JP4451610B2 - Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus - Google Patents

Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP4451610B2
JP4451610B2 JP2003117954A JP2003117954A JP4451610B2 JP 4451610 B2 JP4451610 B2 JP 4451610B2 JP 2003117954 A JP2003117954 A JP 2003117954A JP 2003117954 A JP2003117954 A JP 2003117954A JP 4451610 B2 JP4451610 B2 JP 4451610B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electrode layer
piezoelectric
piezoelectric element
plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003117954A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004079991A (en
Inventor
秀雄 鳥井
映志 藤井
淳 友澤
晶子 村田
良一 高山
拓 平澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2003117954A priority Critical patent/JP4451610B2/en
Publication of JP2004079991A publication Critical patent/JP2004079991A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4451610B2 publication Critical patent/JP4451610B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To decrease variations in characteristic and to improve reliability of a piezoelectric element 20 by forming a piezoelectric substrate layer 3 comprising a perovskite type oxide excellent in crystallinity and a (001) face crystal orientation of the piezoelectric element 20. <P>SOLUTION: The manufacturing method comprises the steps of forming a first electrode layer 2 comprising an alloy of at least one type of metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper, and a noble metal, on a silicon wafer 1; forming a piezoelectric substrate layer 3 comprising rhombohedral system or tetragonal system perovskite type oxide (PZT, etc.) on the first electrdoe layer 2; and preferentially orienting the piezoelectric substrate layer 3 to the (001) face. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電素子、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。
【0002】
【従来の技術】
一般に、圧電材料は、機械的エネルギー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)O)(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>軸方向(c軸方向)であり、菱面体晶系の場合には<111>軸方向である。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。
【0003】
ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、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、従来より多くの用途に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する傾向にあり、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<001>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<001>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、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、スパッタ法により、下部電極として(100)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<001>軸配向した結晶性良好な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)。
【0004】
上記の方法は、MgO単結晶の基板を用いることが特徴であり、それによってはじめて、高い圧電特性を有する結晶方向に優先的に結晶配向した圧電薄膜が実現されたわけであるが、このMgO単結晶は非常に高価な材料であるために、この方法で形成した圧電薄膜を有する圧電素子を利用した工業製品を大量生産するには、コスト的に問題がある。
【0005】
そこで、シリコン等の安価な基板の上に圧電材料の結晶配向膜を形成する方法として、いろいろな工夫がなされている。例えば、PZT等の圧電体層の結晶の優先配向面を制御する方法として、特許文献2には、基板の表面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、圧電特性を発現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て圧電性を発現する圧電体薄膜に変化させる製造方法(ゾル・ゲル法)が開示されており、その際にチタン層の膜厚を制御することで圧電体薄膜の結晶配向性をコントロールできることが示されている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−209517号公報
【0007】
【特許文献2】
特開2001−88294号公報
【0008】
【非特許文献1】
“ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
(Journal of Applied Physics)”,(米国),アメリカ物理学会,
1989年2月15日,第65巻,第4号,p.1666-1670
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献2に開示された方法は、高価なMgO単結晶基板を用いない方法として優れているものの、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。このために、一旦、非晶質の圧電体前駆体薄膜を形成し、この膜を含む積層膜を最後に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。
【0010】
このため、ゾル・ゲル法では、圧電素子を工業的に量産すると、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りクラックが生じ易く、また、非晶質の圧電体前駆体薄膜を高温で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く、さらに成膜後の後熱処理工程があるために、工程数が多くなり、ともすると歩留りが低くなってしまうという問題がある。
【0011】
一方、上記特許文献2では、非晶質薄膜を一旦形成し、結晶化熱処理なる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質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、強誘電体薄膜の代表のPZT膜の配向制御を試みたが、ゾル・ゲル法以外に配向制御ができ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PZT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ためとしている。
【0012】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、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。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、電極層を、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金で構成し、その電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量を、0を越え26モル%以下としておき、この電極層上に、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形成して、該圧電体層を(001)面に優先配向させるようにした。
【0014】
具体的には、請求項1の発明では、第1の電極層と、該第1の電極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。
【0015】
そして、上記第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0016】
上記の構成により、第1の電極層上に圧電体層をスパッタ法等により形成すれば、第1の電極層が(111)面配向等であったとしても、第1の電極層が結晶配向制御層の役目を果たして、圧電体層が(001)面(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)に配向し易くなる。すなわち、圧電体層の直接の下地になる第1の電極層が、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅といった比較的酸素を化学吸着し易い金属原子と酸化され難い貴金属原子(例えば白金原子)との合金材料からなるために、この第1の電極層の表面においては、貴金属原子中に上記金属原子が点在する平滑面になっていると推測される。この第1の電極層上にPZT等のペロブスカイト型結晶構造酸化物(化学量論組成よりも鉛元素が過剰であることが望ましい)からなる圧電体層を例えばスパッタ法により形成する際には、この酸化物の酸素量を安定にさせるために、スパッタガスとして、不活性なアルゴンガスに酸素を混合させるが、その酸素ガスの原子が、まず、上記第1の電極膜の平滑表面に点在するコバルト等の金属原子に吸着することになる。この吸着は、NaCl型結晶構造で安定な配位構造をとって起こり、その上に同じ配位の金属原子(例えば鉛)と酸素原子との関係を持つペロブルカイト型結晶構造の酸化物がつながって結晶成長することになる。この際、成膜時の酸素分圧は比較的低くて成膜雰囲気中に酸素が少ないために、酸素原子のみが層状に並ぶ現象(このとき(111)面が成長する)が起こり難く、よって、金属原子と酸素原子とが交互に層状に配列する(001)面が成長し易いと考えられる。もちろん、貴金属原子の上にも圧電膜が成長するが、ここでは結晶面がランダムな粒子の集合体の圧電膜が成長することになる(その中には(001)面配向の結晶粒子も存在する)。また、シリコン等の基板を用いる場合には、通常、第1の電極層は(111)面配向になっているため、圧電体層において第1の電極層の表面部における上記コバルト等の金属原子が存在しない部分の上側領域では、(001)面以外の面配向(例えば(111)面配向)になったりアモルファスになったりする。しかし、上記のように酸素を含む成膜雰囲気下では(001)面が成長し易いので、上記金属原子上にできた圧電膜の(001)面の結晶成長速度が速くて、逆円錐形状で横に拡がりながら、その(001)面以外の結晶成長速度が遅い面に配向した結晶粒子(例えば(111)配向の粒子等)の成長を抑えた状態で膜成長が起こるため、ついには全体が(001)面配向の圧電膜になると考えられる。つまり、圧電体層の層厚方向と垂直な断面における上記(001)面配向領域の面積が第1の電極層側からその反対側(第2の電極層側)に向かって大きくなり、圧電体層の厚みが20nm程度となった段階では表面の略全体が(001)面配向の領域となる。この結果、圧電体層を例えば0.5μm以上の膜厚とすれば、圧電体層の大部分が(001)面配向の領域となり、90%以上の(001)面配向度が十分に得られる。
【0017】
このように圧電体層の結晶配向を制御できるのは、圧電材料がペロブスカイト型の結晶構造の物質であって、鉛等の金属原子と酸素原子との配列及び結晶格子の間隔が、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅といった酸化され易い金属が酸化してできる安定物質である岩塩(NaCl)構造の酸化物とほぼ一致するからであり、スパッタ法のように、下の層の上に積もりながら膜成長するタイプの薄膜形成の工法を用いて、圧電体層の結晶配向制御が可能になる。
【0018】
したがって、第1の電極層が、電極としての役割に加えて圧電体層の結晶配向を制御する役割をも果たすので、安価なシリコン等の基板上に、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CVD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、ゾルゲル法で必要な工程である、圧電体層を成膜後に熱処理して結晶化する工程を無くすことができ、この結果、クラックの発生や特性ばらつきを少なくできて、工業的に量産しても圧電特性の再現性、ばらつき及び信頼性の良好な圧電素子が得られる。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、(001)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)。
【0019】
また、高価なMgO単結晶基板を用いなくても、良好な結晶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。
【0020】
さらに、圧電体層の膜厚が1μm以上であっても、一回の塗布工程で厚い膜を形成できないゾル・ゲル法のように、厚い膜を形成するため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。
【0021】
ここで、金属の含有量は、26モル%を越えると圧電体層の結晶性及び配向性が低下するので、26モル%以下とする。
【0022】
請求項の発明では、請求項の発明において、第1の電極層は、基板上に設けられており、上記基板と第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、上記基板は、シリコン基板、ガラス基板、金属基板及びセラミックス基板のうちのいずれか1つからなるものとする。
【0023】
こうすることで、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、第1及び第2の電極層間への電圧印加による作動時においても膜剥離が生じ難くなる。また、安価な基板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。
【0024】
請求項の発明では、請求項の発明において、密着層は、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種からなるものとする。
【0025】
このことにより、基板と第1の電極層との密着性を向上させるのに好適な材料が得られる。
【0026】
請求項の発明では、請求項1〜3のいずれか1つの発明において、第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0027】
このことにより、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(111)面配向等であったとしても、請求項1の発明の圧電体層と同様に、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。こうして形成した配向制御層上に、該配向制御層と同様の結晶構造の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、結晶配向性が高くかつ安定した圧電体層が容易に得られる。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。
【0028】
また、このような配向制御層を設けることで、安価なシリコン等の基板上に、ゾル・ゲル法以外の、熱処理による結晶化工程なしに600℃に達しない温度で直接に結晶性薄膜を形成する成膜法(スパッタ法やCVD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、ゾルゲル法のように圧電体層を成膜後に熱処理して結晶化する工程を無くすことができるとともに、配向制御層を設けない場合に比べて、より低温で成膜することができ、圧電特性の再現性、ばらつき及び信頼性がより一層良好な圧電素子が得られる。
【0029】
請求項の発明では、請求項の発明において、配向制御層は、チタン酸ランタン鉛又はチタン酸ランタン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。
【0030】
すなわち、例えばスパッタ法では、圧電特性が特に良好なPZTに比較してチタン酸ランタン鉛の方が安定して結晶膜を形成し易いので、この材料を配向制御層に用いることで、比較的低温で、(100)面又は(001)面配向膜を容易に形成することができる。そして、圧電体層にPZTを用いる場合、このチタン酸ランタン鉛とPZTとは結晶構造が全く同じであるために、配向制御層上に圧電体層を形成すれば、チタン酸ランタン鉛の表面に、イオンの並び方が類似のPZTがそのまま膜成長し、よって、低温でも、(001)面に容易に結晶配向させることができる。
【0031】
請求項の発明では、請求項の発明において、配向制御層は、ストロンチウムを含むペロブスカイト型酸化物からなるものとする。
【0032】
このことにより、ストロンチウムを含むペロブスカイト型酸化物も、チタン酸ランタン鉛と同様に、PZT等に比べて低温形成が可能であり、配向性及び結晶性が良好な薄膜が得られ易くなる。
【0033】
請求項の発明では、請求項の発明において、配向制御層は、チタン酸ストロンチウムを含有しているものとする。
【0034】
このことで、配向制御層の(100)面又は(001)面配向性及び結晶性を確実に向上させることができ、延いては圧電体層の配向性を向上させることができる。
【0035】
請求項の発明では、請求項1〜のいずれか1つの発明において、第1の電極層における貴金属が、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種であるものとする。
【0036】
このことにより、圧電素子の各膜をスパッタ法等により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。
【0037】
請求項の発明は、第1の電極層と圧電体層と第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。
【0038】
そして、この発明では、上記圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0039】
この発明により、基板上に、第1の電極層、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る。この結果、インクの吐出能力が高くなり、しかも、多数の圧力室及びノズル孔を設けて該各圧力室(ノズル孔)にそれぞれ対応するように圧電素子を設けた場合でも、それら圧電素子間のばらつきが小さくなり、どのノズル孔からも安定的にインクを吐出させることができる。また、インクの吐出能力が高いため、電源電圧の調整幅に関してマージンを大きくとることができ、これにより、インクの吐出ばらつきを容易にコントロールすることができる。
【0040】
請求項10の発明では、請求項の発明において、圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0041】
このことにより、基板上に、第1の電極層、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、このインクジェットヘッドのインク吐出能力が安定して高くなり、インク吐出ばらつきを容易にコントロールすることができる。
【0042】
請求項11の発明では、第1の電極層と圧電体層と第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。
【0043】
そして、上記圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0044】
このことで、圧力室部材を基板として、その上に、振動層、第1の電極層、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。
【0045】
請求項12の発明では、請求項11の発明において、圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0046】
こうすることで、圧力室部材を基板として、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10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。
【0047】
請求項13の発明は、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。
【0048】
そして、この発明では、上記第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0049】
この発明により、第2の電極層の駆動電極及び第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。
【0050】
請求項14の発明では、請求項13の発明において、第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0051】
このことで、角速度を検出する部分(振動部)が、請求項の発明と同様の構成の圧電素子で構成された角速度センサが得られ、この角速度センサの特性の再現性、耐電圧及び信頼性が良好なものとなる。
【0052】
請求項15の発明は、圧電素子の製造方法の発明であり、この発明では、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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み、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0053】
この発明により、請求項1の発明に係る圧電素子を容易に製造することができる。
【0054】
請求項16の発明では、圧電素子の製造方法として、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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み、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0055】
このことにより、請求項の発明に係る圧電素子を容易に製造することができる。
【0056】
請求項17の発明は、第1の電極層と圧電体層と第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。
【0057】
そして、この発明では、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0058】
この発明により、請求項の発明に係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。
【0059】
請求項18の発明では、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を対象とする。
【0060】
そして、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0061】
このことにより、請求項10の発明に係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。
【0062】
請求項19の発明では、第1の電極層と圧電体層と第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。
【0063】
そして、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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0064】
このことで、請求項11の発明に係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。
【0065】
請求項20の発明では、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を対象とする。
【0066】
そして、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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0067】
このことにより、請求項12の発明に係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。
【0068】
請求項21の発明は、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。
【0069】
そして、この発明では、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0070】
この発明により、請求項13の発明に係る角速度センサを容易に製造することができる。
【0071】
請求項22の発明では、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を対象とする。
【0072】
そして、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であるものとする。
【0073】
このことにより、請求項14の発明に係る角速度センサを容易に製造することができる。
【0074】
請求項23の発明は、第1の電極層と圧電体層と第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有しかつ記録媒体に対して相対移動可能に構成されたインクジェットヘッドを備え、該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ける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、該圧力室に連通するノズル孔から上記記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されたインクジェット式記録装置の発明である。
【0075】
そして、この発明では、上記インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0076】
この発明により、インクの吐出ばらつきを容易にコントロールすることが可能なインクジェットヘッドを用いて構成することで、記録媒体に対する記録のばらつきを小さくすることができ、この結果、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現することができる。
【0077】
請求項24の発明では、請求項23の発明において、インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0078】
このことにより、信頼性の高いインクジェット式記録装置が安定的にかつ容易に得られる。
【0079】
請求項25の発明では、第1の電極層と圧電体層と第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有しかつ記録媒体に対して相対移動可能に構成されたインクジェットヘッドを備え、該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ける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、該圧力室に連通するノズル孔から上記記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されたインクジェット式記録装置を対象とする。
【0080】
そして、上記インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、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るものとする。
【0081】
このことで、請求項23の発明と同様の作用効果を有するインクジェット式記録装置が得られる。
【0082】
請求項26の発明では、請求項25の発明において、インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられているものとする。
【0083】
こうすることで、請求項24の発明と同様の作用効果を有するインクジェット式記録装置が得られる。
【0084】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0085】
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態における圧電素子を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態の圧電素子20は、長さ15.0mm、厚さ0.30mm、幅3.0mmの短冊平板形状のシリコンからなる基板1と、このシリコン基板1上に配設された積層体10とを備えている。この圧電素子20は、その一端から3.0mmまでの部分で、エポキシ系接着剤6によって、圧電素子20と垂直な方向(図1に示す座標軸のY軸方向)に延びる幅3.0mm、長さ10.0mm、厚み1.0mmのステンレス支持基板5に固定されており、これにより片持ち梁が構成されている。尚、基板1は、シリコン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。
【0086】
