505をス
パッタ法により形成する。この圧電体層505は、基板
500を610℃に加熱しながらPZT(Zr/Ti=
53/47)の焼結体ターゲットを用い、アルゴンと酸
素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:
1)において、真空度0.3Pa、高周波電力250W
の条件で3時間形成することにより得られる。この圧電
体層505は菱面体晶系であり、上記実施形態1で説明
したように、(001)面配向度が90%以上となる。
圧電体層505上に厚み0.2μmの第2の電極層50
6をスパッタ法により形成する。この第2の電極層50
6は、Ptターゲットを用いて、室温において1Paの
アルゴンガス中で200Wの高周波電力で10分間形成
することにより得られる。
うに、上記第2の電極層506をパタ−ニングして駆動
電極507及び検出電極508を形成する。すなわち、
第2の電極層506上に感光樹脂を塗布し、この感光樹
脂に駆動電極507及び検出電極508のパタ−ンを露
光し、その後、露光していない部分の感光樹脂を除去
し、この感光樹脂を除去した部分における第2の電極層
506をエッチングにより除去し、次いで、駆動電極5
07及び検出電極508上の感光樹脂を除去する。
後、同様の工程により圧電体層505、配向制御層50
4及び第1の電極層503をパタ−ニングするととも
に、上記基板500をパタ−ニングして固定部500a
及び振動部500bを形成する。こうして上記の角速度
センサが完成する。
ず、熱処理による結晶化工程なしに直接に結晶性薄膜を
形成する成膜法(例えばCVD法等)であればよい。
従来の角速度センサについて説明する。
mの水晶からなる圧電体600を備え、この圧電体60
0が、本実施形態に係る角速度センサの基板500と同
様に、固定部600aと該固定部600aからその一側
方に互いに平行に延びる一対の振動部600bとを有し
ている。そして、上記各振動部600bの厚み方向に対
向する両面には、当該振動部600bをその幅方向に振
動させるための駆動電極603がそれぞれ1つずつ設け
られ、各振動部600bの両側面には、当該振動部60
0bの厚み方向の変形を検出するための検出電極607
がそれぞれ1つずつ設けられている。
て、各振動部600bにおける2つの駆動電極603間
に、当該振動部600bの固有振動と共振する周波数の
電圧を印加して、本実施形態に係る角速度センサと同様
に、一対の振動部600bをその幅方向に該一対の振動
部600b間の中央にある中央線Lに対して対称に振動
させる。このときに、その中央線L回りに角速度ωが加
わると、一対の振動部600bは、コリオリ力によって
厚み方向にたわんで変形し、各振動部600bにおける
2つの検出電極607間にコリオリ力の大きさに応じた
電圧が発生し、この電圧の大きさ(コリオリ力)から角
速度ωを検出することができる。
からなる圧電体600を用いるので、その圧電定数は−
3pC/Nとかなり低く、しかも固定部600a及び振
動部600bは機械加工により形成するため、小型化が
困難であり、寸法精度が低いという問題がある。
サにおいては、角速度を検出する部分(振動部500
b)が、上記実施形態1と同様の構成の圧電素子で構成
されていることになるので、上記従来の角速度センサに
対して圧電定数を40倍程度に大きくすることができ、
かなりの小型化を図ることができる。また、薄膜形成技
術を用いて微細加工を行うことができ、寸法精度を格段
に向上させることができる。さらに、工業的に量産して
も、特性の再現性が良好で、ばらつきが少なく、耐電圧
及び信頼性に優れる。
いても、上記実施形態1における圧電素子と同様に、配
向制御層504は、ジルコニウムの含有量が0以上20
モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛
にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加し
たものからなるものとする。このチタン酸ランタンジル
コン酸鉛におけるランタンの含有量は、0を越え25モ
ル%以下であることが好ましく、チタン酸ランタンジル
コン酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方
を添加する場合のトータル添加量は、0を越え10モル
%以下であることが好ましい。
酸化チタンを含有するとともに、白金、イリジウム、パ
ラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも1
種の貴金属からなり、その貴金属に含有されたチタン又
は酸化チタンの含有量は0を越え30モル%以下である
ことが望ましい。
分とする圧電材料(PZTのみからなる圧電材料も含
む)で構成することが望ましい。
ンサにおいては、基板500に一対の振動部500bを
1組しか設けていないが、複数組設けて、種々の方向に
延びる複数軸回りの角速度を検出するようにしてもよ
い。
おいては、基板500の各振動部500b及び固定部5
00aの振動部側の部分上に、第1の電極層503と配
向制御層504と圧電体層505と第2の電極層506
とを順に積層したが、これら各層を積層する箇所は、各
振動部500b上のみであってもよい。
素子を、インクジェットヘッド(インクジェット式記録
装置)及び角速度センサに適用したが、これら以外に
も、薄膜コンデンサー、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積
キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音
波センサー、圧力センサー、加速度センサー、流量セン
サー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素
子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィル
タ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用
可能である。特に、ディスク装置(コンピュータの記憶
装置等として用いられるもの)における回転駆動される
ディスクに対して情報の記録又は再生を行うヘッドが基