上記積層体10は、シリコン基板1上に配設された第1の電極層2と、この第1の電極層2上に配設された圧電体層3と、この圧電体層3上に配設された第2の電極層4とで構成されていて、基板1上に、第1の電極層2、圧電体層3及び第2の電極層4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、上記各膜の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)であればよく、第2の電極層4の成膜法は、ゾル・ゲル法等であってもよい。また、シリコン基板1と第1の電極層2との間に、該シリコン基板1と第1の電極層2との密着性を高める密着層を形成してもよい(後述の実施形態2の変形例参照)。この密着層は、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種で構成すればよい。
【0087】
上記第1の電極層2は、厚さが0.10μmであって6モル%のコバルト(Co)を含むイリジウム(Ir)薄膜で構成されている。つまり、第1の電極層2は、コバルトと貴金属としてのイリジウムとの合金からなっていて、電極としての役割に加えて、後述の如く圧電体層3の結晶配向を制御する役割をも果たす電極兼結晶配向制御層を構成している。尚、第1の電極層2は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなっていればよく、その貴金属は、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種であればよい。さらに、第1の電極層2が、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金以外に、その組成中に極くわずかの酸素を含む合金であってもよい。そして、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量は、結晶配向を良好に制御できる点で、0を越え26モル%以下とする。さらに、第1の電極層2の膜厚は、0.05〜2μmの範囲であればよい。
【0088】
上記圧電体層3は、上記第1の電極層2上において上記ステンレス支持基板5に接着された側(基端側)の一端から3.0mmまでの部分を除いた全面(つまり幅3.0mmで長さ12.0mmの部分)に設けられていて、菱面体晶系又は正方晶系の(001)面に優先配向した(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)ペロブスカイト型酸化物からなっている。この実施形態では、圧電体層3は、厚さ2.50μmのPZT薄膜で構成されており、このPZTの組成は、Zr/Ti=53/47である(このため、菱面体晶系となる)。尚、Zr/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であればよい。また、圧電体層3の構成材料は、PZTにSr、Nb、Al、Mg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、その他、Laを含むPZT(すなわち、PLZT)であってもよい。さらに、圧電体層3の厚みは、0.5〜5.0μmの範囲であればよい。
【0089】
上記第2の電極層4は、厚さ0.25μmの白金(Pt)薄膜からなっており、上記第1の電極層2及び第2の電極層4には、それぞれリード線7,8が接続されている。尚、第2の電極層4の構成材料は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。
【0090】
そして、上記リード線7,8を介して圧電素子20の第1の電極層2と第2の電極層4との間に電圧を印加すると、圧電体層3は、図1に示す座標軸のX軸方向(圧電体層3の長さ方向)に伸びる。このとき、圧電体層3の伸びの変化量ΔL(m)は、印加電圧をE(V)、圧電体層3の厚さをt(m)、圧電体層3の長さをL(m)、圧電体層3の圧電定数をd31(pm/V)とすると、
ΔL=d31×L×E/t
となる。
【0091】
ここで、圧電体層3において膜厚の薄い第2の電極層4と接合された上側部分はX軸方向へ伸びるが、第1の電極層2を介してシリコン基板1と接合された下側部分は、厚いシリコン基板1によってその伸び変位が抑制される。この結果、ステンレス支持基板5に固定された基端側(リード線7,8が接続された端子側)に対して反対側に位置する圧電素子20の先端側が、図1に示す座標軸のZ軸方向の負側(図1では下側)に変位する。これによって、電圧の印加と除去とを一定周波数で交互に繰り返すと、圧電素子20の先端が所定の変位幅で上下運動する。そして、印加電圧と圧電素子20の先端の変位幅との関係を測定することにより、圧電素子20の変位特性を評価することができる。
【0092】
次に、上記圧電素子20の製造方法について、図2の工程図を参照しながら説明する。
【0093】
まず、図2(a)に示すように、(001)面が研磨された20mm角で厚み0.30mmのシリコン基板1の上に、幅5.0mmで長さ18.0mmの長方形の開口部をもつ厚み0.2mmのステンレス製マスク(図示せず)を用いて、RFスパッタ法によって、コバルトを6モル%含むイリジウム膜からなる第1の電極層2を、厚さが0.10μmになるように形成する。
【0094】
具体的には、このコバルトを含むイリジウム膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で、シリコン基板1を予め400℃の温度に加熱保持し、スパッタリングガスとしてアルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O=15:1)を用い、トータルガス圧力を0.25Paに保持して、3元スパッタ装置の第1ターゲットとしてコバルトターゲットを用い、第2ターゲットとしてイリジウムターゲットを用いて、それぞれ100W及び200Wの高周波電力を印加して15分間スパッタリングすることによって形成する(第3ターゲットは使用せず)。
【0095】
続いて、幅5.0mmで長さ12.0mmの長方形の開口部をもつステンレス製マスク(厚み0.2mm)を用いて、上記第1の電極層2の表面上に正確に、RFマグネトロンスパッタ法によって、厚み2.50μmのPZT膜からなる圧電体層3を形成する。このPZT膜の圧電体層3の形成方法については、後で詳細に説明する。
【0096】
次いで、上記圧電体層3の形成時と同じ形状のステンレス製マスクを用いて、圧電体層3の表面上にRFスパッタ法によって白金からなる厚み0.25μmの第2の電極層4を形成する。これにより、図2(b)に示すようなシリコン基板1上に圧電体層3を含む積層体10が設けられた構造体21が得られる。
【0097】
次に、図2(c)に示すように、幅3.0mmで長さ15.0mmの短冊形状になるように、かつ、その一端の幅3.0mm、長さ3.0mmの正方形部分において第1の電極層2の一部が露出するように、上記構造体21をダイシングソーで切断する。これにより、第2の電極層4が第1の電極層2における幅3.0mmで長さ12.0mmの部分の上側において露出している圧電素子構造体部品22が得られる。
【0098】
続いて、図2(d)に示すように、上記圧電素子構造体部品22におけるシリコン基板1の一端部を、エポキシ系接着剤6を用いて、ステンレス支持基板5に接合する。
【0099】
次いで、図2(e)に示すように、上記圧電素子構造体部品22において露出している第1の電極層2に導電性接着剤(銀ペースト)を用いて0.1mmの金のリード線7を接続し、同じ一端側の第2の電極層4にワイヤボンディングで同様なリード線8を接続することで、圧電素子20が完成する。
【0100】
ここで、上記圧電体層3の形成方法について詳細に説明する。すなわち、RFマグネトロンスパッタ装置を用い、成膜室内で、コバルトを含むイリジウム膜からなる第1の電極層2が形成されたシリコン基板1を600℃まで加熱保持し、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZr0.53Ti0.47)に、酸化鉛(PbO)をモル比で5モル%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを用いて、600Wの高周波電力を印加して125分間スパッタリングすることによって、圧電体層3を形成する。この成膜時は、アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O=19:1)をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を0.3Paに保持する。
【0101】
この圧電体層3は、第1の電極層2における圧電体層3側の表面部に点在するコバルトを核にして結晶成長し、これにより、コバルト上において(001)面に配向し易くなる。つまり、コバルト(ニッケル、鉄、マンガン及び銅も同様)は、圧電体層3の形成時におけるスパッタガス中の酸素を吸着し易くて、しかもこの吸着は、NaCl型結晶構造で安定な配位構造をとって起こる。この結果、その上に同じ配位の金属原子(鉛)と酸素原子との関係を持つPZTがつながって結晶成長することになる。この際、成膜時の酸素分圧は比較的低くて成膜雰囲気中に酸素が少ないために、酸素原子のみが層状に並ぶ現象(このとき(111)面が成長する)が起こり難く、よって、金属原子(鉛)と酸素原子とが交互に層状に配列する(001)面が成長し易くなる。一方、シリコン基板1を用いることで、第1の電極層2は(111)面配向になっており、圧電体層3において第1の電極層2の表面部におけるコバルトが存在しない部分の上側領域では、(001)面以外の面配向(例えば(111)面配向)になったりアモルファスになったりする(イリジウム膜の場合にはアモルファスになる)。しかし、上記のように酸素を含む成膜雰囲気下では(001)面が成長し易いので、コバルト上におけるPZT膜の(001)面の結晶成長速度が、コバルトが存在しない部分の上側領域における(001)面以外に配向した結晶粒子の成長よりも速く、これにより、(001)面の結晶成長は、逆円錐形状で横に拡がりながら、(001)面以外に配向した結晶粒子の成長を抑える。この結果、圧電体層3の厚みが20nm程度となった段階では表面の略全体が(001)面配向の領域となる。この結果、圧電体層16の厚みを0.5μm以上とすれば、圧電体層16の大部分が(001)面配向の領域となり、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。
【0102】
ここで、具体的に実施した実施例について説明する。
【0103】
先ず、実施例1の圧電素子として、上記実施形態と同じものを上記と同じ製造方法で作製した。尚、その作製途中で、第1の電極層及び圧電体層の各膜について、X線マイクロアナライザーで組成分析を行うとともに、X線回折法による解析によって圧電体層の結晶配向率を調べた。
【0104】
上記第1の電極層(イリジウム膜)の組成分析の結果、この膜の組成は、6モル%のコバルトを含むイリジウムであることが判った。また、圧電体層(PZT膜)の組成分析の結果、PZT膜の陽イオンの組成比はPb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47であり、Pb(Zr0.53Ti0.47)Oで表記できる化学組成になっていることが判った。
【0105】
さらに、圧電体層についてX線回折法によって解析した結果、ペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、(001)面結晶配向率が99%に優先配向した薄膜(<001>軸が表面に垂直な方向を向いた構造の薄膜)であることが判った。ここで、結晶配向率は、PZT膜のX線回折パターンの(001)面、(100)面、(010)面、(110)面、(011)面、(101)面、(111)面のピーク強度の合計に対する(001)面のピーク強度の割合(百分率)である。
【0106】
次に、上記作製した実施例1の圧電素子における第1の電極層と第2の電極層との間にリード線を介して0Vから−10Vの三角波電圧を印加し、図1に示す座標軸のZ軸方向に上下運動する圧電素子の先端の変位量を測定した。
【0107】
図3に、周波数100Hzの電圧を印加した場合における圧電素子の先端の変位量を示す。図3に示すように、0V〜−10Vの電圧を印加した場合、この圧電素子の先端の最大変位量は3.8μmであった。
【0108】
ここで、上記実施例1の圧電素子と同じ条件で、シリコン基板上に第1の電極層を形成したものを3個準備し、これらを用いて、上記実施例1の圧電素子と同じPZT膜を形成した。但し、この際に、3つの基板のスパッタ時間をそれぞれ2分間、5分間、及び20分間に選んで成膜した。このようにして形成したPZT膜の膜厚はそれぞれ0.02μm、0.09μm、及び0.40μmであった。これらのPZT膜の(001)面結晶配向率をX線回折法で調べた。
【0109】
この結果、PZT膜の(001)面結晶配向率は、PZT膜厚が0.02μmの場合には85%であり、0.09μmの場合には95%であり、0.40μmの場合には98%であった。このことから、PZT膜の結晶配向性は、第1の電極側表面から膜成長に伴って、しだいに(001)面配向が優性になることが判った。
【0110】
次に、3元RFマグネトロンスパッタ装置の各ターゲットを異なる材料に交換し、スパッタ電力及びスパッタ時間を制御することで、組成及び膜厚がそれぞれ異なる第1の電極層を有する圧電素子(実施例2〜実施例39)を作製した。この第1の電極層を形成するときの各ターゲットの組成、スパッタ電力及びスパッタ時間を表1に示す。
【0111】
【表1】

Figure 0004451610
【0112】
そして、上記実施例1と同様に、上記実施例2〜実施例39の各圧電素子における第1の電極層の膜厚測定及び組成分析を行うとともに、圧電体層の(001)面結晶配向率を調べ、さらに、三角波電圧を印加したときの圧電素子の先端の変位量(最大変位量)を測定した。この結果を表2にまとめて示す。尚、実施例9、17、21、26及び31は、便宜的に「実施例」としているが、第1の電極層の組成分析の結果から本願発明の対象とはならなくなる。
【0113】
【表2】
Figure 0004451610
【0114】
このことより、各実施例における圧電体層の(001)面結晶配向率は、後述の比較例のものに比べてかなり高く、特に、第1の電極層においてコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量を26モル%以下にすれば、確実に90%以上になるとともに、圧電素子の先端の最大変位量も高レベルになることが判る。
【0115】
尚、上記実施例1〜実施例39の各圧電素子の圧電体層は、一定組成のPZT膜としたが、Ti/Zrモル比が異なる組成のPZT膜でも同様の結果が得られた。また、圧電体層としては、Laを含むPZT膜(PLZT膜)でも、NbやMg等のイオンを含むPZT膜でもよくてペロブスカイト型結晶構造の酸化物膜であれば、全て、上記実施例1〜実施例39の各圧電素子と同じように(001)面配向膜が得られた。
【0116】
次に、比較例として、以下に示す圧電素子を作製した(比較例1及び比較例2)。
【0117】
すなわち、比較例1の圧電素子では、作製工程の一部分を特開2001−88294号公報の記載に従って圧電薄膜をスパッタ法で形成した。具体的には、まず、スパッタ装置を用いて、上記実施例1で用いたものと同様のシリコン基板を、1100℃の電気炉に入れ、乾燥酸素を流して22時間酸化処理し、表面層に約1μmの酸化珪素膜を形成した。その基板の表面に、ジルコニウムをターゲットにして、酸素を導入しながら反応スパッタ法で膜厚0.4μmの酸化ジルコニウムの薄膜を形成し(スパッタ条件:スパッタ電力200W、真空度0.3Pa)、その表面に、イリジウムをターゲットとするRFマグネトロンスパッタ装置を用いて、膜厚1.0μmのイリジウム薄膜からなる第1の電極層を形成し、さらにその表面に、上記実施形態と同じステンレスマスクを用いて、チタンをターゲットとするDCマグネトロンスパッタ装置を使って、膜厚0.06μmのチタン薄膜を形成した。さらに、そのチタン膜の表面に、実施例1と同様の方法で、実施例1と同じ組成のPZT膜を形成し、さらに、実施例1と同様の膜厚0.25μmの白金薄膜からなる第2の電極層を形成し、その後、実施例1と同様に加工して、実施例1(図1)と同形状の圧電素子を作製した。
【0118】
上記比較例1の圧電素子における圧電体層のPZT膜の(001)面結晶配向率を調べたところ、23%であった。また、三角波電圧を印加したときの比較例1の圧電素子の先端の変位量を測定したところ、図4に示す結果となり、最大変位量は2.4μmであった(尚、上記結晶配向率及び最大変位量の各値は、表2において上記実施例及び後述の比較例2と共に並記している)。
【0119】
上記比較例1の圧電素子の構成では、圧電体層の作製にスパッタ法を用いると、特開2001−88294号公報に記載されているように、圧電薄膜の結晶配向性のコントロールが困難であり、(001)面結晶配向性の高いPZT膜が得られないことが判る。
【0120】
次いで、比較例2の圧電素子を作製した。この比較例2のものは、第1の電極層のイリジウム膜にコバルト等の金属を含有させない点が上記実施例のものとは異なる。すなわち、第1の電極層を形成する際、第1ターゲットのコバルトターゲットへのスパッタ電力を0Wにし、第2ターゲットのイリジウムターゲットへのスパッタ電力を200Wにして16分間スパッタリングする。このことで、結晶配向制御層として機能しないと考えられる厚み0.10μmの第1の電極層(イリジウム膜)を形成し、その他は実施例1と全く同じようにして圧電素子を作製した。
【0121】
上記比較例2の圧電素子における圧電体層についてX線回折法によって解析すると、実施例1のように(001)面配向の薄膜になっておらず、(001)面以外に(111)面や(110)面の強度の高い回折ピークを含むX線回折パターンを示し、(001)面結晶配向率は22%であった。これは、第1の電極層がコバルト等の金属を含有していないために、結晶配向制御層として機能しなかったからであり、これにより、その上のPZT膜の(001)面結晶配向率が低下したと考えられる。
【0122】
また、三角波電圧を印加したときの比較例2の圧電素子の先端の変位量を測定したところ、最大変位量は2.3μmであった。
【0123】
次に、基板として、シリコン基板(長さ15.0mm、厚さ0.30mm、幅3.0mmの短冊平板形状)の代わりに、700℃でも変形しない耐熱性結晶化ガラス(厚み0.30mm:熱膨張係数87×10―7/℃)からなる長さ15.0mm、幅3.0mmの短冊平板形状の基板を用いて、上記実施例1と同形状の圧電素子を実施例1と同じ方法で作製した(この圧電素子を実施例40とする)。
【0124】
また、上記実施例40と同じ基板を用いて、上記実施例7と同様にして作製した圧電素子(実施例41)と、実施例13と同様にして作製した圧電素子(実施例42)と、実施例19と同様にして作製した圧電素子(実施例43)と、実施例32と同様にして作製した圧電素子(実施例44)と、上記比較例2と同様にして作製した、第1の電極層がイリジウムのみからなる圧電素子(比較例3)とを得た。
【0125】
上記のようにガラス基板を用いて作製した実施例40〜実施例44及び比較例3の各圧電素子における第1の電極層の膜厚測定及び組成分析を行うとともに、圧電体層の(001)面結晶配向率を調べ、さらに、三角波電圧を印加したときの圧電素子の先端の変位量(最大変位量)を測定した。この結果を表3に示す。
【0126】
【表3】
Figure 0004451610
【0127】
このことより、基板がシリコンと異なるガラスの場合であっても、本実施例の構成の圧電素子は、高い配向率で(001)面に結晶配向した圧電体層を備えていて、高い圧電変位が可能になることが判る。また、基板材料の違いによって電圧印加の際の変位量は異なるが、安定した変位特性を示すことが判った。
【0128】
(実施形態2)
図5は、本発明の実施形態に係る他の圧電素子を示し(尚、図1と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する)、上記実施形態1における圧電素子の第1の電極層2と圧電体層3との間に、配向制御層11を設けたものである。
【0129】
すなわち、本実施形態の圧電素子20は、上記実施形態1と同様に、シリコン基板1と、このシリコン基板1上に配設された積層体10とを備えていて、その一端から3.0mmまでの部分で、エポキシ系接着剤6によってステンレス支持基板5に固定されており、これにより片持ち梁が構成されている。尚、本実施形態においても、基板1は、シリコン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。
【0130】
上記積層体10は、シリコン基板1上に配設された第1の電極層2と、この第1の電極層2上に配設された配向制御層11と、この配向制御層11上に配設された圧電体層3と、この圧電体層3上に配設された第2の電極層4とで構成されていて、基板1上に、第1の電極層2、配向制御層11、圧電体層3及び第2の電極層4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、本実施形態においても、上記各膜の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)であればよく、第2の電極層4の成膜法は、ゾル・ゲル法等であってもよい。
【0131】
上記第1の電極層2は、上記実施形態1と同様に、コバルトとイリジウムとの合金からなっていて、電極としての役割に加えて、配向制御層11延いては圧電体層3の結晶配向を制御する役割をも果たす電極兼結晶配向制御層を構成している。但し、本実施形態では、コバルトの含有量は1モル%であり、厚みは0.22μmである。尚、本実施形態においても、第1の電極層2は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなっていればよく、その貴金属は、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種であればよい。さらに、第1の電極層2が、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金以外に、その組成中に極くわずかの酸素を含む合金であってもよい。そして、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量は、結晶配向を良好に制御できる点で、0を越え26モル%以下とする。さらに、第1の電極層2の膜厚は、0.05〜2μmの範囲であればよい。
【0132】
上記配向制御層11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からなっている。この実施形態では、チタン酸ランタン鉛(組成比Pb:La:Ti=1.12:0.08:1.00)からなり、膜厚は0.02μmである。この配向制御層11は、上記第1の電極層2により結晶配向が制御されており、これにより、圧電体層3の結晶配向を制御するものである。尚、配向制御層11を構成する材料は、チタン酸ランタン鉛に限らず、このチタン酸ランタン鉛に、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であってもよく、チタン酸ランタン鉛と同様にPZT等に比べて低温形成が可能な、ストロンチウムを含むペロブスカイト型酸化物で構成してもよい。この場合、とりわけ、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)が含有されていることが好ましく、このチタン酸ストロンチウムのみが含有されていてもよく、チタン酸ストロンチウムの他にチタン酸鉛やチタン酸ランタン鉛、チタン酸バリウム等が含有されていてもよい。また、配向制御層11の膜厚は0.01〜0.2μmの範囲であればよい。
【0133】
上記圧電体層3は、上記実施形態1と同様に、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っていて、厚さ2.50μmのPZT薄膜(Zr/Ti=53/47)で構成されている。尚、本実施形態においても、Zr/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であればよい。また、圧電体層3の構成材料は、PZTにSr、Nb、Al、Mg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、その他、Laを含むPZT(すなわち、PLZT)であってもよい。さらに、圧電体層3の厚みは、0.5〜5.0μmの範囲であればよい。
【0134】
上記第2の電極層4は、上記実施形態1と同様に、厚さ0.25μmの白金薄膜からなっているが、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。
【0135】
そして、上記実施形態1と同様に、第1及び第2の電極層2,4にそれぞれ接続したリード線7,8を介して該第1及び第2の電極層2,4間に電圧を印加して、印加電圧と圧電素子20の先端の変位幅との関係を測定することにより、圧電素子20の変位特性を評価することができる。
【0136】
次に、上記圧電素子20の製造方法について、図6の工程図を参照しながら説明する。
【0137】
まず、上記実施形態1と同様に、(001)面が研磨された20mm角のシリコン基板1の上に、幅5.0mmで長さ18.0mmの長方形の開口部をもつステンレス製マスクを用いて、RFスパッタ法(詳細条件は、後述の表4における実施例45の欄参照)によって、コバルトを1モル%含むイリジウム膜からなる第1の電極層2を形成する(図6(a)参照)。
【0138】
続いて、幅5.0mmで長さ12.0mmの長方形の開口部をもつステンレス製マスクを用いて、上記第1の電極層2の表面上に正確に、RFマグネトロンスパッタ法によって、厚み0.02μmのチタン酸ランタン鉛膜からなる配向制御層11を形成し、その後、この配向制御層11の表面上に正確に、RFマグネトロンスパッタ法によって、厚み2.50μmのPZT膜からなる圧電体層3を形成する。これら配向制御層11及び圧電体層3の形成方法については、後で詳細に説明する。
【0139】
次いで、上記実施形態1と同様に、上記圧電体層3の表面上にRFスパッタ法によって第2の電極層4を形成して、シリコン基板1上に積層体10が設けられた構造体21を得る(図6(b)参照)。
【0140】
次に、上記実施形態1と同様の形状になるように、上記構造体21をダイシングソーで切断して、圧電素子構造体部品22を得る(図6(c)参照)。
【0141】
続いて、上記実施形態1と同様に、上記圧電素子構造体部品22におけるシリコン基板1の一端部を、エポキシ系接着剤6を用いて、ステンレス支持基板5に接合し(図6(d)参照)、次いで、上記圧電素子構造体部品22において露出している第1の電極層2にリード線7を接続するとともに、第2の電極層4にリード線8を接続することで、圧電素子20が完成する(図6(e)参照)。
【0142】
ここで、上記配向制御層11及び圧電体層3の形成方法について詳細に説明する。すなわち、2つの同じ構造の成膜室を有しかつ薄膜形成すべき基板を真空を破らずに一方の成膜室から他方の成膜室へ移動可能なRFマグネトロンスパッタ装置を用い、一方の成膜室には化学量論比のチタン酸ランタン鉛(モル比でPb:La:Ti=0.92:0.08:1.00)にPbOを約20モル%過剰に加えて調合した焼結体ターゲット(組成モル比Pb:La:Ti=1.12:0.08:1.00)を取り付け、他方の成膜室にはチタン酸ジルコン酸鉛(PbZr0.53Ti0.47)に酸化鉛(PbO)をモル比で5モル%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを取り付けておき、この装置によって、上記第1の電極層2を形成したシリコン基板1に対してスパッタリングすることによって配向制御層11及び圧電体層3の各膜を形成する。
【0143】
具体的には、最初に、チタン酸ランタン鉛のターゲットを取り付けた成膜室の中で、第1の電極層2を形成したシリコン基板1を予め550℃の温度に加熱保持し、その表面に、<001>軸が表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型結晶構造で過剰の鉛を含有するチタン酸ランタン鉛からなる膜厚0.02μmの薄膜を形成する。このとき、アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O=19:1)をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を0.3Paに保持し、300Wの高周波電力を印加して10分間スパッタリングを行う。
【0144】
次いで、上記配向制御層11を形成したシリコン基板1を、真空を破らずに、チタン酸ジルコン酸鉛のターゲットを取り付けた成膜室に搬送し、その中で基板1の温度500℃に加熱して、配向制御層11上に膜厚2.50μmのPb1.00(Zr0.53Ti0.47)Oで表記できる圧電体層3を形成する。このとき、アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O=19:1)をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を0.3Paに保持し、700Wの高周波電力を印加して50分間スパッタリングを行う。
【0145】
上記配向制御層11は、上記実施形態1における圧電体層3と同様に、第1の電極層2における配向制御層11側の表面部に点在するコバルトを核にして結晶成長し、これにより、コバルト上において(100)面又は(001)面に配向し易くなる。しかも、配向制御層11をチタン酸ランタン鉛で構成することで、比較的低温で、(100)面又は(001)面配向膜を容易にかつ安定的に形成することができる。そして、こうして形成した配向制御層11上にPZTからなる圧電体層3を形成すれば、チタン酸ランタン鉛とPZTとは結晶構造が全く同じであるために、チタン酸ランタン鉛の表面に、イオンの並び方が類似のPZTがそのまま膜成長し、配向制御層11により圧電体層3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)となり、圧電体層3の(001)面配向度(菱面体晶系の(100)面配向度)が90%以上となる。
【0146】
尚、配向制御層11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2の表面近傍部だけでなく、圧電体層3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11の層厚が0.01μm以上であれば、圧電体層3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3の(001)面配向度を90%以上にすることができる。
【0147】
図7は、上記実施形態2の圧電素子20の変形例を示し(尚、図5と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する)、シリコン基板1と第1の電極層2との間に密着層14を配設したものである。
【0148】
すなわち、この変形例の圧電素子20は、上記実施形態2のものと、密着層14を除いて同様の構成である。但し、第1の電極層2の構成材料及び厚みが異なり、第1の電極層2は、コバルトを14モル%含む厚さ0.15μmの白金膜からなっている。
【0149】
上記密着層14は、シリコン基板1と第1の電極層2との密着性を高めるものであって、チタンからなり、その膜厚は0.006μmである。尚、密着層14は、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種からなっていればよく、膜厚は0.005〜1μmの範囲であればよい。
【0150】
この圧電素子の製造方法について、図8を参照しながら説明する。
【0151】
すなわち、(001)面が研磨された20mm角のシリコン基板1の上に、幅5.0mmで長さ18.0mmの長方形の開口部をもつステンレス製マスクを用いて、RFスパッタ法によって、厚さ0.006μmのチタン膜からなる密着層14を形成する。このチタン膜は、基板1の温度を400℃に保持し、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用い、ガス圧力を1Paに保持して、スパッタ電力100Wで2分間スパッタすることで形成する。そして、この密着層14上に、上記と同じステンレス製のマスクを用いて、上記実施形態2と同様にして、コバルトを14モル%含む白金膜からなる第1の電極層2を、厚さが0.15μmになるように形成する(図8(a)参照)。
【0152】
続いて、上記実施形態2と同様にして、上記第1の電極層2上に配向制御層11を形成し、この配向制御層11上に圧電体層3を形成し、この圧電体層3上に第2の電極層4を形成することで、シリコン基板1上に積層体10が設けられた構造体21が得られる(図8(b)参照)。
【0153】
次いで、上記実施形態2と同様にして、上記構造体21をダイシングソーで正確に切断して圧電素子構造体部品22を作製し(図8(c)参照)、その後、シリコン基板1の一端部をステンレス支持基板5に接合する(図8(d)参照)。そして、第1及び第2の電極層2,4にリード線7,8をそれぞれ接続することで、圧電素子20が完成する(図8(e)参照)。
【0154】
このように、シリコン基板1と第1の電極層2との間に密着層14を配設することにより、シリコン基板1と第1の電極層2との密着性を向上させることができて、圧電素子20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、第1及び第2の電極層2,4間への電圧印加による作動時においても膜剥離が生じ難くなる。
【0155】
ここで、具体的に実施した実施例について説明する。
【0156】
先ず、実施例45の圧電素子として、上記図5の圧電素子と同じものを上記と同じ製造方法で作製した。尚、その作製途中で、第1の電極層、配向制御層及び圧電体層の各膜について組成分析を行うとともに、X線回折法による解析によって圧電体層の結晶配向率を調べた。
【0157】
上記第1の電極層(イリジウム膜)をX線マイクロアナライザーで組成分析を行った結果、この膜の組成は、1モル%のコバルトを含むイリジウムであることが判った。また、配向制御層(チタン酸ランタン鉛膜)をターゲットと比較しながら、X線光電子分光(XPS)装置で組成分析した結果、この薄膜の組成は、ターゲット組成と同組成のモル比Pb:La:Ti=1.12:0.08:1.00であった。さらに、圧電体層(PZT膜)をX線マイクロアナライザーで組成分析を行った結果、PZT膜の陽イオンの組成比はPb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47であり、Pb(Zr0.53Ti0.47)Oで表記できる化学組成になっていることが判った。
【0158】
また、上記圧電体層についてX線回折法によって解析した結果、ペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、(001)面結晶配向率が99.5%に優先配向した薄膜(<001>軸が表面に垂直な方向を向いた構造の薄膜)であることが判った。
【0159】
次に、上記作製した実施例45の圧電素子における第1の電極層と第2の電極層との間にリード線を介して0V〜−25Vの三角波電圧を印加し、図5に示す座標軸のZ軸方向に上下運動する圧電素子の先端の変位量を測定した。
【0160】
図9に、周波数50Hzの電圧を印加した場合における圧電素子の先端の変位量を示す。図9に示すように、0V〜−25Vの電圧を印加した場合、この圧電素子の先端の最大変位量は10.8μmであった。
【0161】
また、この圧電素子における第1の電極層と第2の電極層との間に、0V〜−30Vの三角波電圧を印加した場合、0V〜−40Vの三角波電圧を印加した場合、及び、0V〜−50Vの三角波電圧を印加した場合(いずれの場合も電圧周波数は50Hzで2時間駆動)のそれぞれについて、圧電体層のクラック発生の有無を調べたところ、クラックの発生は全く見られなかった。
【0162】
ここで、上記実施例45の圧電素子と同じ条件で、シリコン基板上に第1の電極層及び配向制御層を形成したものを3個準備し、これらを用いて、上記実施例45の圧電素子と同じPZT膜を形成した。但し、この際に、3つの基板のスパッタ時間をそれぞれ2分間、5分間、及び20分間に選んで成膜した。このようにして形成したPZT膜の膜厚はそれぞれ0.02μm、0.09μm、及び0.40μmであった。これらのPZT膜の(001)面結晶配向率をX線回折法で調べた。
【0163】
この結果、PZT膜の(001)面結晶配向率は、PZT膜厚が0.02μmの場合には93%であり、0.09μmの場合には98%であり、0.40μmの場合には99%であった。このことから、PZT膜の結晶配向性は、配向制御層側表面から膜成長に伴って、しだいに(001)面配向が優性になることが判った。
【0164】
次に、3元RFマグネトロンスパッタ装置の各ターゲットを異なる材料に交換し、スパッタ電力及びスパッタ時間を制御するとともに、配向制御層の成膜に用いるスパッタ装置のターゲットの組成及びスパッタ時間を制御することで、組成及び膜厚がそれぞれ異なる第1の電極層及び配向制御層を有する圧電素子(実施例46〜実施例56)を作製した。この第1の電極層を形成するときの各ターゲットの組成、スパッタ電力及びスパッタ時間、並びに配向制御層を形成するときのターゲットの組成及びスパッタ時間を表4に示す。
【0165】
【表4】
Figure 0004451610
【0166】
そして、上記実施例45と同様に、上記実施例46〜実施例56の各圧電素子における第1の電極層及び配向制御層の膜厚測定及び組成分析を行うとともに、圧電体層の(001)面結晶配向率を調べ、さらに、0V〜−25Vの三角波電圧を印加したときの圧電素子の先端の変位量(最大変位量)を測定した。また、0V〜−30Vの三角波電圧を印加した場合、0V〜−40Vの三角波電圧を印加した場合、及び、0V〜−50Vの三角波電圧を印加した場合(いずれの場合も電圧周波数は50Hzで2時間駆動)のそれぞれについて、圧電体層のクラック発生の有無を調べた。この結果を表5にまとめて示す。尚、実施例49及び52は、便宜的に「実施例」としているが、第1の電極層の組成分析の結果から本願発明の対象とはならなくなる。
【0167】
【表5】
Figure 0004451610
【0168】
このことより、各実施例における圧電体層の(001)面結晶配向率は、後述の比較例4のものに比べて高く、特に、第1の電極層においてコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量を26モル%以下にすれば、確実に90%以上になるとともに、圧電素子の先端の最大変位量も高レベルになることが判る。
【0169】
また、配向制御層として、Mn添加のチタン酸ランタン鉛膜やMg添加のチタン酸ランタン鉛膜を用いた場合でも、チタン酸ランタン鉛膜を用いた実施例45と同様の圧電素子が得られることが判る。
【0170】
尚、上記実施例45〜実施例56の各圧電素子の圧電体層は、一定組成のPZT膜としたが、Ti/Zrモル比が異なる組成のPZT膜でも同様の結果が得られた。また、圧電体層としては、Laを含むPZT膜(PLZT膜)でも、NbやMg等のイオンを含むPZT膜でもよくてペロブスカイト型結晶構造の酸化物膜であれば、全て、上記実施例45〜実施例56の各圧電素子と同じように(001)面配向膜が得られた。さらに、配向制御層としてチタン酸ストロンチウム膜を用いた場合でも、(001)面配向膜が得られた。
【0171】
次に、比較例として、以下に示す圧電素子を作製した(比較例4及び比較例5)。
【0172】
すなわち、比較例4の圧電素子は、第1の電極層のイリジウム膜にコバルト等の金属を含有させない点が上記実施例のものとは異なる。具体的には、第1の電極層を形成する際、第1ターゲットのコバルトターゲットへのスパッタ電力を0Wにし、第2ターゲットのイリジウムターゲットへのスパッタ電力を200Wにして16分間スパッタリングする。このことで、結晶配向制御層として機能しないと考えられる厚み0.10μmの第1の電極層(イリジウム膜)を形成し、その他は実施例45と全く同じようにして圧電素子を作製した。
【0173】
上記比較例4の圧電素子における配向制御層についてX線回折法によって解析すると、(100)面や(001)面配向の薄膜にならず、(100)面及び(001)面以外に(111)面や(110)面の強度の高い回折ピークを含むX線回折パターンを示した。そして、比較例4の圧電素子における圧電体層の(001)面結晶配向率をX線回折法によって調べたところ、65%であった。これは、配向制御層の結晶配向性が悪かったために、その影響でその上のPZT膜も配向率が低下したと考えられる。
【0174】
また、三角波電圧を印加したときの比較例1の圧電素子の先端の変位量を測定したところ、最大変位量は7.7μmであった。
【0175】
次いで、上記実施例45のものに対して配向制御層が無い構成の圧電素子を作製した。この圧電素子は、配向制御層が無いことのみが実施例45と異なるだけであり、その他は実施例45と全く同じようにした。つまり、圧電体層の膜形成は基板温度を500℃に加熱し、アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O=19:1)をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を0.3Paに保持し、700Wの高周波電力を印加して50分間スパッタリングを行って、厚み2.50μmのPZT膜を形成した。
【0176】
しかしながら、圧電体層はX線回折の分析から目的の圧電特性を示すペロブスカイト型結晶構造のPZT膜でなく、それよりも一般に低温でできる圧電特性を示さないパイロクロア型結晶相の鉛、チタン及びジルコンを組成にする酸化物膜(膜厚3.5μm)であった。したがって、配向制御層が無いと、500℃の温度では、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜からなる圧電体層は形成できないことが判った。
【0177】
そこで、圧電体層の形成温度を600℃にして、配向制御層が無い構成の圧電素子を作製し、この圧電素子を比較例5とした。
【0178】
この比較例5の(001)面結晶配向率は100%と極めて良好であり、0〜−25Vの三角波電圧を印加したときの圧電素子の先端の変位量(最大変位量)は12.5μmであった。しかしながら、0〜−40Vの三角波電圧を印加して駆動したときに膜面に微少クラックが入り、駆動開始から40分後には、圧電素子の膜剥がれから破壊が起こった。これは、圧電体層の形成温度が、配向制御層がある場合に比べて100℃高温の600℃であるため、PZT成膜後の室温までの冷却課程で、シリコン基板とPZT膜との熱膨張率の違いからPZT膜に、より大きな引っ張り応力が作用し、さらに駆動によりPZT膜が縮むように作動するために、膜破壊が起こったものと考えられる。
【0179】
次に、上記図7と同じ圧電素子を上記と同じ製造方法で作製した(これを実施例57とする)。また、3元RFマグネトロンスパッタ装置の各ターゲットを異なる材料に交換し、スパッタ電力及びスパッタ時間を制御するとともに、配向制御層の成膜に用いるスパッタ装置のターゲットの組成及びスパッタ時間を制御し、さらに密着層の成膜に用いるスパッタ装置のターゲットの組成及びスパッタ時間を制御することで、組成及び膜厚がそれぞれ異なる第1の電極層、配向制御層及び密着層を有する圧電素子(実施例58〜実施例64)を作製した。この第1の電極層を形成するときの各ターゲットの組成、スパッタ電力及びスパッタ時間、並びに配向制御層及び密着層の各層を形成するときのターゲットの組成及びスパッタ時間を、上記実施例57のものと併せて表6に示す。
【0180】
【表6】
Figure 0004451610
【0181】
上記実施例57〜実施例64の各圧電素子に対して、上記実施例45〜実施例56と同様の評価を行った。この結果を表7に示す。
【0182】
【表7】
Figure 0004451610
【0183】
このことより、基板と第1の電極層との間に密着層を設けた場合も、第1の電極層においてコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量を26モル%以下とすることで、(001)面結晶配向率を90%以上にすることができるとともに、圧電素子の先端の最大変位量を高レベルに維持できることが判る。
【0184】
また、配向制御層として、Mn添加のチタン酸ランタン鉛膜やMg添加のチタン酸ランタン鉛膜を用いた場合でも、チタン酸ランタン鉛膜を用いた実施例57と同様の特性良好な圧電素子が得られることが判る。
【0185】
さらに、密着層の材料として、チタンの代わりに、タンタル又はモリブデンを用いた場合でも、実施例57と同様の圧電素子が得られることが判る。
【0186】
尚、上記実施例57〜実施例64の各圧電素子の圧電体層は、一定組成のPZT膜としたが、Ti/Zrモル比が異なる組成のPZT膜でも同様の結果が得られた。また、圧電体層としては、Laを含むPZT膜(PLZT膜)でも、NbやMg等のイオンを含むPZT膜でもよくてペロブスカイト型結晶構造の酸化物膜であれば、全て、上記実施例57〜実施例64の各圧電素子と同じように(001)面配向膜が得られた。さらに、配向制御層としてチタン酸ストロンチウム膜を用いた場合でも、(001)面配向膜が得られた。
【0187】
次に、基板として、シリコン基板(長さ15.0mm、厚さ0.30mm、幅3.0mmの短冊平板形状)の代わりに、厚み0.30mmの硼珪酸ガラス(#7089、熱膨張係数45×10―7/℃)からなる長さが15.0mm、幅が3.0mmの短冊平板形状の基板を用いて、上記実施例45と同形状の圧電素子を実施例45と同じ方法で作製した(この圧電素子を実施例65とする)。
【0188】
また、上記実施例65と同じ基板を用いて、上記実施例46と同様にして作製した圧電素子(実施例66)と、実施例47と同様にして作製した圧電素子(実施例67)と、実施例48と同様にして作製した圧電素子(実施例68)と、実施例50と同様にして作製した圧電素子(実施例69)と、実施例51と同様にして作製した圧電素子(実施例70)と、実施例53と同様にして作製した圧電素子(実施例71)と、実施例54と同様にして作製した圧電素子(実施例72)と、実施例55と同様にして作製した圧電素子(実施例73)と、上記比較例4と同様にして作製した、第1の電極層がイリジウムのみからなる圧電素子(比較例6)とを得た。
【0189】
上記のように硼珪酸ガラス基板を用いて作製した実施例65〜実施例73及び比較例6の各圧電素子に対して、上記実施例45〜実施例56と同様の評価を行った。この結果を表8に示す。
【0190】
【表8】
Figure 0004451610
【0191】
このことより、基板をシリコンと異なるガラスにした場合であっても、本実施例の構成の圧電素子は、高い配向率で(001)面に結晶配向した圧電体層を備えていて、大きい圧電変位を得ることが可能になることが判る。また、基板材料の硬さの違いによって電圧印加の際の変位量は異なるが、安定した変位特性を示すことが判った。
【0192】
尚、上記実施例65のものに対して配向制御層が無い構成の圧電素子を作製したが、その圧電体層はX線回折の分析から目的の圧電特性を示すペロブスカイト型結晶構造のPZT膜でなく、それよりも一般に低温でできる圧電特性を示さないパイロクロア型結晶構造の鉛、チタン及びジルコンを組成にする酸化物膜(膜厚3.5μm)であった。したがって、基板をガラスにした場合でも、配向制御層が無いと、500℃の温度では、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜からなる圧電体層は形成できないことが判った。
【0193】
(実施形態3)
次に、本発明の圧電素子の積層膜構成を用いたインクジェットヘッドについて説明する。
【0194】
図10は、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッドを示す概略構成図である。図10に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド201は、複数個(図10では、10個)が列状に並んで配置された同形状のインク吐出素子202と、それらのインク吐出素子202を駆動するICチップ等の駆動電源素子203とで構成されている。
【0195】
図11は、上記各インク吐出素子202の構成を示す一部破断した分解斜視図である。この図11において、Aはガラス製の圧力室部材であって、この圧力室部材Aには圧力室用開口部31が形成されている。Bは圧力室用開口部31の上端開口面(大きさ:短軸が200μm、長軸が400μmの楕円形状)を覆うように配置されたアクチュエータ部であり、Cは圧力室用開口部31の下端開口面を覆うように配置されたインク流路部材である。すなわち、圧力室部材Aの圧力室用開口部31は、その上下に位置するアクチュエータ部Bとインク流路部材Cとにより区画され、これにより圧力室32(深さ0.2mm)が形成されている。
【0196】
上記アクチュエータ部Bは、上記圧力室32の略真上に位置する第1の電極層33(個別電極)を有している。また、インク流路部材Cには、インク供給方向に並ぶ複数個のインク吐出素子202の各圧力室32間で共用される共通液室35と、この共通液室35を圧力室32に連通させて、共通液室35のインクを圧力室32に供給するための供給口36と、圧力室32内のインクを吐出させるためのインク流路37とが形成されている。さらに、Dはノズル板であって、このノズル板Dには、インク流路37に連通するノズル孔38(直径30μm)が穿設されている。そして、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が接着剤によって接着されて、インク吐出素子202が構成されている。
【0197】
本実施形態では、上記圧力室部材A、アクチュエータ部B(第1の電極層33及び圧電体層41(図12参照)を除く)、インク流路部材C及びノズル板Dは、全てのインク吐出素子202に亘って一体形成されたものであり、1つの圧力室32と、この圧力室32に対応して設けられたノズル孔38、第1の電極層33及び圧電体層41とを含む部分をインク吐出素子202としている。尚、各インク吐出素子202を別個に形成してそれらを並べて結合したものであってもよい。また、インクジェットヘッド201は、複数個のインク吐出素子202で構成する必要はなく、1個のインク吐出素子202で構成したものであってもよい。
【0198】
上記駆動電源素子203は、ボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子202のアクチュエータ部Bの各第1の電極層33にそれぞれ接続されており、この駆動電源素子203から各第1の電極層33に電圧を供給するようになっている。
【0199】
次に、上記アクチュエータ部Bの構成について、図12を参照しながら説明する。図12は、図11で示すインク吐出素子202のアクチュエータ部BのXII−XII線断面図である。図12に示すように、このアクチュエータ部Bは、上記の如く各圧力室32の略真上にそれぞれ位置する第1の電極層33と、この各第1の電極層33上(同図では下側)に設けられた圧電体層41と、この圧電体層41上(同下側)に設けられ、全圧電体層41(全インク吐出素子202)に共通となる第2の電極層42(共通電極)と、この第2の電極層42上(同下側)全体に設けられ、上記圧電体層41の圧電効果により層厚方向に変位し振動する振動層43とを有している。この振動体層43も、第2の電極層42と同様に、各インク吐出素子202のそれぞれの圧力室32間で共用される(全てのインク吐出素子202に亘って一体形成されている)。
【0200】
上記第1の電極層33、圧電体層41及び第2の電極層42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43は、この圧電素子の第2の電極層42側の面に設けられていることになる。
【0201】
上記第1の電極層33は、上記実施形態1と同様に、厚さが0.10μmであって6モル%のコバルト(Co)を含むイリジウム(Ir)膜からなり、電極としての役割に加えて、上記圧電体層41の結晶配向を制御する役割をも果たす電極兼結晶配向制御層を構成している。
【0202】
上記圧電体層41は、上記実施形態1と同様に、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、本実施形態においても、厚さ2.50μmのPb(Zr0.53Ti0.47)Oで表記されるPZT膜からなる。
【0203】
上記第2の電極層42は、上記実施形態1と同様に、白金薄膜(但し、膜厚は0.10μm)からなっている。
【0204】
上記振動層43は、厚さ3.5μmのクロム(Cr)膜からなっている。尚、この振動層43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43の膜厚は2〜5μmであればよい。
【0205】
上記第2の電極層42上における上記第1の電極層33及び圧電体層41の積層膜の周囲には、上面が第1の電極層33の高さと同じになるようにポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜44が設けられており、この電気絶縁有機膜44の上面には、第1の電極層33から延びるリード線形状の金薄膜(膜厚0.10μm)の引き出し電極膜45が形成されている。
【0206】
次に、上記インクジェットヘッド201の製造方法を図13により説明する。
【0207】
すなわち、まず、図13(a)に示すように、縦20mm、横20mm、厚み0.3mmのシリコン基板51を用いて、上記実施形態1と同様にして、シリコン基板51上に第1の電極層33と圧電体層41と第2の電極層42とを順次積層して、構造体54を得る。尚、シリコン基板51と第1の電極層33との間に、上記実施形態1と同様に、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種からなる密着層を形成してもよい。
【0208】
続いて、図13(b)に示すように、上記構造体54の第2の電極層42上に、RFスパッタ法で室温でクロム(Cr)膜(厚さ3.5μm)からなる振動層43を形成する。
【0209】
次いで、図13(c)に示すように、上記振動層43を形成した構造体54を、接着剤(アクリル樹脂)55を用いて圧力室部材Aに接合する。このとき、上記振動層43の第2の電極層42とは反対側の面に、予め圧力室用開口部31を形成した圧力室部材Aを接合する。
【0210】
その後、図13(d)に示すように、プラズマ反応エッチング装置を用いて、上記シリコン基板51をSFガスを用いたドライエッチングにより除去する。尚、シリコン基板51と第1の電極層33との間に密着層を形成した場合には、その密着層も除去する。
【0211】
次に、図13(e)に示すように、第1の電極層33及び圧電体層41の積層膜を楕円形状パターン(大きさ:短軸が180μm、長軸が380μmの楕円形状)にパターンニングするために、第1の電極層33上の非エッチング部分に、フォトレジスト樹脂膜57を塗布する。
【0212】
そして、図13(f)に示すように、弱フッ酸を用いて、エッチング処理を行うことで、第1の電極層33と圧電体層41とをパターン化して個別化し、その後、図13(g)に示すように、レジスト剥離液で処理して、フォトレジスト樹脂膜57を除去する。
【0213】
続いて、図13(h)に示すように、上記のパターン化により露出した第2の電極層42上に、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜44を印刷法によって形成し、さらに、図13(i)に示すように、この電気絶縁有機膜44の上面に、DCスパッタ法で金薄膜からなるリード線形状の引き出し電極膜45を形成し、これにより、アクチュエータ部Bが完成する。
【0214】
一方、図示は省略するが、予め共通液室35、供給口36及びインク流路37を形成したインク流路部材Cと、予めノズル孔38を形成したノズル板Dとを接着剤を用いて接着しておく。そして、上記完成したアクチュエータ部Bと接合された圧力室部材Aと、ノズル板Dを接着したインク流路部材Cとのアライメント調整を行って、この両者を接着剤により接着する。こうしてインクジェットヘッド201が完成する。
【0215】
尚、上記第1の電極層33、圧電体層41及び第2の電極層42は、上記実施形態1で述べた材料であれば、どれを用いても、高特性のアクチュエータ部Bを作製することができる。また、これら各層の厚みも、上記実施形態1で述べた範囲であればよい。
【0216】
上記のように構成されたインクジェットヘッド201においては、駆動電源素子203からボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子202の各第1の電極層33に電圧が供給され、圧電体層41の圧電効果によって共通電極である第2の電極層42と接合された振動層43が変位し振動することにより、共通液室35内のインクが供給口36、圧力室32及びインク流路37を経由してノズル孔38から吐出される。この場合、インクジェットヘッド201において、インク吐出素子202のアクチュエータ部Bを構成する圧電体層41は、その結晶配向性が(001)面に揃ったものであり、圧電変位特性も大きな値でかつ揃っていることから、大きな圧電変位(変位量)を得ることが可能で、しかも、複数個のインク吐出素子202間において圧電変位特性のばらつきが小さくなる。そして、圧電変位が大きいことから、インクの吐出能力が高く、また、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができ、複数個のインク吐出素子202の個々のインクの吐出ばらつきが小さくなるように、容易にコントロールすることができる。
【0217】
ここで、上記の製造方法によって、250個の同形状のインク吐出素子202を有するインクジェットヘッド201を実際に作製し、圧電体層41を挟む2つの電極層33,42に、0V〜−10Vのサイン波形電圧(200Hz)を印加して、振動層43の層厚方向の振動振幅のばらつきを測定したところ、そのばらつきσは1.5%と極めて少ないことが判明した。
【0218】
(実施形態4)
図14は、本発明の実施形態に係る他のインクジェットヘッド201におけるインク吐出素子202のアクチュエータ部Bを示し(尚、図12と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する)、図12で示したもの(実施形態3)に対し、上記実施形態2のように、第1の電極層33と圧電体層41との間に配向制御層46を配設したものであり、他の構成は図12で示したものと同様である。
【0219】
すなわち、この実施形態では、アクチュエータ部Bは、各圧力室32の略真上にそれぞれ位置する第1の電極層33と、この各第1の電極層33上(図14では下側)に設けられた配向制御層46と、この配向制御層46上(同下側)に設けられた圧電体層41と、この圧電体層41上(同下側)に設けられた第2の電極層42と、この第2の電極層42上(同下側)全体に設けられ、上記圧電体層41の圧電効果により層厚方向に変位し振動する振動層43とを有している。
【0220】
上記第1の電極層33、配向制御層46、圧電体層41及び第2の電極層42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43は、この圧電素子の第2の電極層42側の面に設けられていることになる。
【0221】
上記第1の電極層33は、上記実施形態2と同様に、厚さ0.22μmであって1モル%のコバルト(Co)を含むイリジウム(Ir)膜からなり、電極としての役割に加えて、上記圧電体層41の結晶配向を制御する役割をも果たす電極兼結晶配向制御層を構成している。
【0222】
上記配向制御層46は、上記実施形態2と同様に、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からなり、本実施形態においても、厚さ0.02μmのチタン酸ランタン鉛膜(組成比Pb:La:Ti=1.12:0.08:1.00)からなる。
【0223】
上記圧電体層41は、上記実施形態2と同様に、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、本実施形態においても、厚さ2.50μmのPb(Zr0.53Ti0.47)Oで表記されるPZT膜からなる。
【0224】
上記第2の電極層42は、上記実施形態2と同様に、白金薄膜(但し膜厚は、0.10μm)からなっている。。
【0225】
上記振動層43は、上記実施形態3と同様に、厚さ3.5μmのクロム膜からなっている。
【0226】
上記第2の電極層42上における上記第1の電極層33及び圧電体層41の積層膜の周囲には、上面が第1の電極層33の高さと同じになるようにポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜44が設けられており、この電気絶縁有機膜44の上面には、第1の電極層33から延びるリード線形状の金薄膜(膜厚0.10μm)の引き出し電極膜45が形成されている。
【0227】
次に、上記インクジェットヘッド201の製造方法を図15により説明する。
【0228】
すなわち、まず、縦20mm、横20mm、厚み0.3mmのシリコン基板51を用いて、上記実施形態2(又は3)と同様に、シリコン基板51上に第1の電極層33と配向制御層46と圧電体層41と第2の電極層42とを順次積層して、構造体54を得る(図15(a)参照)。尚、シリコン基板51と第1の電極層33との間に、上記実施形態3で説明したように、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種からなる密着層を形成してもよい。
【0229】
続いて、上記実施形態3と同様に、上記構造体54の第2の電極層42上に、RFスパッタ法で室温でクロム膜(厚さ3.5μm)からなる振動層43を形成し(図15(b)参照)、続いて、この振動層43を形成した構造体54を、接着剤55を用いて圧力室部材Aに接合する(図15(c)参照)。
【0230】
その後、上記実施形態3と同様に、上記シリコン基板51をドライエッチングにより除去する(図15(d)参照)。尚、シリコン基板51と第1の電極層33との間に密着層を形成した場合には、その密着層も除去する。
【0231】
次に、上記実施形態3と同様に、第1の電極層33、配向制御層46及び圧電体層41の積層膜をパターンニングするために、第1の電極層33上の非エッチング部分に、フォトレジスト樹脂膜57を塗布し(図15(e)参照)、続いて、エッチング処理を行うことで、第1の電極層33、配向制御層46及び圧電体層41をパターン化して個別化し(図15(f)参照)、その後、レジスト剥離液で処理して、フォトレジスト樹脂膜57を除去する(図15(g)参照)。
【0232】
続いて、上記実施形態3と同様に、上記のパターン化により露出した第2の電極層42上に、電気絶縁有機膜44を形成し(図15(h)参照)、さらに、この電気絶縁有機膜44の上面に、引き出し電極膜45を形成し(図15(i)参照)、これにより、アクチュエータ部Bが完成する。
【0233】
一方、上記実施形態3と同様に、予め共通液室35、供給口36及びインク流路37を形成したインク流路部材Cと、予めノズル孔38を形成したノズル板Dとを接着剤を用いて接着しておき、上記完成したアクチュエータ部Bと接合された圧力室部材Aと、ノズル板Dを接着したインク流路部材Cとのアライメント調整を行って、この両者を接着剤により接着する。こうしてインクジェットヘッド201が完成する。
【0234】
尚、上記第1の電極層33、配向制御層46、圧電体層41及び第2の電極層42は、上記実施形態2で述べた材料であれば、どれを用いてもよく、振動層43は、上記実施形態3で述べた材料であれば、どれを用いてもよい。また、これら各層の厚みも、上記実施形態2及び3で述べた範囲であればよい。
【0235】