板上に設けられたヘッド支持機構において、該基板上に
設けた薄膜圧電体素子によって、基板を変形させて該ヘ
ッドを変位させるディスク装置用薄膜圧電体アクチュエ
ータ(例えば特開2001−332041号公報参照)
に好適である。つまり、上記薄膜圧電体素子は、上記実
施形態で説明したものと同様の構成の第1の電極層と配
向制御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されて
なり、この第2の電極層が上記基板に接合されたもので
ある。
によると、電極層を、チタン又は酸化チタンを含有する
貴金属で構成しておき、この電極層上に、立方晶系又は
正方晶系の(100)面又は(001)面に優先配向し
たペロブスカイト型酸化物であってジルコニウムの含有
量が0以上20モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学
量論組成と比較して0を越え30モル%以下過剰である
チタン酸ランタンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマンガンの少なくと
も一方を添加したものからなる配向制御層を形成し、こ
の配向制御層上に、圧電体層を形成するようにするとと
もに、この配向制御層を形成する際に、電極層における
配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化チタン
を核にしてその上側に結晶成長させることにより、該配
向制御層を(100)面又は(001)面に優先配向さ
せるようにし、この配向制御層により圧電体層を(00
1)面に優先配向させるようにしたことにより、各層の
密着性並びに圧電体層の結晶構造び優先配向面を制御す
ることができるので、工業的に量産しても、圧電特性の
再現性、ばらつき、耐電圧及び信頼性の良好な圧電素子
が得られ、この圧電素子を用いる本発明のインクジェッ
トヘッド及びインクジェット式記録装置においても、イ
ンク吐出性能のばらつきが少なくて耐久性に優れたもの
とすることができる。
角速度を検出する部分(振動部)が、上記と同様の構成
の圧電素子で構成されていることになるので、小型で寸
法精度が高く、しかも、工業的に量産しても、特性の再
現性が良好で、ばらつきが少なく、耐電圧及び信頼性の
良好な角速度センサが得られる。
である。
ある。
の全体構成を示す斜視図である。
材及びアクチュエータ部の要部を示す分解斜視図であ
る。
材及びアクチュエータ部の要部を示す断面図である。
る積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付
着工程を示す図である。
る、成膜後の基板と圧力室部材との接着工程及び縦壁の
形成工程を示す図である。
る、基板(成膜用)及び密着層の除去工程並びに第1の
電極層の個別化工程を示す図である。
る、配向制御層及び圧電体層の個別化工程並びに基板
(圧力室部材用)の切断工程を示す図である。
ける、インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク
流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク
流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッ
ドを示す図である。
いて、成膜されたSi基板と圧力室部材用のSi基板と
の接着状態を示す平面図である。
ヘッドにおける圧力室部材及びアクチュエータ部の要部
を示す断面図である。
おける積層工程及び圧力室形成工程を示す図である。
録装置を示す概略斜視図である。
概略斜視図である。
ある。
極層をパターニングした状態を示す平面図である。
斜視図である。
Claims (21)
- 【請求項1】基板上に設けられた第1の電極層と、該第
1の電極層上に設けられた配向制御層と、該配向制御層
上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた
第2の電極層とを備えた圧電素子であって、 上記第1の電極層は、チタン又は酸化チタンを含有する
貴金属からなり、 上記配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の(100)
面又は(001)面に優先配向したペロブスカイト型酸
化物であってジルコニウムの含有量が0以上20モル%
以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0
を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジル
コン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグ
ネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの
からなり、 上記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)
面に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、 上記配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表
面近傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域
が第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置す
るチタン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直
な断面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧
電体層側に向かって大きくなる構造を有していることを
特徴とする圧電素子。 - 【請求項2】請求項1記載の圧電素子において、 チタン酸ランタンジルコン酸鉛におけるランタンの含有
量が0を越え25モル%以下であることを特徴とする圧
電素子。 - 【請求項3】請求項1又は2記載の圧電素子において、 チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマン
ガンの少なくとも一方を添加する場合のトータル添加量
は、0を越え10モル%以下であることを特徴とする圧
電素子。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれか1つに記載の圧電
素子において、 第1の電極層は、白金、イリジウム、パラジウム及びル
テニウムの群から選ばれた少なくとも1種の貴金属から
なり、該貴金属に含有されたチタン又は酸化チタンの含
有量が0を越え30モル%以下であることを特徴とする
圧電素子。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれか1つに記載の圧電
素子において、 第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置する
チタン又は酸化チタンの該表面からの突出量が2nmよ
りも小さいことを特徴とする圧電素子。 - 【請求項6】請求項1〜5のいずれか1つに記載の圧電
素子において、 圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電
材料からなることを特徴とする圧電素子。 - 【請求項7】請求項1〜6のいずれか1つに記載の圧電
素子において、 基板と第1の電極層との間に、該基板と第1の電極層と
の密着性を高める密着層が設けられていることを特徴と
する圧電素子。 - 【請求項8】第1の電極層と配向制御層と圧電体層と第
2の電極層とが順に積層されてなる圧電素子と、該圧電
素子の第2の電極層側の面に設けられた振動層と、該振
動層の圧電素子とは反対側の面に接合され、インクを収
容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、上記圧電素
子の圧電体層の圧電効果により上記振動層を層厚方向に
変位させて上記圧力室内のインクを吐出させるように構
成されたインクジェットヘッドであって、 上記圧電素子の第1の電極層は、チタン又は酸化チタン
を含有する貴金属からなり、 上記配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の(100)
面又は(001)面に優先配向したペロブスカイト型酸
化物であってジルコニウムの含有量が0以上20モル%
以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0
を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジル
コン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグ
ネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの
からなり、 上記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)
面に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、 上記配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表
面近傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域
が第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置す
るチタン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直
な断面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧
電体層側に向かって大きくなる構造を有していることを
特徴とするインクジェットヘッド。 - 【請求項9】第1の電極層と配向制御層と圧電体層と第
2の電極層とが順に積層されてなる圧電素子と、該圧電
素子の第1の電極層側の面に設けられた振動層と、該振
動層の圧電素子とは反対側の面に接合され、インクを収
容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、上記圧電素
子の圧電体層の圧電効果により上記振動層を層厚方向に
変位させて上記圧力室内のインクを吐出させるように構
成されたインクジェットヘッドであって、 上記圧電素子の第1の電極層は、チタン又は酸化チタン
を含有する貴金属からなり、 上記配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の(100)
面又は(001)面に優先配向したペロブスカイト型酸
化物であってジルコニウムの含有量が0以上20モル%
以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0
を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジル
コン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグ
ネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの
からなり、 上記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)
面に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、 上記配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表
面近傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域
が第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置す
るチタン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直
な断面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧
電体層側に向かって大きくなる構造を有していることを