上記のように構成されたインクジェットヘッド201においても、上記実施形態3と同様に、アクチュエータ部Bを構成する圧電体層41は、その結晶配向性が(001)面に揃ったものであり、圧電変位特性も大きな値でかつ揃っていることから、大きな圧電変位(変位量)を得ることが可能で、しかも、複数個のインク吐出素子202間において圧電変位特性のばらつきが小さくなる。そして、圧電変位が大きいことから、インクの吐出能力が高く、また、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができ、複数個のインク吐出素子202の個々のインクの吐出ばらつきが小さくなるように、容易にコントロールすることができる。
【0236】
ここで、上記の製造方法によって、250個の同形状のインク吐出素子202を有するインクジェットヘッド201を実際に作製し、上記実施形態3と同様に、振動層43の層厚方向の振動振幅のばらつきを測定したところ、そのばらつきσは1.2%と極めて少ないことが判明した。
【0237】
(実施形態5)
図16は、本発明の実施形態に係るさらに別のインクジェットヘッド201におけるインク吐出素子202のアクチュエータ部Bを示す。この実施形態では、積層膜を形成するために用いた基板(この実施形態では、圧力室基板70という(次の実施形態6においても同じ))をエッチングして圧力室用開口部71を形成することで上記実施形態3及び4と同様の圧力室部材とし、これにより、圧力室基板70(圧力室部材)とアクチュエータ部Bとを一体化する点が上記実施形態3及び4とは異なる。
【0238】
上記圧力室基板70とアクチュエータ部Bとを一体化したものに、上記実施形態3及び4と同様のインク流路部材とノズル板とを接着することで、図11と類似の形状のインク吐出素子202が得られることになる。
【0239】
すなわち、この実施形態では、圧力室用開口部71が形成された圧力室基板70の上に、非晶質の酸化アルミニウムからなる膜厚2.50μmの振動層65が設けられ、この振動層65上に、コバルトを含むイリジウム膜(膜厚0.10μm)からなる第1の電極層61(共通電極)が設けられ、この第1の電極層61上に、PZT薄膜(膜厚2.50μm)からなる圧電体層62が設けられ、この圧電体層62上に、白金薄膜(膜厚0.10μm)からなりかつ上記実施形態3及び4における第1の電極層33と同様に楕円形状に個別化された第2の電極層63(個別電極)が設けられている。上記第1の電極層61、圧電体層62及び第2の電極層63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65は、この圧電素子の第1の電極層61側の面に設けられていることになる。尚、上記振動層65と第1の電極層61との間に、該振動層65と第1の電極層61との密着性を高める密着層を設けてもよい。この密着層も、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種で構成すればよい。
【0240】
上記圧電体層62及び第2の電極層63は、圧力室基板70において圧力室用開口部71が形成された部分(シリコンが取り除かれた空間)の上方位置にのみ、振動層65及び第1の電極層61を介して存在するように個別化されており、第1の電極層61上における上記圧電体層62及び第2の電極層63の周囲の部分は、上記実施形態3及び4と同様に、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜64で被覆されている。また、上記個別化された第2の電極層63には、金薄膜(膜厚0.1μm)の引き出し電極膜75が設けられている。
【0241】
次に、上記インクジェットヘッドの製造方法を図17により説明する。
【0242】
すなわち、図17(a)に示すように、厚さ0.3mmのシリコンからなる圧力室基板70の表面上に、振動層65と第1の電極層61と圧電体層62と第2の電極層63とを順次スパッタ法で成膜して積層する。
【0243】
上記振動層65は、RFマグネトロンスパッタ装置を使用して、基板温度400℃で、酸化アルミニウムのターゲットを用いて、スパッタガスをアルゴンと酸素とが14:1の混合ガスを用い、ガス圧0.2Pa、スパッタ電力700Wで3時間スパッタリングすることで得られる。また、上記第1の電極層61、圧電体層62及び第2の電極層63は、上記実施形態1で説明した方法と同様にして得られる。
【0244】
続いて、図17(b)に示すように、上記圧力室基板70において上記各層からなる積層膜の形成面とは反対側の表面に、圧力室開口部71(大きさ:短軸が200μm、長軸が400μmの楕円形状)を形成するためにそれ以外の部分を覆うようにフォトレジスト樹脂膜66をパターン塗布する。
【0245】
そして、図17(c)に示すように、プラズマ反応エッチング装置を使用して、SF6ガスを用いてドライエッチングを行い、圧力室基板70に圧力室開口部71を形成する。
【0246】
次いで、図17(d)に示すように、上記フォトレジスト樹脂膜66を除去し、その後、図17(e)に示すように、上記第2の電極層63上(圧力室開口部71の真上の部分)に、楕円形状パターン(大きさ:短軸180μm、長軸380μmの楕円形状)にフォトレジスト樹脂膜67を形成する。
【0247】
次に、図17(f)に示すように、平行平板型プラズマ反応エッチング装置を使用し、アルゴンガスとCF4ガスとの混合ガスを用いてドライエッチングして、上記フォトレジスト樹脂膜67と同形状の楕円パターンに個別化された、圧電体層62と第2の電極層63との積層膜を得る。このドライエッチングの際に、第1の電極層61は、他の層と異なりエッチング速度が遅いので、エッチングの終点として使用できる。
【0248】
続いて、図17(g)に示すように、上記楕円形状のフォトレジスト樹脂膜67を取り除くとともに、上記個別化された積層膜の周囲に印刷法でポリイミド樹脂の塗膜を形成し、その後にその塗膜を180℃で硬化させて、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜64を形成する。
【0249】
次いで、図17(h)に示すように、上記電気絶縁有機膜64に、上記第2の電極層63の一部と重なるように、スパッタ法で金薄膜(膜厚0.1μm)からなる引き出し電極75を形成し、このことで、圧力室基板70が一体化したアクチュエータ部Bが完成する。
【0250】
そして、上記圧力室基板70(圧力室部材)に、上記実施形態3及び4と同様にして、インク流路部品とノズル板とを接着し、こうしてインクジェットヘッド201が完成する。
【0251】
この実施形態においても、上記実施形態3と同様に、圧電体層62の結晶配向性が(001)面に揃っており、このことで、大きな圧電変位(変位量)を得ることが可能で、しかも、複数個のインク吐出素子202において圧電変位特性のばらつきを小さく抑えることができる。
【0252】
尚、上記第1の電極層61、圧電体層62及び第2の電極層63は、上記実施形態1で述べた材料であれば、どれを用いてもよく、振動層65は、上記実施形態3で述べた材料であれば、どれを用いてもよい。また、これら各層の厚みも、上記実施形態1及び3で述べた範囲であればよい。
【0253】
ここで、上記の製造方法によって、150個の同形状のインク吐出素子202を有するインクジェットヘッド201を実際に作製し、上記実施形態3と同様に、振動層65の層厚方向の振動振幅のばらつきを測定したところ、そのばらつきσは2.0%と極めて少ないことが判明した。
【0254】
(実施形態6)
図18は、本発明の実施形態に係るさらに別のインクジェットヘッド201におけるインク吐出素子202のアクチュエータ部Bを示し(尚、図16と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する)、図16で示したもの(実施形態5)に対し、上記実施形態2及び4のように、第1の電極層61と圧電体層62との間に配向制御層69を配設したものであり、他の構成は図16で示したものと同様である。
【0255】
すなわち、この実施形態では、圧力室用開口部71が形成された圧力室基板70の上に振動層65が設けられ、この振動層65上に第1の電極層61が設けられ、この第1の電極層61上に配向制御層69が設けられ、この配向制御層69上に圧電体層62が設けられ、この圧電体層62上に第2の電極層63が設けられている。上記第1の電極層61、配向制御層69、圧電体層62及び第2の電極層63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65は、この圧電素子の第1の電極層61側の面に設けられていることになる。尚、上記振動層65と第1の電極層61との間に、該振動層65と第1の電極層61との密着性を高める密着層を設けてもよい。この密着層も、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種で構成すればよい。
【0256】
上記配向制御層69も、圧電体層62及び第2の電極層63と同様に、圧力室基板70において圧力室用開口部71が形成された部分の上方位置にのみ存在するように個別化されている。
【0257】
次に、上記インクジェットヘッドの製造方法を図19により説明する。
【0258】
すなわち、実施形態2(又は5)と同様に、厚さ0.3mmのシリコンからなる圧力室基板70の表面上に、振動層65と第1の電極層61と配向制御層69と圧電体層62と第2の電極層63とを順次スパッタ法で成膜して積層する(図19(a)参照)。
【0259】
上記振動層65は、上記実施形態5で説明した方法と同様にして得られる。また、上記第1の電極層61、配向制御層69、圧電体層62及び第2の電極層63は、上記実施形態2で説明した方法と同様にして得られる。
【0260】
続いて、上記実施形態5と同様に、上記圧力室基板70において上記各層からなる積層膜の形成面とは反対側の表面に、圧力室開口部71を形成するためにそれ以外の部分を覆うようにフォトレジスト樹脂膜66をパターン塗布し(図19(b)参照)、その後、ドライエッチングを行って、圧力室基板70に圧力室開口部71を形成する(図19(c)参照)。
【0261】
そして、上記実施形態5と同様に、上記フォトレジスト樹脂膜66を除去し(図19(d)参照)、その後、上記第2の電極層63上(圧力室開口部71の真上の部分)に、楕円形状パターンにフォトレジスト樹脂膜67を形成する(図19(e)参照)。
【0262】
次に、上記実施形態5と同様に、ドライエッチングを行って、上記フォトレジスト樹脂膜67と同形状の楕円パターンに個別化された、配向制御層69と圧電体層62と第2の電極層63との積層膜を得る(図19(f)参照)。
【0263】
続いて、上記実施形態5と同様に、上記楕円形状のフォトレジスト樹脂膜67を取り除くとともに、上記個別化された積層膜の周囲にポリイミド樹脂の塗膜を形成し、その後にその塗膜を180℃で硬化させて、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜64を形成し(図19(g)参照)、次いで、この電気絶縁有機膜64に引き出し電極75を形成し(図19(h)参照)、このことで、圧力室基板70が一体化したアクチュエータ部Bが完成する。
【0264】
そして、上記圧力室基板70(圧力室部材)に、上記実施形態5と同様にして、インク流路部品とノズル板とを接着し、こうしてインクジェットヘッド201が完成する。
【0265】
この実施形態においても、上記実施形態4と同様に、圧電体層62の結晶配向性が(001)面に揃っており、このことで、大きな圧電変位(変位量)を得ることが可能で、しかも、複数個のインク吐出素子202において圧電変位特性のばらつきを小さく抑えることができる。
【0266】
尚、上記第1の電極層61、配向制御層69、圧電体層62及び第2の電極層63は、上記実施形態2で述べた材料であれば、どれを用いてもよく、振動層65は、上記実施形態3で述べた材料であれば、どれを用いてもよい。また、これら各層の厚みも、上記実施形態2及び3で述べた範囲であればよい。
【0267】
ここで、上記の製造方法によって、150個の同形状のインク吐出素子202を有するインクジェットヘッド201を実際に作製し、上記実施形態3と同様に、振動層65の層厚方向の振動振幅のばらつきを測定したところ、そのばらつきσは2.3%と極めて少ないことが判明した。
【0268】
(実施形態7)
図20は、本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置81を示し、このインクジェット式記録装置81は、上記実施形態3〜6のいずれか1つと同様のインクジェットヘッド201を備えている。このインクジェットヘッド201において圧力室(上記実施形態3で説明した圧力室32)に連通するように設けたノズル孔(上記実施形態3で説明したノズル孔38)から該圧力室内のインクを記録媒体82(記録紙等)に吐出させて着弾させることにより、記録を行うように構成されている。
【0269】
上記インクジェットヘッド201は、主走査方向xに延びるキャリッジ軸83に設けられたキャリッジ84に搭載されていて、このキャリッジ84がキャリッジ軸83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83は、インクジェットヘッド201と記録媒体82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。
【0270】
また、このインクジェット式記録装置81は、上記記録媒体82をインクジェットヘッド201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85を備えている。このことで、複数のローラ85は、インクジェットヘッド201と記録媒体82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20中、zは上下方向である。
【0271】
そして、インクジェットヘッド201がキャリッジ84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201のノズル孔からインクを記録媒体82に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ85により記録媒体82を所定量移動させて次の一走査の記録を行う。
【0272】
以上のように、インクジェット式記録装置81を、複数個のインク吐出素子202間のインクの吐出ばらつきを容易にコントロールすることが可能な上記実施形態3〜6のいずれか1つのインクジェットヘッド201を用いて構成することにより、紙等の記録媒体82に対する記録のばらつきを小さくすることができるので、信頼性の向上化を図ることができる。
【0273】
(実施形態8)
図21及び図22は、本発明の実施形態に係る角速度センサを示し、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。
【0274】
上記角速度センサは、厚み0.3mmのシ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500a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21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21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。
【0275】
上記基板500の各振動部500b及び固定部500aの振動部側の部分上には、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2の変形例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。
【0276】
上記第1の電極層503、配向制御層504、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2で説明した第1の電極層2、配向制御層11、圧電体層3及び第2の電極層4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金属(コバルト等)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。
【0277】
上記第2の電極層506は、上記各振動部500b上において、当該振動部500bを振動部500bの幅方向(図21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。
【0278】
上記2つの駆動電極507は、当該振動部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。
【0279】
一方、上記検出電極508は、当該振動部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。
【0280】
尚、上記第1の電極層503は、固定部500a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。
【0281】
上記各振動部500b上における上記第1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500b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500b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。
【0282】
上記構成の角速度センサにおいて、一対の振動部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。
【0283】
すなわち、コリオリ力Fcは、各振動部500b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。
【0284】
次に、上記角速度センサの製造方法について図23及び図24に基づいて説明する。
【0285】
すなわち、図23(a)に示すように、厚み0.3mmのφ4インチシリコンウエハ(平面図は図24参照)からなる基板500を用意し、図23(b)に示すように、この基板500上に、上記実施形態2と同様の条件で、第1の電極層503をスパッタ法により形成する。
【0286】
続いて、図23(c)に示すように、上記第1の電極層503上に、上記実施形態2と同様の条件で、配向制御層504をスパッタ法により形成する。上記実施形態2で説明したように、この配向制御層504における第1の電極層503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。
【0287】
次いで、図23(d)に示すように、上記配向制御層504上に、上記実施形態2と同様の条件で、圧電体層505をスパッタ法により形成する。上記実施形態2で説明したように、この圧電体層505は菱面体晶系であり、(001)面配向度が90%以上となる。
【0288】
続いて、図23(e)に示すように、上記圧電体層505上に、上記実施形態2と同様の条件で、第2の電極層506をスパッタ法により形成する。
【0289】
次いで、図23(f)及び図24に示すように、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507及び検出電極508上の感光樹脂を除去する。
【0290】
上記第2の電極層506のパターンニング後、同様の工程により圧電体層505、配向制御層504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。
【0291】
尚、上記各層の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。
【0292】
ここで、図25及び図26を参照しながら従来の角速度センサについて説明する。
【0293】
この従来の角速度センサは、厚み0.3mmの水晶からなる圧電体600を備え、この圧電体600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(図25に示すy方向)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(図25に示すz方向)に対向する両面には、当該振動部600bをその幅方向(図25に示すx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600b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。
【0294】
そして、上記従来の角速度センサにおいて、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(x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(z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。
【0295】
上記従来の角速度センサにおいては、水晶からなる圧電体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。
【0296】
これに対し、本実施形態に係る角速度センサにおいては、角速度を検出する部分(振動部500b)が、上記実施形態2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。
【0297】
尚、本実施形態における角速度センサにおいても、第1の電極層503、配向制御層504、圧電体層505及び第2の電極層506の材料は、上記実施形態2で述べた材料であれば、どれを用いてもよい。そして、上記実施形態1のように、この配向制御層504をなくすようにしても、高性能の角速度センサが得られる。
【0298】
また、本実施形態における角速度センサにおいては、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。
【0299】
さらに、本実施形態における角速度センサにおいては、基板500の各振動部500b及び固定部500a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。
【0300】
加えて、上記実施形態では、本発明の圧電素子を、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、この以外にも、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。
【0301】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる、結晶配向制御層を兼ねる第1の電極層を設け、この第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量を、0を越え26モル%以下とし、この第1の電極層上に、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設けた構成とすることによって、成膜後の熱処理による結晶化工程なしに直接的に、例えばスパッタ法等で、結晶構造と優先配向面とを制御した圧電体層を形成することでき、このことで、ゾルゲル法のように、クラックの発生や特性ばらつきの要因となるような熱処理による結晶化工程を無くすことができる。この結果、工業的に量産しても圧電特性の再現性、ばらつき及び信頼性の良好な圧電素子とこの圧電素子を有するインクジエツトヘツド及び角速度センサとを提供することができる。また、吐出能のばらつきが少なくて高い信頼性を有するインクジエツト式記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。
【図2】 図1の圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【図3】 図1の圧電素子において第1の電極層と第2の電極層との間に三角波電圧を印加したときの、圧電素子の先端の変位量を示す特性図である。
【図4】 比較例1の圧電素子における図3相当図である。
【図5】 本発明の実施形態に係る他の圧電素子を示す斜視図である。
【図6】 図5の圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【図7】 図5の圧電素子の変形例を示す斜視図である。
【図8】 図7の圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【図9】 図5の圧電素子における図3相当図である。
【図10】 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す概略図である。
【図11】 図10のインクジェットヘッドのインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図である。
【図12】 図11のXII−XII線断面図である。
【図13】 図10のインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図14】 本発明の実施形態に係る他のインクジェットヘッドの要部(アクチュエータ部)を示す図12相当図である。
【図15】 図14のインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図16】 本発明の実施形態に係るさらに別のインクジェットヘッドの要部(アクチュエータ部)を示す図12相当図である。
【図17】 図16のインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図18】 本発明の実施形態に係るさらに別のインクジェットヘッドの要部(アクチュエータ部)を示す図12相当図である。
【図19】 図18のインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図20】 本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。
【図21】 本発明の実施形態に係る角速度センサを示す概略斜視図である。
【図22】 図21のXXII−XXII線断面図である。
【図23】 図21の角速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図24】 図21の角速度センサの製造方法において、第2の電極層をパターニングした状態を示す平面図である。
【図25】 水晶を用いた従来の角速度センサを示す概略斜視図である。
【図26】 図25のXXVI−XXVI線断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 第1の電極層
3 圧電体層
4 第2の電極層
11 配向制御層
14 密着層
20 圧電素子
32 圧力室
33 第1の電極層(個別電極)
38 ノズル孔
41 圧電体層
42 第2の電極層(共通電極)
43 振動層
46 配向制御層
51 基板
61 第1の電極層(共通電極)
62 圧電体層
63 第2の電極層(個別電極)
65 振動層
69 配向制御層
70 圧力室基板(圧力室部材)
81 インクジェット式記録装置
82 記録媒体
84 キャリッジ(相対移動手段)
201 インクジエツトヘツド
500 基板
500a 固定部
500b 振動部
503 第1の電極層
504 配向制御層
505 圧電体層
506 第2の電極層
507 駆動電極
508 検出電極
A 圧力室部材
B アクチュエータ部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention belongs to a technical field relating to a piezoelectric element exhibiting an electromechanical conversion function, an inkjet head using the piezoelectric element, an angular velocity sensor, a manufacturing method thereof, and an inkjet recording apparatus including the inkjet head as a printing unit.
[0002]
[Prior art]
  In general, a piezoelectric material is a material that converts mechanical energy into electrical energy or converts electrical energy into mechanical energy. A typical example of this piezoelectric material is lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O) having a perovskite crystal structure.3(Hereinafter referred to as PZT). The direction in which the largest piezoelectric displacement is obtained in this PZT is the <001> axis direction (c-axis direction) in the case of tetragonal system, and the <111> axis direction in the case of rhombohedral system. However, since many piezoelectric materials are polycrystals composed of aggregates of crystal grains, the crystal axes of the crystal grains are in random directions. Therefore, the spontaneous polarization Ps is also randomly arranged.
[0003]
  By the way, with the recent miniaturization of electronic devices, there is a strong demand for miniaturization of piezoelectric elements using piezoelectric materials. In order to satisfy this requirement, the piezoelectric element tends to be used in the form of a thin film whose volume can be remarkably reduced as compared with a sintered body that has been used for many applications. Research and development for thinning the film has become popular. For example, in the case of tetragonal PZT, the spontaneous polarization Ps is oriented in the <001> axis direction. Therefore, in order to realize high piezoelectric characteristics even if the film is thinned, the <001> axis of the crystal constituting the PZT thin film is used. It is necessary to align in the direction perpendicular to the substrate surface. In order to realize this, conventionally, a single crystal substrate made of magnesium oxide (MgO) having a NaCl type crystal structure cut out so that the crystal orientation (100) plane is exposed on the surface is used. A Pt electrode thin film oriented in the (100) plane is formed as a lower electrode, and a PZT thin film with good crystallinity is oriented on the Pt electrode in the direction perpendicular to the surface in the <001> axis. It was formed at a temperature of ° C. (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).
[0004]
  The above method is characterized by using a substrate made of MgO single crystal, and for the first time, a piezoelectric thin film preferentially crystallized in a crystal direction having high piezoelectric properties was realized. Is a very expensive material, there is a problem in terms of cost in mass production of industrial products using a piezoelectric element having a piezoelectric thin film formed by this method.
[0005]
  Therefore, various ideas have been made as a method of forming a crystal orientation film of a piezoelectric material on an inexpensive substrate such as silicon. For example, as a method for controlling the preferential orientation plane of a crystal of a piezoelectric layer such as PZT, Patent Document 2 discloses that a base layer mainly composed of zirconium oxide is formed on the surface of a substrate, and iridium is formed on the base layer. A lower electrode containing is formed, an ultrathin titanium layer is laminated on the lower electrode, and an amorphous material containing a metal element and an oxygen element, which constitutes a ferroelectric material that exhibits piezoelectric characteristics, is formed on the titanium layer. A manufacturing method (sol-gel method) is disclosed in which a piezoelectric precursor thin film is formed, and the amorphous thin film is crystallized by a method of heat-treating at a high temperature to change into a piezoelectric thin film that exhibits piezoelectricity. It is shown that the crystal orientation of the piezoelectric thin film can be controlled by controlling the thickness of the titanium layer at that time.
[0006]
[Patent Document 1]
        JP-A-10-209517
[0007]
[Patent Document 2]
        JP 2001-88294 A
[0008]
[Non-Patent Document 1]
        “Journal of Applied Physics
        (Journal of Applied Physics) ”, (USA), American Physical Society,
        February 15, 1989, Volume 65, No. 4, p.1666-1670
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
  However, although the method disclosed in Patent Document 2 is excellent as a method not using an expensive MgO single crystal substrate, a piezoelectric thin film is formed by a sol-gel method. As in the case of forming a thin film, it is difficult to obtain a film with good crystallinity that is crystallized during film formation. For this purpose, an amorphous piezoelectric precursor thin film is once formed, and the laminated film including this film is finally heat treated together with the substrate so that the crystal axes are preferentially oriented in an appropriate direction.
[0010]
  For this reason, in the sol-gel method, when a piezoelectric element is industrially mass-produced, cracks are likely to occur in the amorphous piezoelectric precursor thin film due to volume changes in the degreasing process for removing organic substances. Even in the step of crystallizing the precursor thin film by heating at a high temperature, cracks and film peeling from the lower electrode are likely to occur due to crystal change, and since there is a post-heat treatment step after film formation, the number of steps increases, However, there is a problem that the yield is lowered.
[0011]
  On the other hand, in Patent Document 2, a method other than the sol-gel method (including the MOD method) is a method in which an amorphous thin film is once formed and then synthesized by changing to a crystalline thin film by a post-treatment that is a crystallization heat treatment. In other words, an attempt was made to control the orientation of a representative PZT film of a ferroelectric thin film by a film forming method such as sputtering, laser ablation, or CVD, which directly forms a crystalline thin film without a crystallization process by heat treatment.・ It is said that the orientation control could not be performed except for the gel method. The reason is that crystallization of the PZT film gradually proceeds from the lower electrode side to the upper electrode side in the sol-gel method, whereas the crystallization of the PZT film proceeds at random in the CVD method or the sputtering method. This is because the lack of regularity in crystallization makes orientation control difficult.
[0012]
  The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to obtain a highly reliable piezoelectric element that is low in cost and excellent in piezoelectric characteristics.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the present invention, the electrode layer is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal.The content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%On the electrode layer, a piezoelectric layer made of rhombohedral or tetragonal perovskite oxide was formed, and the piezoelectric layer was preferentially oriented in the (001) plane.
[0014]
  Specifically, in the invention of claim 1, the first electrode layer, the piezoelectric layer provided on the first electrode layer, and the second electrode layer provided on the piezoelectric layer, The piezoelectric element provided with
[0015]
  The first electrode layer is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0016]
  With the above configuration, when the piezoelectric layer is formed on the first electrode layer by sputtering or the like, the first electrode layer is in crystal orientation even if the first electrode layer has (111) plane orientation or the like. Playing the role of the control layer, the piezoelectric layer has the (001) plane (in the case of rhombohedral system, the (100) plane and the (001) plane are the same, so this rhombohedral (100) plane) Orientation). That is, the first electrode layer that is the direct base of the piezoelectric layer is composed of metal atoms that are relatively easy to chemisorb oxygen such as cobalt, nickel, iron, manganese, and copper, and noble metal atoms that are not easily oxidized (for example, platinum atoms). Therefore, the surface of the first electrode layer is assumed to be a smooth surface in which the metal atoms are scattered in the noble metal atoms. When a piezoelectric layer made of a perovskite-type crystal structure oxide such as PZT (preferably an element containing lead in excess of the stoichiometric composition) is formed on the first electrode layer by, for example, sputtering. In order to stabilize the oxygen content of the oxide, oxygen is mixed with an inert argon gas as a sputtering gas. The oxygen gas atoms are first scattered on the smooth surface of the first electrode film. To be adsorbed on metal atoms such as cobalt. This adsorption takes place by taking a stable coordination structure with an NaCl type crystal structure, and an oxide having a perovskite type crystal structure having a relationship between a metal atom (for example, lead) and an oxygen atom of the same coordination is connected to it. Crystal growth will occur. At this time, since the oxygen partial pressure at the time of film formation is relatively low and the amount of oxygen in the film formation atmosphere is small, a phenomenon in which only oxygen atoms are arranged in layers (the (111) plane grows at this time) hardly occurs. It is considered that (001) planes in which metal atoms and oxygen atoms are alternately arranged in layers are easy to grow. Of course, a piezoelectric film also grows on the noble metal atom, but here, a piezoelectric film of an aggregate of particles with random crystal planes grows (including (001) -oriented crystal grains in this case) To do). When a substrate such as silicon is used, since the first electrode layer is normally (111) -oriented, the metal atoms such as cobalt in the surface portion of the first electrode layer in the piezoelectric layer are used. In the upper region of the portion where no exists, it becomes a plane orientation other than the (001) plane (for example, (111) plane orientation) or becomes amorphous. However, since the (001) plane easily grows in the film-forming atmosphere containing oxygen as described above, the crystal growth rate of the (001) plane of the piezoelectric film formed on the metal atom is high, and the shape is an inverted cone. Since film growth occurs in a state where the growth of crystal grains (for example, (111) -oriented grains) oriented to a plane with a slow crystal growth rate other than the (001) plane is suppressed while spreading horizontally, the whole finally A (001) plane oriented piezoelectric film is considered. That is, the area of the (001) plane orientation region in the cross section perpendicular to the layer thickness direction of the piezoelectric layer increases from the first electrode layer side toward the opposite side (second electrode layer side), At the stage where the thickness of the layer reaches about 20 nm, almost the entire surface becomes a (001) -oriented region. As a result, when the thickness of the piezoelectric layer is, for example, 0.5 μm or more, most of the piezoelectric layer becomes a region of (001) plane orientation, and a (001) plane orientation degree of 90% or more is sufficiently obtained. .
[0017]
  The crystal orientation of the piezoelectric layer can be controlled in this way because the piezoelectric material is a substance having a perovskite crystal structure, and the arrangement of metal atoms such as lead and oxygen atoms and the spacing of the crystal lattice are cobalt, nickel. This is because it is almost the same as the oxide of rock salt (NaCl) structure, which is a stable substance formed by oxidation of easily oxidizable metals such as iron, manganese, and copper. The crystal orientation of the piezoelectric layer can be controlled by using a method of forming a thin film of the type in which the film is grown.
[0018]
  Therefore, since the first electrode layer plays a role of controlling the crystal orientation of the piezoelectric layer in addition to the role as an electrode, a crystal formed by heat treatment other than the sol-gel method on an inexpensive substrate such as silicon. Even if it is a film-forming method (sputtering method, CVD method, etc.) that directly forms a crystalline thin film without a forming step, a piezoelectric layer with good orientation can be obtained. This eliminates the step of crystallizing the piezoelectric layer by heat treatment after film formation. As a result, the generation of cracks and variations in characteristics can be reduced, and the reproducibility and variations in piezoelectric characteristics can be achieved even in industrial mass production. In addition, a highly reliable piezoelectric element can be obtained. Since this piezoelectric element is used by applying an electric field in a direction perpendicular to the film surface of the piezoelectric layer, particularly in a tetragonal perovskite PZT film, the electric field direction is <001 due to the (001) plane orientation. > Large piezoelectric characteristics can be obtained in parallel with the polarization axis direction. In addition, since polarization does not rotate due to application of an electric field, variations in piezoelectric characteristics can be suppressed and reliability can be improved. On the other hand, in the rhombohedral perovskite type PZT film, the polarization axis is the <111> direction, so that an angle of about 54 ° occurs between the electric field direction and the polarization axis direction due to the (100) plane orientation. By improving the (100) plane orientation, the polarization can always maintain a constant angle with respect to the applied electric field. In this case as well, the polarization does not rotate due to the applied electric field, thereby causing variations in piezoelectric characteristics. Can be suppressed and reliability can be improved (for example, in the case of a non-oriented PZT film, the polarization is directed in various directions. Therefore, when an electric field is applied, the polarization is parallel to the electric field. (Because the axis is directed, the piezoelectric characteristics have voltage dependency and the variation becomes large, or the change with time occurs, which causes a problem in reliability).
[0019]
  In addition, since a piezoelectric layer having good crystal orientation can be easily obtained without using an expensive MgO single crystal substrate, by using an inexpensive glass substrate, metal substrate, ceramic substrate, Si substrate, etc. Manufacturing cost can be reduced.
[0020]
  Furthermore, even if the thickness of the piezoelectric layer is 1 μm or more, the same process needs to be repeated many times in order to form a thick film as in the sol-gel method in which a thick film cannot be formed by a single coating process. Therefore, the piezoelectric layer can be easily formed by a sputtering method or the like, and a decrease in yield can be suppressed.
[0021]
  Here, if the content of the metal exceeds 26 mol%, the crystallinity and orientation of the piezoelectric layer deteriorate, so the content is set to 26 mol% or less.
[0022]
  Claim2In the invention of claim1In the invention, the first electrode layer is provided on the substrate, and an adhesion layer for improving adhesion between the substrate and the first electrode layer is provided between the substrate and the first electrode layer. IsThe substrate is made of any one of a silicon substrate, a glass substrate, a metal substrate, and a ceramic substrate.Shall.
[0023]
  By doing so, it is possible to improve the adhesion between the substrate and the first electrode layer, to prevent film peeling at the time of manufacturing the piezoelectric element, and to connect between the first and second electrode layers. Even when the operation is performed by applying a voltage, film peeling hardly occurs.In addition, the manufacturing cost can be reduced by using an inexpensive substrate.