特徴とするインクジェットヘッド。 - 【請求項10】固定部と、該固定部から所定の方向に延
びる少なくとも一対の振動部とを有する基板を備え、該
基板の少なくとも各振動部上に、第1の電極層と配向制
御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されてお
り、該各振動部上における第2の電極層が、当該振動部
を振動部の幅方向に振動させるための少なくとも1つの
駆動電極と、当該振動部の厚み方向の変形を検出するた
めの少なくとも1つの検出電極とにパターン化された角
速度センサであって、 上記第1の電極層は、チタン又は酸化チタンを含有する
貴金属からなり、 上記配向制御層は、立方晶系又は正方晶系の(100)
面又は(001)面に優先配向したペロブスカイト型酸
化物であってジルコニウムの含有量が0以上20モル%
以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較して0
を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタンジル
コン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグ
ネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加したもの
からなり、 上記圧電体層は、菱面体晶系又は正方晶系の(001)
面に優先配向したペロブスカイト型酸化物からなり、 上記配向制御層における少なくとも第1の電極層側の表
面近傍部は、(100)面又は(001)面配向の領域
が第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置す
るチタン又は酸化チタン上に存在しかつ層厚方向と垂直
な断面における上記領域の面積が第1の電極層側から圧
電体層側に向かって大きくなる構造を有していることを
特徴とする角速度センサ。 - 【請求項11】請求項10記載の角速度センサにおい
て、 チタン酸ランタンジルコン酸鉛におけるランタンの含有
量が0を越え25モル%以下であることを特徴とする角
速度センサ。 - 【請求項12】請求項10又は11記載の角速度センサ
において、 チタン酸ランタンジルコン酸鉛にマグネシウム及びマン
ガンの少なくとも一方を添加する場合のトータル添加量
は、0を越え10モル%以下であることを特徴とする角
速度センサ。 - 【請求項13】請求項10〜12のいずれか1つに記載
の角速度センサにおいて、 第1の電極層は、白金、イリジウム、パラジウム及びル
テニウムの群から選ばれた少なくとも1種の貴金属から
なり、該貴金属に含有されたチタン又は酸化チタンの含
有量が0を越え30モル%以下であることを特徴とする
角速度センサ。 - 【請求項14】請求項10〜13のいずれか1つに記載
の角速度センサにおいて、 第1の電極層における配向制御層側の表面部に位置する
チタン又は酸化チタンの該表面からの突出量が2nmよ
りも小さいことを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項15】請求項10〜14のいずれか1つに記載
の角速度センサにおいて、 圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電
材料からなることを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項16】請求項10〜15のいずれか1つに記載
の角速度センサにおいて、 基板と第1の電極層との間に、該基板と第1の電極層と
の密着性を高める密着層が設けられていることを特徴と
する角速度センサ。 - 【請求項17】基板上に、チタン又は酸化チタンを含有
する貴金属からなる第1の電極層をスパッタ法により形
成する工程と、上記第1の電極層上に、立方晶系又は正
方晶系のペロブスカイト型酸化物からなる配向制御層を
スパッタ法により形成する工程と、上記配向制御層上
に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型酸化物
からなる圧電体層をスパッタ法により形成する工程と、
上記圧電体層上に第2の電極層を形成する工程とを含む
圧電素子の製造方法であって、上記配向制御層は、ジルコニウムの含有量が0以上20
モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛
にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加し
たものからなり、 上記配向制御層を形成する工程は、上記第1の電極層に
おける配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化
チタンを核にしてその上側に結晶成長させることによ
り、該配向制御層を(100)面又は(001)面に優
先配向させる工程であり、 上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層によ
り、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工程で
あることを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 【請求項18】 第1の電極層と配向制御層と圧電体層
と第2の電極層とが順に積層されてなる圧電素子を備
え、該圧電素子の圧電体層の圧電効果により振動層を層
厚方向に変位させて圧力室内のインクを吐出させるよう
に構成されたインクジェットヘッドの製造方法であっ
て、 基板上に、チタン又は酸化チタンを含有する貴金属から
なる第1の電極層をスパッタ法により形成する工程と、 上記第1の電極層上に、立方晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる配向制御層をスパッタ法によ
り形成する工程と、 上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法により
形成する工程と、 上記圧電体層上に第2の電極層を形成する工程と、 上記第2の電極層上に、振動層を形成する工程と、 上記振動層の第2の電極層とは反対側の面に、圧力室を