[0024]
  Claim3In the invention of claim2In the invention, the adhesion layer is made of one kind selected from the group consisting of titanium, tantalum and molybdenum.
[0025]
  Thus, a material suitable for improving the adhesion between the substrate and the first electrode layer can be obtained.
[0026]
  Claim4In the invention of claim 1,Any one of ~ 3In the invention, an orientation control layer comprising a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer. It is assumed that
[0027]
  Thus, if the orientation control layer is formed on the first electrode layer by sputtering or the like, even if the first electrode layer has (111) plane orientation or the like, the piezoelectric layer of the invention of claim 1 Similarly, the orientation control layer is easily oriented to the (100) plane or the (001) plane (in the case of a cubic system, the (100) plane and the (001) plane are the same). When a piezoelectric layer having the same crystal structure as that of the orientation control layer is formed on the orientation control layer thus formed, the orientation control layer causes the piezoelectric layer to have (001) plane orientation. By providing such an orientation control layer, it is possible to use a material that can further improve crystallinity and orientation for the orientation control layer while using a piezoelectric material with good piezoelectric characteristics for the piezoelectric layer. As a result, a piezoelectric layer having high crystal orientation and stability can be easily obtained. In the orientation control layer, the region that is not oriented in the (100) plane or the (001) plane may exist not only in the vicinity of the surface of the first electrode layer but also on the surface on the piezoelectric layer side. Even in such a case, if the layer thickness of the orientation control layer is 0.01 μm or more, most of the surface on the piezoelectric layer side becomes a (100) plane or (001) plane oriented region, and the piezoelectric body The (001) plane orientation degree of the layer can be 90% or more.
[0028]
  In addition, by providing such an orientation control layer, a crystalline thin film is directly formed on an inexpensive substrate such as silicon at a temperature that does not reach 600 ° C. without a crystallization step by heat treatment other than the sol-gel method. Even if the film forming method (sputtering method, CVD method, etc.) is performed, a piezoelectric layer with good orientation can be obtained. Thus, the piezoelectric layer is crystallized by heat treatment after film formation as in the sol-gel method. Compared with the case where the process can be eliminated and the orientation control layer is not provided, the film can be formed at a lower temperature, and a piezoelectric element with more excellent reproducibility, variation and reliability of piezoelectric characteristics can be obtained.
[0029]
  Claim5In the invention of claim4In the invention, the orientation control layer is composed of lead lanthanum titanate or lead lanthanum titanate to which at least one of magnesium and manganese is added.
[0030]
  That is, for example, in the sputtering method, lead lanthanum titanate is more stable and easier to form a crystalline film than PZT having particularly good piezoelectric characteristics. Thus, a (100) plane or (001) plane alignment film can be easily formed. When PZT is used for the piezoelectric layer, this lead lanthanum titanate and PZT have the same crystal structure. Therefore, if a piezoelectric layer is formed on the orientation control layer, the surface of the lead lanthanum titanate is formed. PZT having a similar ion arrangement grows as it is, so that it can be easily crystallized in the (001) plane even at a low temperature.
[0031]
  Claim6In the invention of claim4In the invention, the orientation control layer is made of a perovskite oxide containing strontium.
[0032]
  As a result, a perovskite oxide containing strontium can be formed at a lower temperature than PZT or the like, as in the case of lead lanthanum titanate, and a thin film with good orientation and crystallinity can be easily obtained.
[0033]
  Claim7In the invention of claim6In the present invention, the orientation control layer contains strontium titanate.
[0034]
  As a result, the (100) plane or (001) plane orientation and crystallinity of the orientation control layer can be reliably improved, and the orientation of the piezoelectric layer can be improved.
[0035]
  Claim8In the invention of claim 1,7In any one of the inventions, the noble metal in the first electrode layer is at least one selected from the group consisting of platinum, iridium, palladium, and ruthenium.
[0036]
  As a result, the piezoelectric element can sufficiently withstand the temperature at which each film of the piezoelectric element is formed by sputtering or the like, and can be made of a material suitable as an electrode.
[0037]
  Claim9According to the present invention, there is provided a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, a vibration layer provided on a surface on the second electrode layer side of the piezoelectric element, A pressure chamber member having a pressure chamber for containing ink and bonded to a surface of the vibration layer opposite to the piezoelectric element, and the vibration layer is formed in a layer thickness direction by a piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. It is an invention of an ink jet head configured to be displaced and eject ink in the pressure chamber.
[0038]
  In the present invention, the first electrode layer of the piezoelectric element is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0039]
  According to the present invention, the first electrode layer, the piezoelectric layer, the second electrode layer, and the vibration layer are sequentially formed on the substrate by a sputtering method, and the pressure chamber member is joined to the vibration layer, and then the substrate is mounted. If removed, an ink jet head provided with a piezoelectric element having the same structure as that of the first aspect of the invention can be obtained. As a result, the ink ejection capability is increased, and even when a large number of pressure chambers and nozzle holes are provided and piezoelectric elements are provided so as to correspond to the respective pressure chambers (nozzle holes), the space between these piezoelectric elements is increased. Variations are reduced and ink can be stably ejected from any nozzle hole. In addition, since the ink ejection capability is high, a margin can be taken with respect to the adjustment range of the power supply voltage, thereby making it possible to easily control variations in ink ejection.
[0040]
  Claim10In the invention of claim9In the present invention, the orientation control comprising a perovskite oxide preferentially oriented in the cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element It is assumed that a layer is provided.
[0041]
  Thus, the first electrode layer, the orientation control layer, the piezoelectric layer, the second electrode layer, and the vibration layer are sequentially formed on the substrate by sputtering or the like, and the pressure chamber member is joined to the vibration layer. If the substrate is removed later, the claim4An ink jet head having a piezoelectric element having the same configuration as that of the present invention can be obtained, and the ink ejecting ability of the ink jet head can be stably increased, and ink ejection variations can be easily controlled.
[0042]
  Claim11In the invention, a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, a vibration layer provided on a surface on the first electrode layer side of the piezoelectric element, A pressure chamber member having a pressure chamber for containing ink and bonded to a surface of the vibration layer opposite to the piezoelectric element, and the vibration layer is arranged in a layer thickness direction by a piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An inkjet head configured to displace and eject ink in the pressure chamber is an object.
[0043]
  And the 1st electrode layer of the above-mentioned piezoelectric element consists of an alloy of at least one sort of metal chosen from the group of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper, and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0044]
  Thus, if the pressure chamber member is used as a substrate and the vibration layer, the first electrode layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are sequentially formed thereon by a sputtering method or the like, it is claimed.9An ink jet head having the same effect as that of the present invention can be obtained.
[0045]
  Claim12In the invention of claim11In the invention, the orientation control comprising a perovskite type oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element It is assumed that a layer is provided.
[0046]
  In this way, if the pressure chamber member is used as a substrate, the vibration layer, the first electrode layer, the orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are sequentially formed on the substrate by sputtering or the like. , Claims10An ink jet head having the same effect as that of the present invention can be obtained.
[0047]
  Claim13The invention includes a substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion, and a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a first layer are formed on at least each vibrating portion of the substrate. Two electrode layers are sequentially stacked, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part, and the vibration part It is an invention of an angular velocity sensor patterned on at least one detection electrode for detecting deformation in the thickness direction.
[0048]
  In the present invention, the first electrode layer is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0049]
  According to the present invention, by applying a voltage between the drive electrode of the second electrode layer and the first electrode layer, each vibration part of the substrate is vibrated in the width direction of the vibration part. When deformed in the thickness direction, a voltage is generated between the detection electrode of the second electrode layer and the first electrode layer, and the angular velocity can be detected from the magnitude of this voltage (Coriolis force). Since the portion for detecting the angular velocity (vibrating portion) is composed of a piezoelectric element having the same configuration as that of the first aspect of the invention, the piezoelectric constant is higher than that of the conventional angular velocity sensor using quartz. Can be increased to about 40 times, and the size can be considerably reduced. In addition, even if industrially mass-produced, an angular velocity sensor with good reproducibility of characteristics, little variation, and good withstand voltage and reliability can be obtained.
[0050]
  Claim14In the invention of claim13In the invention, an orientation control layer comprising a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer. It is assumed that
[0051]
  Thus, the part for detecting the angular velocity (vibration part) is claimed.4An angular velocity sensor constituted by a piezoelectric element having the same configuration as that of the present invention is obtained, and the reproducibility, withstand voltage, and reliability of the characteristics of the angular velocity sensor are improved.
[0052]
  Claim15The invention of the present invention is an invention of a method for manufacturing a piezoelectric element. In this invention, an alloy of a noble metal and at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper is formed on a substrate. A step of forming a first electrode layer by sputtering, and a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer. And a step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0053]
  According to the present invention, the piezoelectric element according to the invention of claim 1 can be easily manufactured.
[0054]
  Claim16In this invention, as a method for manufacturing a piezoelectric element, a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal is sputtered on a substrate. And an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer by sputtering. Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer by sputtering, and the piezoelectric layer. Forming a second electrode layer thereon.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0055]
  This makes the claim4The piezoelectric element according to the invention can be easily manufactured.
[0056]
  Claim17The invention includes a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. It is an invention of a manufacturing method of an ink jet head configured to discharge ink in a pressure chamber.
[0057]
  And in this invention, the process of forming the 1st electrode layer which consists of an alloy of the at least 1 sort (s) of metal chosen from the group of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper on a board | substrate by a sputtering method, Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering, and on the piezoelectric layer Forming a second electrode layer, forming a vibration layer on the second electrode layer, and forming a pressure chamber on a surface of the vibration layer opposite to the second electrode layer. A pressure chamber member for bonding, and a step of removing the substrate after the bonding step.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0058]
  According to the invention, the claims9The ink jet head according to the invention can be easily manufactured.
[0059]
  Claim18The invention includes a piezoelectric element in which a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the vibration layer is formed by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. The present invention is directed to a method of manufacturing an ink jet head configured to discharge ink in a pressure chamber by being displaced in the thickness direction.
[0060]
  Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on the substrate by a sputtering method; A step of forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the electrode layer, and on the orientation control layer A step of forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane by sputtering, and forming a second electrode layer on the piezoelectric layer. A step of forming a vibration layer on the second electrode layer, and a pressure chamber member for forming a pressure chamber on a surface of the vibration layer opposite to the second electrode layer. And after the joining step, Including a step of removing the serial boardThus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0061]
  This makes the claim10The ink jet head according to the invention can be easily manufactured.
[0062]
  Claim19The invention includes a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. The present invention is directed to a method for manufacturing an ink jet head configured to discharge ink in a pressure chamber.
[0063]
  A step of forming a vibration layer on the pressure chamber substrate for forming the pressure chamber; and at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on the vibration layer; A step of forming a first electrode layer made of an alloy with a noble metal by sputtering; and a perovskite oxide preferentially oriented on a rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer. A step of forming a piezoelectric layer comprising: a step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer; and a step of forming a pressure chamber on the pressure chamber substrate.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0064]
  This makes the claim11The ink jet head according to the invention can be easily manufactured.
[0065]
  Claim20The invention includes a piezoelectric element in which a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the vibration layer is formed by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. The present invention is directed to a method of manufacturing an ink jet head configured to discharge ink in a pressure chamber by being displaced in the thickness direction.
[0066]
  A step of forming a vibration layer on the pressure chamber substrate for forming the pressure chamber; and at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on the vibration layer; A step of forming a first electrode layer made of an alloy with a noble metal by sputtering, and a preferential orientation on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer. A step of forming an orientation control layer comprising a perovskite oxide by a sputtering method; and a piezoelectric material comprising a perovskite oxide preferentially oriented on a rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer. Forming a layer by sputtering, forming a second electrode layer on the piezoelectric layer, and forming a pressure chamber on the pressure chamber substrate.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0067]
  This makes the claim12The ink jet head according to the invention can be easily manufactured.
[0068]
  Claim21The invention includes a substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion, and a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a first layer are formed on at least each vibrating portion of the substrate. Two electrode layers are sequentially stacked, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part, and the vibration part It is an invention of a method for manufacturing an angular velocity sensor patterned on at least one detection electrode for detecting deformation in the thickness direction.
[0069]
  And in this invention, the process of forming the 1st electrode layer which consists of an alloy of the at least 1 sort (s) of metal chosen from the group of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper on a board | substrate by a sputtering method, Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering, and on the piezoelectric layer Forming a second electrode layer, patterning the second electrode layer to form the drive electrode and the detection electrode, and patterning the piezoelectric layer and the first electrode layer. And a step of patterning the substrate to form the fixed portion and the vibrating portion.Thus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0070]
  According to the invention, the claims13The angular velocity sensor according to the invention can be easily manufactured.
[0071]
  Claim22In the invention, a substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion is provided, and the first electrode layer, the orientation control layer, and the piezoelectric are provided on at least each vibrating portion of the substrate. A body layer and a second electrode layer are sequentially stacked, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part; The present invention is directed to a method for manufacturing an angular velocity sensor patterned on at least one detection electrode for detecting deformation in the thickness direction of the vibration part.
[0072]
  Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on the substrate by a sputtering method; A step of forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the electrode layer, and on the orientation control layer A step of forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane by sputtering, and a second electrode layer on the piezoelectric layer. A step of patterning the second electrode layer to form the drive electrode and the detection electrode; a step of patterning the piezoelectric layer, the orientation control layer, and the first electrode layer; , The above substrate - containing by training and forming the fixed portion and the vibrating portionsThus, the content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less.Shall.
[0073]
  This makes the claim14The angular velocity sensor according to the invention can be easily manufactured.
[0074]
  Claim23According to the present invention, there is provided a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, a vibration layer provided on a surface on the second electrode layer side of the piezoelectric element, An ink jet head having a pressure chamber member bonded to a surface of the vibration layer opposite to the piezoelectric element and having a pressure chamber for containing ink and configured to be movable relative to a recording medium, When the inkjet head is moving relative to the recording medium, the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the inkjet head, and the ink in the pressure chamber is It is an invention of an ink jet recording apparatus configured to perform recording by discharging to a recording medium from a nozzle hole communicating with a pressure chamber.
[0075]
  In the present invention, the first electrode layer of the piezoelectric element in the inkjet head is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0076]
  According to the present invention, by using an ink jet head that can easily control ink ejection variations, it is possible to reduce variations in recording on a recording medium, and as a result, highly reliable ink jet recording. An apparatus can be realized.
[0077]
  Claim24In the invention of claim23In the invention, a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the inkjet head. It is assumed that an orientation control layer is provided.
[0078]
  As a result, a highly reliable ink jet recording apparatus can be obtained stably and easily.
[0079]
  Claim25In the invention, a piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated, a vibration layer provided on a surface on the first electrode layer side of the piezoelectric element, An ink jet head having a pressure chamber member bonded to a surface of the vibration layer opposite to the piezoelectric element and having a pressure chamber for containing ink and configured to be movable relative to a recording medium, When the inkjet head is moving relative to the recording medium, the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the inkjet head, and the ink in the pressure chamber is The present invention is intended for an ink jet recording apparatus configured to perform recording by ejecting the recording medium from a nozzle hole communicating with a pressure chamber.
[0080]
  The first electrode layer of the piezoelectric element in the inkjet head is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
[0081]
  This makes the claim23An ink jet recording apparatus having the same effect as that of the present invention can be obtained.
[0082]
  Claim26In the invention of claim25In the invention, a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the inkjet head. It is assumed that an orientation control layer is provided.
[0083]
  In this way, the claims24An ink jet recording apparatus having the same effect as that of the present invention can be obtained.
[0084]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0085]
  (Embodiment 1)
  FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 20 of this embodiment includes a substrate 1 made of silicon having a rectangular plate shape with a length of 15.0 mm, a thickness of 0.30 mm, and a width of 3.0 mm, and the silicon substrate 1. The laminated body 10 is provided. This piezoelectric element 20 has a width of 3.0 mm and a length extending in a direction perpendicular to the piezoelectric element 20 (Y-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. 1) by the epoxy adhesive 6 at a portion from one end to 3.0 mm. It is fixed to a stainless steel support substrate 5 having a thickness of 10.0 mm and a thickness of 1.0 mm, thereby forming a cantilever beam. The substrate 1 is not limited to silicon, and may be a glass substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like.
[0086]
  The laminated body 10 includes a first electrode layer 2 disposed on the silicon substrate 1, a piezoelectric layer 3 disposed on the first electrode layer 2, and a piezoelectric layer 3 disposed on the piezoelectric layer 3. The first electrode layer 2, the piezoelectric layer 3, and the second electrode layer 4 are sequentially formed and stacked on the substrate 1 by a sputtering method. Is. The film forming method for each film is not limited to the sputtering method, and any film forming method (for example, a CVD method) for directly forming a crystalline thin film without a crystallization step by heat treatment may be used. The film forming method 4 may be a sol-gel method or the like. Further, an adhesion layer that improves adhesion between the silicon substrate 1 and the first electrode layer 2 may be formed between the silicon substrate 1 and the first electrode layer 2 (deformation of the second embodiment described later). See example). This adhesion layer may be made of one selected from the group consisting of titanium, tantalum and molybdenum.
[0087]
  The first electrode layer 2 has a thickness of 0.10 μm and is formed of an iridium (Ir) thin film containing 6 mol% of cobalt (Co). That is, the first electrode layer 2 is made of an alloy of cobalt and iridium as a noble metal. In addition to the role as an electrode, the first electrode layer 2 also serves to control the crystal orientation of the piezoelectric layer 3 as will be described later. A crystal orientation control layer is formed. The first electrode layer 2 may be made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal, and the noble metal includes platinum, iridium, What is necessary is just to be at least 1 sort (s) chosen from the group of palladium and ruthenium. In addition, the first electrode layer 2 contains an extremely small amount of oxygen in its composition in addition to an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal. It may be. The content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper is more than 0 and not more than 26 mol% in that the crystal orientation can be controlled well.To. Furthermore, the film thickness of the 1st electrode layer 2 should just be the range of 0.05-2 micrometers.
[0088]
  The piezoelectric layer 3 is an entire surface (that is, a width of 3.0 mm) excluding a portion from one end on the side (base end side) bonded to the stainless steel support substrate 5 on the first electrode layer 2 to 3.0 mm. In the rhombohedral or tetragonal (001) plane (in the case of the rhombohedral system, the (100) plane and the (001) plane). Since it is the same as the plane, it is made of a perovskite oxide (including this rhombohedral (100) plane orientation). In this embodiment, the piezoelectric layer 3 is composed of a PZT thin film with a thickness of 2.50 μm, and the composition of this PZT is Zr / Ti = 53/47 (thus, it becomes a rhombohedral system). ). The Zr / Ti composition is not limited to Zr / Ti = 53/47, but may be Zr / Ti = 30/70 to 70/30. In addition, the constituent material of the piezoelectric layer 3 may be a piezoelectric material mainly composed of PZT, such as PZT containing additives such as Sr, Nb, Al, Mg, etc. PZT including (that is, PLZT) may be used. Furthermore, the thickness of the piezoelectric layer 3 may be in the range of 0.5 to 5.0 μm.
[0089]
  The second electrode layer 4 is made of a platinum (Pt) thin film having a thickness of 0.25 μm, and lead wires 7 and 8 are connected to the first electrode layer 2 and the second electrode layer 4, respectively. Has been. The constituent material of the second electrode layer 4 is not limited to Pt, but may be any conductive material, and the film thickness may be in the range of 0.1 to 0.4 μm.
[0090]
  When a voltage is applied between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 4 of the piezoelectric element 20 via the lead wires 7 and 8, the piezoelectric body layer 3 has the X of the coordinate axis shown in FIG. It extends in the axial direction (the length direction of the piezoelectric layer 3). At this time, the change amount ΔL (m) of the elongation of the piezoelectric layer 3 is defined as follows: the applied voltage is E (V), the thickness of the piezoelectric layer 3 is t (m), and the length of the piezoelectric layer 3 is L (m). ), The piezoelectric constant of the piezoelectric layer 3 is d31(Pm / V)
  ΔL = d31× L × E / t
It becomes.
[0091]
  Here, in the piezoelectric layer 3, the upper part joined to the thin second electrode layer 4 extends in the X-axis direction, but the lower part joined to the silicon substrate 1 via the first electrode layer 2. The stretch displacement of the portion is suppressed by the thick silicon substrate 1. As a result, the distal end side of the piezoelectric element 20 located on the opposite side to the base end side (terminal side to which the lead wires 7 and 8 are connected) fixed to the stainless steel support substrate 5 is the Z axis of the coordinate axis shown in FIG. Displacement to the negative side of the direction (lower side in FIG. 1). As a result, when voltage application and removal are alternately repeated at a constant frequency, the tip of the piezoelectric element 20 moves up and down with a predetermined displacement width. The displacement characteristics of the piezoelectric element 20 can be evaluated by measuring the relationship between the applied voltage and the displacement width of the tip of the piezoelectric element 20.
[0092]
  Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 20 will be described with reference to the process diagram of FIG.
[0093]
  First, as shown in FIG. 2A, a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 18.0 mm is formed on a 20 mm square, 0.30 mm thick silicon substrate 1 having a polished (001) surface. The thickness of the first electrode layer 2 made of an iridium film containing 6 mol% of cobalt is 0.10 μm by RF sputtering using a 0.2 mm thick stainless steel mask (not shown). To form.
[0094]
  Specifically, the iridium film containing cobalt is a ternary RF magnetron sputtering apparatus, and the silicon substrate 1 is heated and held in advance at a temperature of 400 ° C., and a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar) as a sputtering gas. : O2= 15: 1), the total gas pressure is maintained at 0.25 Pa, a cobalt target is used as the first target of the ternary sputtering apparatus, an iridium target is used as the second target, and high frequencies of 100 W and 200 W, respectively. It is formed by applying power and sputtering for 15 minutes (no third target is used).
[0095]
  Subsequently, using a stainless steel mask (thickness: 0.2 mm) having a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 12.0 mm, RF magnetron sputtering is accurately performed on the surface of the first electrode layer 2. The piezoelectric layer 3 made of a PZT film having a thickness of 2.50 μm is formed by the method. A method for forming the piezoelectric layer 3 of the PZT film will be described in detail later.
[0096]
  Next, a second electrode layer 4 made of platinum having a thickness of 0.25 μm is formed by RF sputtering on the surface of the piezoelectric layer 3 using a stainless steel mask having the same shape as that for forming the piezoelectric layer 3. . As a result, a structure 21 is obtained in which the laminate 10 including the piezoelectric layer 3 is provided on the silicon substrate 1 as shown in FIG.
[0097]
  Next, as shown in FIG. 2C, in a square portion having a width of 3.0 mm and a length of 15.0 mm, and one end of which is 3.0 mm wide and 3.0 mm long. The structure 21 is cut with a dicing saw so that a part of the first electrode layer 2 is exposed. Thereby, the piezoelectric element structure component 22 in which the second electrode layer 4 is exposed on the upper side of the portion of the first electrode layer 2 having a width of 3.0 mm and a length of 12.0 mm is obtained.
[0098]
  Subsequently, as shown in FIG. 2D, one end portion of the silicon substrate 1 in the piezoelectric element structure component 22 is bonded to the stainless steel support substrate 5 using an epoxy adhesive 6.
[0099]
  Next, as shown in FIG. 2 (e), a 0.1 mm gold lead wire is used for the first electrode layer 2 exposed in the piezoelectric element structure component 22 by using a conductive adhesive (silver paste). 7 is connected, and the same lead wire 8 is connected to the second electrode layer 4 on the same one end side by wire bonding, whereby the piezoelectric element 20 is completed.
[0100]
  Here, a method for forming the piezoelectric layer 3 will be described in detail. That is, using a RF magnetron sputtering apparatus, the silicon substrate 1 on which the first electrode layer 2 made of an iridium film containing cobalt is heated and held up to 600 ° C. in a film forming chamber, and lead zirconate titanate (PbZr)0.53Ti0.47O3) To form a piezoelectric layer 3 by applying a high frequency power of 600 W and sputtering for 125 minutes using a sintered body target prepared by adding lead oxide (PbO) in excess of 5 mol% in a molar ratio. To do. During this film formation, a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2= 19: 1) is used as the sputtering gas and the total gas pressure is kept at 0.3 Pa.
[0101]
  The piezoelectric layer 3 is crystal-grown by using cobalt scattered in the surface portion of the first electrode layer 2 on the piezoelectric layer 3 side as a nucleus, and is thereby easily oriented on the (001) plane on the cobalt. . That is, cobalt (similarly to nickel, iron, manganese, and copper) easily adsorbs oxygen in the sputtering gas when the piezoelectric layer 3 is formed, and this adsorption is a stable coordination structure with an NaCl type crystal structure. It happens by taking. As a result, PZT having a relationship between a metal atom (lead) having the same coordination and an oxygen atom is connected to the crystal to grow a crystal. At this time, since the oxygen partial pressure at the time of film formation is relatively low and the amount of oxygen in the film formation atmosphere is small, a phenomenon in which only oxygen atoms are arranged in layers (the (111) plane grows at this time) hardly occurs. The (001) plane in which metal atoms (lead) and oxygen atoms are alternately arranged in layers becomes easy to grow. On the other hand, by using the silicon substrate 1, the first electrode layer 2 is (111) -oriented, and the upper region of the piezoelectric layer 3 where no cobalt is present on the surface portion of the first electrode layer 2. Then, it becomes plane orientation other than the (001) plane (for example, (111) plane orientation) or becomes amorphous (in the case of an iridium film, it becomes amorphous). However, since the (001) plane easily grows in the film-forming atmosphere containing oxygen as described above, the crystal growth rate of the (001) plane of the PZT film on cobalt is ( This is faster than the growth of crystal grains oriented other than the (001) plane, whereby the crystal growth of the (001) plane spreads horizontally in an inverted conical shape while suppressing the growth of crystal grains oriented other than the (001) plane. . As a result, when the thickness of the piezoelectric layer 3 reaches about 20 nm, almost the entire surface becomes a (001) -oriented region. As a result, if the thickness of the piezoelectric layer 16 is 0.5 μm or more, most of the piezoelectric layer 16 becomes a region of (001) orientation, and the degree of (001) orientation (rhombohedral (100 ) Planar orientation) is 90% or more.
[0102]
  Here, a specific example will be described.
[0103]
  First, as the piezoelectric element of Example 1, the same element as that of the above embodiment was manufactured by the same manufacturing method as described above. In the course of its production, the first electrode layer and the piezoelectric layer were subjected to composition analysis using an X-ray microanalyzer, and the crystal orientation rate of the piezoelectric layer was examined by analysis using an X-ray diffraction method.
[0104]
  As a result of the composition analysis of the first electrode layer (iridium film), it was found that the composition of this film was iridium containing 6 mol% of cobalt. As a result of the compositional analysis of the piezoelectric layer (PZT film), the cation composition ratio of the PZT film is Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47, and Pb (Zr0.53Ti0.47) O3It was found that the chemical composition can be expressed as
[0105]
  Further, as a result of analyzing the piezoelectric layer by the X-ray diffraction method, a thin film having a perovskite crystal structure and preferentially oriented with a (001) plane crystal orientation ratio of 99% (the <001> axis is perpendicular to the surface) It turned out to be a thin film with a structure oriented in the direction. Here, the crystal orientation ratio is (001) plane, (100) plane, (010) plane, (110) plane, (011) plane, (101) plane, (111) plane of the X-ray diffraction pattern of the PZT film. The ratio (percentage) of the peak intensity of the (001) plane with respect to the total peak intensity.
[0106]
  Next, a triangular wave voltage of 0V to −10V is applied between the first electrode layer and the second electrode layer in the piezoelectric element of Example 1 produced above via a lead wire, and the coordinate axis shown in FIG. The amount of displacement of the tip of the piezoelectric element that moves up and down in the Z-axis direction was measured.
[0107]
  FIG. 3 shows the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element when a voltage having a frequency of 100 Hz is applied. As shown in FIG. 3, when a voltage of 0 V to −10 V was applied, the maximum displacement amount at the tip of the piezoelectric element was 3.8 μm.
[0108]
  Here, under the same conditions as those of the piezoelectric element of the first embodiment, three pieces having a first electrode layer formed on a silicon substrate are prepared, and using these, the same PZT film as that of the piezoelectric element of the first embodiment is prepared. Formed. However, at this time, the films were formed by selecting the sputtering time of the three substrates as 2 minutes, 5 minutes, and 20 minutes, respectively. The thicknesses of the PZT films thus formed were 0.02 μm, 0.09 μm, and 0.40 μm, respectively. The (001) plane crystal orientation ratio of these PZT films was examined by an X-ray diffraction method.
[0109]
  As a result, the (001) plane crystal orientation ratio of the PZT film is 85% when the PZT film thickness is 0.02 μm, 95% when 0.09 μm, and 0.40 μm when it is 0.40 μm. It was 98%. From this, it has been found that the crystal orientation of the PZT film gradually becomes dominant in the (001) plane orientation as the film grows from the surface on the first electrode side.
[0110]
  Next, each element of the ternary RF magnetron sputtering apparatus is replaced with a different material, and the sputtering power and the sputtering time are controlled, whereby piezoelectric elements having first electrode layers having different compositions and film thicknesses (Example 2) To Example 39) were prepared. Table 1 shows the composition, sputtering power, and sputtering time of each target when forming the first electrode layer.
[0111]
[Table 1]
Figure 0004451610
[0112]
  Then, as in Example 1, the film thickness measurement and composition analysis of the first electrode layer in each of the piezoelectric elements of Examples 2 to 39 were performed, and the (001) plane crystal orientation ratio of the piezoelectric layer was measured. Further, the displacement amount (maximum displacement amount) of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage was applied was measured. The results are summarized in Table 2.Although Examples 9, 17, 21, 26 and 31 are referred to as “Examples” for the sake of convenience, the results of the composition analysis of the first electrode layer are no longer the subject of the present invention.
[0113]
[Table 2]
Figure 0004451610
[0114]
  From this, the (001) plane crystal orientation ratio of the piezoelectric layer in each example is considerably higher than that of the comparative example described later. In particular, in the first electrode layer, cobalt, nickel, iron, manganese and copper are used. It can be seen that if the content of at least one metal selected from this group is 26 mol% or less, it will surely be 90% or more and the maximum displacement of the tip of the piezoelectric element will also be at a high level.
[0115]
  The piezoelectric layers of the piezoelectric elements of Examples 1 to 39 were PZT films having a constant composition, but similar results were obtained with PZT films having different Ti / Zr molar ratios. The piezoelectric layer may be a PZT film containing La (PLZT film) or a PZT film containing ions such as Nb and Mg, and any oxide film having a perovskite crystal structure can be used. A (001) plane oriented film was obtained in the same manner as each piezoelectric element of Example 39.
[0116]
  Next, the following piezoelectric elements were produced as comparative examples (Comparative Example 1 and Comparative Example 2).
[0117]
  That is, in the piezoelectric element of Comparative Example 1, a piezoelectric thin film was formed by sputtering according to the description of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-88294 as part of the manufacturing process. Specifically, first, using a sputtering apparatus, a silicon substrate similar to that used in Example 1 was placed in an electric furnace at 1100 ° C., and was oxidized for 22 hours by flowing dry oxygen to form a surface layer. A silicon oxide film having a thickness of about 1 μm was formed. On the surface of the substrate, a zirconium oxide thin film having a thickness of 0.4 μm was formed by reactive sputtering while introducing oxygen using oxygen as a target (sputtering conditions: sputtering power 200 W, vacuum 0.3 Pa), A first electrode layer made of an iridium thin film having a film thickness of 1.0 μm is formed on the surface using an RF magnetron sputtering apparatus targeting iridium, and the same stainless steel mask as that in the above embodiment is further used on the surface. A titanium thin film having a film thickness of 0.06 μm was formed using a DC magnetron sputtering apparatus targeting titanium. Further, a PZT film having the same composition as in Example 1 is formed on the surface of the titanium film by the same method as in Example 1. Further, a platinum thin film having a film thickness of 0.25 μm as in Example 1 is formed. 2 electrode layers were formed and then processed in the same manner as in Example 1 to produce a piezoelectric element having the same shape as in Example 1 (FIG. 1).
[0118]
  When the (001) plane crystal orientation ratio of the PZT film of the piezoelectric layer in the piezoelectric element of Comparative Example 1 was examined, it was 23%. Further, when the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element of Comparative Example 1 when a triangular wave voltage was applied was measured, the result shown in FIG. 4 was obtained, and the maximum amount of displacement was 2.4 μm (note that the crystal orientation ratio and Each value of the maximum displacement is shown in Table 2 together with the above-described example and comparative example 2 described later).
[0119]
  In the configuration of the piezoelectric element of Comparative Example 1 described above, when the sputtering method is used for the production of the piezoelectric layer, it is difficult to control the crystal orientation of the piezoelectric thin film as described in JP-A-2001-88294. It can be seen that a PZT film with high (001) plane crystal orientation cannot be obtained.
[0120]
  Next, a piezoelectric element of Comparative Example 2 was produced. The comparative example 2 is different from the above example in that the iridium film of the first electrode layer does not contain a metal such as cobalt. That is, when the first electrode layer is formed, sputtering is performed for 16 minutes by setting the sputtering power to the cobalt target of the first target to 0 W and the sputtering power to the iridium target of the second target to 200 W. As a result, a first electrode layer (iridium film) having a thickness of 0.10 μm, which is considered not to function as a crystal orientation control layer, was formed, and a piezoelectric element was fabricated in exactly the same manner as in Example 1.
[0121]
  When the piezoelectric layer in the piezoelectric element of Comparative Example 2 is analyzed by the X-ray diffraction method, it is not a (001) plane-oriented thin film as in Example 1, and the (111) plane other than the (001) plane An X-ray diffraction pattern including a diffraction peak having a high intensity on the (110) plane was shown, and the (001) plane crystal orientation ratio was 22%. This is because the first electrode layer does not contain a metal such as cobalt, so it did not function as a crystal orientation control layer, and as a result, the (001) plane crystal orientation ratio of the PZT film thereon was increased. It is thought that it fell.
[0122]
  Further, when the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element of Comparative Example 2 when a triangular wave voltage was applied was measured, the maximum amount of displacement was 2.3 μm.
[0123]
  Next, instead of a silicon substrate (length 15.0 mm, thickness 0.30 mm, width 3.0 mm strip flat plate) as a substrate, heat-resistant crystallized glass (thickness 0.30 mm: not deformed even at 700 ° C.) Thermal expansion coefficient 87 × 10―7A piezoelectric element having the same shape as that of Example 1 was manufactured by the same method as in Example 1 using a strip-shaped flat plate substrate having a length of 15.0 mm and a width of 3.0 mm (/ ° C.). Example 40).
[0124]
  Further, using the same substrate as in Example 40, a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 7 (Example 41), a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 13 (Example 42), A piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 19 (Example 43), a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 32 (Example 44), and a first element manufactured in the same manner as in Comparative Example 2 above. A piezoelectric element (Comparative Example 3) having an electrode layer made of only iridium was obtained.
[0125]
  The film thickness measurement and composition analysis of the first electrode layer in each of the piezoelectric elements of Examples 40 to 44 and Comparative Example 3 manufactured using the glass substrate as described above were performed, and the piezoelectric layer (001) The plane crystal orientation ratio was examined, and the displacement amount (maximum displacement amount) of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage was applied was measured. The results are shown in Table 3.
[0126]
[Table 3]
Figure 0004451610
[0127]
  Therefore, even when the substrate is made of glass different from silicon, the piezoelectric element having the configuration of this example includes a piezoelectric layer having a crystal orientation on the (001) plane with a high orientation ratio and high piezoelectric displacement. It turns out that it becomes possible. Further, it was found that although the amount of displacement at the time of voltage application differs depending on the substrate material, stable displacement characteristics are exhibited.
[0128]
  (Embodiment 2)
  FIG. 5 shows another piezoelectric element according to the embodiment of the present invention (the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted). An orientation control layer 11 is provided between the first electrode layer 2 and the piezoelectric layer 3.
[0129]
  That is, the piezoelectric element 20 of the present embodiment includes the silicon substrate 1 and the laminated body 10 disposed on the silicon substrate 1 as in the first embodiment, and from one end to 3.0 mm. In this part, it is fixed to the stainless steel support substrate 5 by the epoxy adhesive 6, thereby forming a cantilever beam. Also in this embodiment, the substrate 1 is not limited to silicon, and may be a glass substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like.
[0130]
  The stacked body 10 includes a first electrode layer 2 disposed on the silicon substrate 1, an alignment control layer 11 disposed on the first electrode layer 2, and an alignment control layer 11. The piezoelectric layer 3 provided and the second electrode layer 4 disposed on the piezoelectric layer 3, the first electrode layer 2, the orientation control layer 11, The piezoelectric layer 3 and the second electrode layer 4 are sequentially formed by sputtering and stacked. In the present embodiment, the film forming method for each film is not limited to the sputtering method, but may be any film forming method (for example, CVD method) that directly forms a crystalline thin film without a crystallization step by heat treatment. The film formation method of the second electrode layer 4 may be a sol-gel method or the like.
[0131]
  As in the first embodiment, the first electrode layer 2 is made of an alloy of cobalt and iridium. In addition to the role as an electrode, the orientation control layer 11 and the crystal orientation of the piezoelectric layer 3 are also provided. The electrode and crystal orientation control layer that also plays the role of controlling is formed. However, in this embodiment, the cobalt content is 1 mol% and the thickness is 0.22 μm. In the present embodiment, the first electrode layer 2 only needs to be made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal. May be at least one selected from the group consisting of platinum, iridium, palladium and ruthenium. In addition, the first electrode layer 2 contains an extremely small amount of oxygen in its composition in addition to an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal. It may be. The content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper is more than 0 and not more than 26 mol% in that the crystal orientation can be controlled well.To. Furthermore, the film thickness of the 1st electrode layer 2 should just be the range of 0.05-2 micrometers.
[0132]
  The orientation control layer 11 is made of a perovskite oxide that is preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane. In this embodiment, it is made of lead lanthanum titanate (composition ratio Pb: La: Ti = 1.12: 0.08: 1.00), and the film thickness is 0.02 μm. The orientation control layer 11 is controlled in crystal orientation by the first electrode layer 2, thereby controlling the crystal orientation of the piezoelectric layer 3. The material constituting the orientation control layer 11 is not limited to lead lanthanum titanate, and may be one obtained by adding at least one of magnesium and manganese to this lead lanthanum titanate. A perovskite oxide containing strontium that can be formed at a lower temperature than PZT or the like may be used. In this case, inter alia, strontium titanate (SrTiO3) Is preferably contained, and only this strontium titanate may be contained, and in addition to strontium titanate, lead titanate, lead lanthanum titanate, barium titanate and the like may be contained. Moreover, the film thickness of the orientation control layer 11 should just be the range of 0.01-0.2 micrometer.
[0133]
  The piezoelectric layer 3 is made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane, as in the first embodiment, and is a 2.50 μm thick PZT thin film ( Zr / Ti = 53/47). In the present embodiment, the Zr / Ti composition is not limited to Zr / Ti = 53/47, but may be Zr / Ti = 30/70 to 70/30. In addition, the constituent material of the piezoelectric layer 3 may be a piezoelectric material mainly composed of PZT, such as PZT containing additives such as Sr, Nb, Al, Mg, etc. PZT including (that is, PLZT) may be used. Furthermore, the thickness of the piezoelectric layer 3 may be in the range of 0.5 to 5.0 μm.
[0134]
  The second electrode layer 4 is made of a platinum thin film having a thickness of 0.25 μm as in the first embodiment. However, the second electrode layer 4 may be made of a conductive material and has a thickness of 0.1 to 0.4 μm. Any range is acceptable.
[0135]
  As in the first embodiment, a voltage is applied between the first and second electrode layers 2 and 4 via the lead wires 7 and 8 connected to the first and second electrode layers 2 and 4, respectively. The displacement characteristics of the piezoelectric element 20 can be evaluated by measuring the relationship between the applied voltage and the displacement width of the tip of the piezoelectric element 20.
[0136]
  Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 20 will be described with reference to the process diagram of FIG.
[0137]
  First, as in the first embodiment, a stainless steel mask having a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 18.0 mm is used on a 20 mm square silicon substrate 1 having a polished (001) surface. Then, the first electrode layer 2 made of an iridium film containing 1 mol% of cobalt is formed by RF sputtering (refer to the column of Example 45 in Table 4 to be described later) (see FIG. 6A). ).
[0138]
  Subsequently, using a stainless steel mask having a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 12.0 mm, the thickness of the surface of the first electrode layer 2 is accurately adjusted by RF magnetron sputtering. An orientation control layer 11 made of a lead lanthanum titanate film having a thickness of 02 μm is formed, and then a piezoelectric layer 3 made of a PZT film having a thickness of 2.50 μm is accurately formed on the surface of the orientation control layer 11 by RF magnetron sputtering. Form. A method for forming the orientation control layer 11 and the piezoelectric layer 3 will be described in detail later.
[0139]
  Next, as in the first embodiment, the structure 21 in which the second electrode layer 4 is formed on the surface of the piezoelectric layer 3 by RF sputtering and the stacked body 10 is provided on the silicon substrate 1 is formed. Obtained (see FIG. 6B).
[0140]
  Next, the structure 21 is cut with a dicing saw so as to have the same shape as that of the first embodiment, and the piezoelectric element structure component 22 is obtained (see FIG. 6C).