形成するための圧力室部材を接合する工程と、 上記接合工程後に、上記基板を除去する工程とを含み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含有量が0以上20
モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛
にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加し
たものからなり、 上記配向制御層を形成する工程は、上記第1の電極層に
おける配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化
チタンを核にしてその上側に結晶成長させることによ
り、該配向制御層を(100)面又は(001)面に優
先配向させる工程であり、 上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層によ
り、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工程で
あることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方
法。 - 【請求項19】 第1の電極層と配向制御層と圧電体層
と第2の電極層とが順に積層されてなる圧電素子を備
え、該圧電素子の圧電体層の圧電効果により振動層を層
厚方向に変位させて圧力室内のインクを吐出させるよう
に構成されたインクジェットヘッドの製造方法であっ
て、 圧力室を形成するための圧力室基板上に、振動層を形成
する工程と、 上記振動層上に、チタン又は酸化チタンを含有する貴金
属からなる第1の電極層をスパッタ法により形成する工
程と、 上記第1の電極層上に、立方晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる配向制御層をスパッタ法によ
り形成する工程と、 上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法により
形成する工程と、 上記圧電体層上に第2の電極層を形成する工程と、 上記圧力室基板に、圧力室を形成する工程とを含み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含有量が0以上20
モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛
にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加し
たものからなり、 上記配向制御層を形成する工程は、上記第1の電極層に
おける配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化
チタンを核にしてその上側に結晶成長させることによ
り、該配向制御層を(100)面又は(001)面に優
先配向させる工程であり、 上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層によ
り、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工程で
あることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方
法。 - 【請求項20】 固定部と、該固定部から所定の方向に
延びる少なくとも一対の振動部とを有する基板を備え、
該基板の少なくとも各振動部上に、第1の電極層と配向
制御層と圧電体層と第2の電極層とが順に積層されてお
り、該各振動部上における第2の電極層が、当該振動部
を振動部の幅方向に振動させるための少なくとも1つの
駆動電極と、当該振動部の厚み方向の変形を検出するた
めの少なくとも1つの検出電極とにパターン化された角
速度センサの製造方法であって、 基板上に、チタン又は酸化チタンを含有する貴金属から
なる第1の電極層をスパッタ法により形成する工程と、 上記第1の電極層上に、立方晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる配向制御層をスパッタ法によ
り形成する工程と、 上記配向制御層上に、菱面体晶系又は正方晶系のペロブ
スカイト型酸化物からなる圧電体層をスパッタ法により
形成する工程と、 上記圧電体層上に、第2の電極層を形成する工程と、 上記第2の電極層をパタ−ニングして上記駆動電極及び
検出電極を形成する工程と、 上記圧電体層、配向制御層及び第1の電極層をパタ−ニ
ングする工程と、 上記基板をパタ−ニングして上記固定部及び振動部を形
成する工程とを含み、上記配向制御層は、ジルコニウムの含有量が0以上20
モル%以下でありかつ鉛の含有量が化学量論組成と比較
して0を越え30モル%以下過剰であるチタン酸ランタ
ンジルコン酸鉛、又は該チタン酸ランタンジルコン酸鉛
にマグネシウム及びマンガンの少なくとも一方を添加し
たものからなり、 上記配向制御層を形成する工程は、上記第1の電極層に
おける配向制御層側の表面部に位置するチタン又は酸化
チタンを核にしてその上側に結晶成長させることによ
り、該配向制御層を(100)面又は(001)面に優
先配向させる工程であり、 上記圧電体層を形成する工程は、上記配向制御層によ
り、該圧電体層を(001)面に優先配向させる工程で
あることを特徴とする角速度センサの製造方法。 - 【請求項21】 請求項8又は9記載のインクジェット
ヘッドと、 上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させ
る相対移動手段とを備え、 上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒
体に対して相対移動しているときに、該インクジェット
ヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔
から該圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記録を
行うように構成されていることを特徴とするインクジェ
ット式記録装置。
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