[0141]
  Subsequently, as in the first embodiment, one end portion of the silicon substrate 1 in the piezoelectric element structure component 22 is bonded to the stainless steel support substrate 5 using the epoxy adhesive 6 (see FIG. 6D). Next, the lead wire 7 is connected to the first electrode layer 2 exposed in the piezoelectric element structure part 22 and the lead wire 8 is connected to the second electrode layer 4, thereby the piezoelectric element 20. Is completed (see FIG. 6E).
[0142]
  Here, a method for forming the orientation control layer 11 and the piezoelectric layer 3 will be described in detail. In other words, an RF magnetron sputtering apparatus having two film forming chambers having the same structure and capable of moving a substrate on which a thin film is to be formed from one film forming chamber to the other film forming chamber without breaking the vacuum is used. In the film chamber, a stoichiometric lead lanthanum titanate (Mb ratio: Pb: La: Ti = 0.92: 0.08: 1.00) was added to PbO in an excess of about 20 mol% to prepare a sintered mixture. A body target (composition molar ratio Pb: La: Ti = 1.12: 0.08: 1.00) was attached, and the other film formation chamber was lead zirconate titanate (PbZr).0.53Ti0.47O3) Is attached to a sintered body target prepared by adding 5 mol% of lead oxide (PbO) in a molar ratio to the silicon substrate 1 on which the first electrode layer 2 is formed. Thus, the orientation control layer 11 and the piezoelectric layer 3 are formed.
[0143]
  Specifically, first, the silicon substrate 1 on which the first electrode layer 2 is formed is preliminarily heated and maintained at a temperature of 550 ° C. in the film formation chamber in which the target of lead lanthanum titanate is attached, A thin film having a film thickness of 0.02 μm made of lead lanthanum titanate containing a perovskite crystal structure with the <001> axis growing in a direction perpendicular to the surface and containing excess lead is formed. At this time, a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2= 19: 1) is used as the sputtering gas, the total gas pressure is kept at 0.3 Pa, high frequency power of 300 W is applied, and sputtering is performed for 10 minutes.
[0144]
  Next, the silicon substrate 1 on which the orientation control layer 11 is formed is transferred to a film forming chamber equipped with a target of lead zirconate titanate without breaking the vacuum, and the substrate 1 is heated to a temperature of 500 ° C. therein. Pb having a thickness of 2.50 μm on the orientation control layer 111.00(Zr0.53Ti0.47) O3Is formed. At this time, a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2= 19: 1) is used as the sputtering gas, the total gas pressure is kept at 0.3 Pa, high frequency power of 700 W is applied, and sputtering is performed for 50 minutes.
[0145]
  Similar to the piezoelectric layer 3 in the first embodiment, the orientation control layer 11 is crystal-grown using cobalt scattered on the surface portion of the first electrode layer 2 on the orientation control layer 11 side as a nucleus. , It becomes easy to orient on the (100) plane or the (001) plane on cobalt. In addition, by forming the orientation control layer 11 with lead lanthanum titanate, the (100) plane or (001) plane orientation film can be easily and stably formed at a relatively low temperature. If the piezoelectric layer 3 made of PZT is formed on the orientation control layer 11 thus formed, lead lanthanum titanate and PZT have exactly the same crystal structure. PZT having a similar arrangement is grown as it is, and the orientation control layer 11 causes the piezoelectric layer 3 to have the (001) plane orientation (in the rhombohedral system, the (100) plane and the (001) plane are the same). Therefore, this rhombohedral (100) orientation is included), and the (001) orientation of the piezoelectric layer 3 (the rhombohedral (100) orientation) is 90% or more.
[0146]
  In the orientation control layer 11, a region that is not oriented in the (100) plane or the (001) plane exists not only in the vicinity of the surface of the first electrode layer 2 but also on the surface on the piezoelectric layer 3 side. Also good. Even in such a case, if the layer thickness of the orientation control layer 11 is 0.01 μm or more, most of the surface on the piezoelectric layer 3 side is a (100) plane or (001) plane orientation region, The (001) plane orientation degree of the piezoelectric layer 3 can be 90% or more.
[0147]
  FIG. 7 shows a modification of the piezoelectric element 20 of the second embodiment (note that the same parts as those in FIG. 5 are given the same reference numerals and their detailed description is omitted), and the silicon substrate 1 and the first electrode are omitted. The adhesion layer 14 is disposed between the layer 2 and the layer 2.
[0148]
  That is, the piezoelectric element 20 of this modification has the same configuration as that of the second embodiment except for the adhesion layer 14. However, the constituent material and thickness of the first electrode layer 2 are different, and the first electrode layer 2 is made of a platinum film having a thickness of 0.15 μm containing 14 mol% of cobalt.
[0149]
  The adhesion layer 14 enhances the adhesion between the silicon substrate 1 and the first electrode layer 2 and is made of titanium and has a film thickness of 0.006 μm. In addition, the adhesion layer 14 should just consist of 1 type chosen from the group of titanium, a tantalum, and molybdenum, and the film thickness should just be the range of 0.005-1 micrometer.
[0150]
  A method of manufacturing this piezoelectric element will be described with reference to FIG.
[0151]
  That is, on a 20 mm square silicon substrate 1 having a polished (001) surface, a stainless steel mask having a rectangular opening with a width of 5.0 mm and a length of 18.0 mm is used, and the thickness is increased by RF sputtering. An adhesion layer 14 made of a titanium film having a thickness of 0.006 μm is formed. The titanium film is formed by sputtering the substrate 1 at a temperature of 400 ° C., using argon gas as a sputtering gas, holding the gas pressure at 1 Pa, and sputtering at a sputtering power of 100 W for 2 minutes. Then, the first electrode layer 2 made of a platinum film containing 14 mol% of cobalt is formed on the adhesion layer 14 in the same manner as in the second embodiment using the same stainless steel mask as described above. It forms so that it may be set to 0.15 micrometer (refer Fig.8 (a)).
[0152]
  Subsequently, in the same manner as in the second embodiment, the orientation control layer 11 is formed on the first electrode layer 2, the piezoelectric layer 3 is formed on the orientation control layer 11, and the piezoelectric layer 3 Then, the second electrode layer 4 is formed to obtain the structure 21 in which the stacked body 10 is provided on the silicon substrate 1 (see FIG. 8B).
[0153]
  Next, in the same manner as in the second embodiment, the structure 21 is accurately cut with a dicing saw to produce a piezoelectric element structure component 22 (see FIG. 8C), and then one end of the silicon substrate 1 is formed. Is bonded to the stainless steel support substrate 5 (see FIG. 8D). Then, by connecting the lead wires 7 and 8 to the first and second electrode layers 2 and 4, respectively, the piezoelectric element 20 is completed (see FIG. 8E).
[0154]
  Thus, by providing the adhesion layer 14 between the silicon substrate 1 and the first electrode layer 2, the adhesion between the silicon substrate 1 and the first electrode layer 2 can be improved. Film peeling at the time of manufacturing the piezoelectric element 20 can be prevented, and film peeling hardly occurs even during operation by applying a voltage between the first and second electrode layers 2 and 4.
[0155]
  Here, a specific example will be described.
[0156]
  First, as the piezoelectric element of Example 45, the same piezoelectric element as in FIG. 5 was produced by the same manufacturing method as described above. During the production, composition analysis was performed on each of the first electrode layer, the orientation control layer, and the piezoelectric layer, and the crystal orientation rate of the piezoelectric layer was examined by analysis using an X-ray diffraction method.
[0157]
  As a result of analyzing the composition of the first electrode layer (iridium film) with an X-ray microanalyzer, it was found that the composition of the film was iridium containing 1 mol% of cobalt. In addition, as a result of composition analysis using an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) apparatus while comparing the orientation control layer (lead lanthanum titanate film) with the target, the composition of this thin film has a molar ratio Pb: La of the same composition as the target composition. : Ti = 1.12: 0.08: 1.00. Further, the composition of the piezoelectric layer (PZT film) was analyzed with an X-ray microanalyzer. As a result, the cation composition ratio of the PZT film was Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47. , Pb (Zr0.53Ti0.47) O3It was found that the chemical composition can be expressed as
[0158]
  Further, as a result of analyzing the piezoelectric layer by the X-ray diffraction method, a thin film having a perovskite crystal structure and preferentially oriented with a (001) plane crystal orientation ratio of 99.5% (<001> axis is the surface) It was found that the thin film was oriented in a direction perpendicular to the surface.
[0159]
  Next, a triangular wave voltage of 0 V to −25 V was applied via a lead wire between the first electrode layer and the second electrode layer in the piezoelectric element of Example 45 produced above, and the coordinate axis shown in FIG. The amount of displacement of the tip of the piezoelectric element that moves up and down in the Z-axis direction was measured.
[0160]
  FIG. 9 shows the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element when a voltage having a frequency of 50 Hz is applied. As shown in FIG. 9, when a voltage of 0 V to −25 V was applied, the maximum displacement at the tip of the piezoelectric element was 10.8 μm.
[0161]
  Further, when a triangular wave voltage of 0V to −30V is applied between the first electrode layer and the second electrode layer in this piezoelectric element, a triangular wave voltage of 0V to −40V is applied, and 0V to When a triangular wave voltage of −50 V was applied (in either case, the voltage frequency was 50 Hz and driven for 2 hours), the occurrence of cracks in the piezoelectric layer was examined, and no cracks were found.
[0162]
  Here, under the same conditions as those of the piezoelectric element of Example 45, three pieces having a first electrode layer and an orientation control layer formed on a silicon substrate were prepared, and using these, the piezoelectric element of Example 45 was used. The same PZT film was formed. However, at this time, the films were formed by selecting the sputtering time of the three substrates as 2 minutes, 5 minutes, and 20 minutes, respectively. The thicknesses of the PZT films thus formed were 0.02 μm, 0.09 μm, and 0.40 μm, respectively. The (001) plane crystal orientation ratio of these PZT films was examined by an X-ray diffraction method.
[0163]
  As a result, the (001) plane crystal orientation ratio of the PZT film is 93% when the PZT film thickness is 0.02 μm, 98% when 0.09 μm, and 0.40 μm when it is 0.40 μm. 99%. From this, it was found that the crystal orientation of the PZT film gradually became dominant in the (001) plane orientation as the film was grown from the surface on the orientation control layer side.
[0164]
  Next, each target of the ternary RF magnetron sputtering apparatus is replaced with a different material to control the sputtering power and the sputtering time, and to control the composition and sputtering time of the sputtering apparatus target used for forming the orientation control layer. Thus, piezoelectric elements (Examples 46 to 56) having first electrode layers and orientation control layers having different compositions and film thicknesses were produced. Table 4 shows the composition of each target when forming the first electrode layer, sputtering power and sputtering time, and the composition and sputtering time of the target when forming the orientation control layer.
[0165]
[Table 4]
Figure 0004451610
[0166]
  As in Example 45, the film thickness measurement and composition analysis of the first electrode layer and the orientation control layer in each of the piezoelectric elements of Examples 46 to 56 were performed, and the (001) of the piezoelectric layer was measured. The plane crystal orientation ratio was examined, and the displacement amount (maximum displacement amount) of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage of 0 V to −25 V was applied was measured. Further, when a triangular wave voltage of 0V to −30V is applied, when a triangular wave voltage of 0V to −40V is applied, and when a triangular wave voltage of 0V to −50V is applied (in either case, the voltage frequency is 50 Hz and 2 For each (time drive), the presence or absence of cracks in the piezoelectric layer was examined. The results are summarized in Table 5.Although Examples 49 and 52 are referred to as “Examples” for the sake of convenience, the results of the composition analysis of the first electrode layer are no longer the subject of the present invention.
[0167]
[Table 5]
Figure 0004451610
[0168]
  From this, the (001) plane crystal orientation ratio of the piezoelectric layer in each example is higher than that of Comparative Example 4 described later, and in particular, in the first electrode layer, cobalt, nickel, iron, manganese and copper It can be seen that if the content of at least one metal selected from this group is 26 mol% or less, it will surely be 90% or more and the maximum displacement of the tip of the piezoelectric element will also be at a high level.
[0169]
  In addition, even when an Mn-added lanthanum lead titanate film or an Mg-added lanthanum lead titanate film is used as the orientation control layer, a piezoelectric element similar to Example 45 using the lead lanthanum titanate film can be obtained. I understand.
[0170]
  The piezoelectric layers of the piezoelectric elements of Examples 45 to 56 were PZT films with a constant composition, but similar results were obtained with PZT films with different Ti / Zr molar ratios. The piezoelectric layer may be a PZT film containing La (PLZT film) or a PZT film containing ions such as Nb and Mg, and any oxide film having a perovskite crystal structure can be used. A (001) plane orientation film was obtained in the same manner as in each of the piezoelectric elements of Example 56. Furthermore, even when a strontium titanate film was used as the alignment control layer, a (001) plane alignment film was obtained.
[0171]
  Next, as a comparative example, the following piezoelectric elements were produced (Comparative Example 4 and Comparative Example 5).
[0172]
  That is, the piezoelectric element of Comparative Example 4 differs from that of the above example in that no metal such as cobalt is contained in the iridium film of the first electrode layer. Specifically, when the first electrode layer is formed, sputtering is performed for 16 minutes by setting the sputtering power to the cobalt target of the first target to 0 W and the sputtering power to the iridium target of the second target to 200 W. Thus, a first electrode layer (iridium film) having a thickness of 0.10 μm, which is considered not to function as a crystal orientation control layer, was formed, and the piezoelectric element was fabricated in exactly the same manner as in Example 45.
[0173]
  When the orientation control layer in the piezoelectric element of Comparative Example 4 is analyzed by the X-ray diffraction method, it does not become a (100) plane or (001) plane oriented thin film, but (111) other than the (100) plane and (001) plane. An X-ray diffraction pattern including a diffraction peak with high intensity on the plane and the (110) plane was shown. When the (001) plane crystal orientation ratio of the piezoelectric layer in the piezoelectric element of Comparative Example 4 was examined by the X-ray diffraction method, it was 65%. This is presumably because the crystal orientation of the orientation control layer was poor, and the PZT film on the orientation control layer also lowered the orientation rate due to the influence.
[0174]
  Further, when the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element of Comparative Example 1 when a triangular wave voltage was applied was measured, the maximum amount of displacement was 7.7 μm.
[0175]
  Next, a piezoelectric element having a configuration without an orientation control layer with respect to that of Example 45 was prepared. This piezoelectric element is different from Example 45 only in that there is no orientation control layer, and the others are exactly the same as Example 45. That is, in forming the piezoelectric layer, the substrate temperature is heated to 500 ° C., and a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2= 19: 1) was used as the sputtering gas, the total gas pressure was kept at 0.3 Pa, 700 W high-frequency power was applied, and sputtering was performed for 50 minutes to form a PZT film having a thickness of 2.50 μm.
[0176]
  However, the piezoelectric layer is not a PZT film having a perovskite-type crystal structure that exhibits the desired piezoelectric characteristics from X-ray diffraction analysis, and is generally a pyrochlore-type crystal phase that does not exhibit piezoelectric characteristics that can be formed at lower temperatures than lead, titanium, and zircon. The composition was an oxide film (film thickness 3.5 μm). Therefore, it was found that without the orientation control layer, a piezoelectric layer composed of a PZT film having a perovskite crystal structure cannot be formed at a temperature of 500 ° C.
[0177]
  Therefore, a piezoelectric element having a configuration in which the formation temperature of the piezoelectric layer was set to 600 ° C. and the orientation control layer was not provided was manufactured, and this piezoelectric element was used as Comparative Example 5.
[0178]
  The (001) plane crystal orientation ratio of Comparative Example 5 is very good at 100%, and the displacement amount (maximum displacement amount) of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage of 0 to −25 V is applied is 12.5 μm. there were. However, when driven by applying a triangular wave voltage of 0 to −40 V, a minute crack was formed on the film surface, and after 40 minutes from the start of driving, the piezoelectric element was peeled off due to film peeling. This is because the formation temperature of the piezoelectric layer is 600 ° C., which is 100 ° C. higher than that in the case where there is an orientation control layer, and therefore the heat of the silicon substrate and the PZT film is reduced to the room temperature after the PZT film formation. It is considered that the film was broken because a larger tensile stress acts on the PZT film due to the difference in expansion coefficient, and the PZT film is contracted by driving.
[0179]
  Next, the same piezoelectric element as that shown in FIG. 7 was manufactured by the same manufacturing method as above (this is referred to as Example 57). In addition, each target of the ternary RF magnetron sputtering apparatus is replaced with a different material, the sputtering power and the sputtering time are controlled, and the composition and sputtering time of the sputtering apparatus target used for forming the orientation control layer are controlled. Piezoelectric elements having a first electrode layer, an orientation control layer, and an adhesion layer having different compositions and film thicknesses by controlling the composition and sputtering time of the target of the sputtering apparatus used for forming the adhesion layer (Examples 58 to Example 64) was prepared. The composition of each target when forming the first electrode layer, the sputtering power and the sputtering time, and the composition and sputtering time of the target when forming each layer of the orientation control layer and the adhesion layer are those of Example 57 above. Table 6 also shows the results.
[0180]
[Table 6]
Figure 0004451610
[0181]
  For each of the piezoelectric elements in Examples 57 to 64, the same evaluation as in Examples 45 to 56 was performed. The results are shown in Table 7.
[0182]
[Table 7]
Figure 0004451610
[0183]
  Accordingly, even when an adhesion layer is provided between the substrate and the first electrode layer, at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper is used in the first electrode layer. It can be seen that by making the content 26 mol% or less, the (001) plane crystal orientation ratio can be made 90% or more and the maximum displacement amount of the tip of the piezoelectric element can be maintained at a high level.
[0184]
  In addition, even when an Mn-added lanthanum titanate film or an Mg-added lanthanum lead titanate film is used as the orientation control layer, a piezoelectric element with good characteristics similar to that of Example 57 using the lanthanum lead titanate film is obtained It turns out that it is obtained.
[0185]
  Furthermore, it can be seen that the same piezoelectric element as in Example 57 can be obtained even when tantalum or molybdenum is used instead of titanium as the material of the adhesion layer.
[0186]
  The piezoelectric layers of the piezoelectric elements of Examples 57 to 64 were PZT films having a constant composition. However, similar results were obtained with PZT films having different Ti / Zr molar ratios. The piezoelectric layer may be either a PZT film containing La (PLZT film) or a PZT film containing ions such as Nb and Mg, and any oxide film having a perovskite crystal structure can be used. A (001) plane orientation film was obtained in the same manner as in each of the piezoelectric elements of Example 64. Furthermore, even when a strontium titanate film was used as the alignment control layer, a (001) plane alignment film was obtained.
[0187]
  Next, a borosilicate glass (# 7089, thermal expansion coefficient 45) having a thickness of 0.30 mm is used as a substrate instead of a silicon substrate (a strip plate shape having a length of 15.0 mm, a thickness of 0.30 mm, and a width of 3.0 mm). × 10―7A piezoelectric element having the same shape as that of Example 45 was manufactured by the same method as that of Example 45 using a rectangular plate-shaped substrate having a length of 15.0 mm and a width of 3.0 mm. The device is referred to as Example 65).
[0188]
  Further, using the same substrate as in Example 65, a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 46 (Example 66), a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 47 (Example 67), A piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 48 (Example 68), a piezoelectric element manufactured in the same manner as Example 50 (Example 69), and a piezoelectric element manufactured in the same manner as Example 51 (Example) 70), a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 53 (Example 71), a piezoelectric element manufactured in the same way as in Example 54 (Example 72), and a piezoelectric element manufactured in the same manner as in Example 55. An element (Example 73) and a piezoelectric element (Comparative Example 6) produced in the same manner as in Comparative Example 4 and having a first electrode layer made only of iridium were obtained.
[0189]
  Evaluations similar to those of Examples 45 to 56 were made on the piezoelectric elements of Examples 65 to 73 and Comparative Example 6 manufactured using the borosilicate glass substrate as described above. The results are shown in Table 8.
[0190]
[Table 8]
Figure 0004451610
[0191]
  Therefore, even when the substrate is made of glass different from silicon, the piezoelectric element having the configuration of this example has a piezoelectric layer having a crystal orientation in the (001) plane with a high orientation ratio, and a large piezoelectric element. It can be seen that displacement can be obtained. Further, it was found that although the amount of displacement at the time of voltage application differs depending on the hardness of the substrate material, stable displacement characteristics are exhibited.
[0192]
  A piezoelectric element having no orientation control layer was fabricated for the above Example 65, but the piezoelectric layer was a PZT film having a perovskite crystal structure that showed the desired piezoelectric characteristics from X-ray diffraction analysis. In general, it was an oxide film (thickness: 3.5 μm) composed of lead, titanium, and zircon having a pyrochlore type crystal structure that does not exhibit piezoelectric properties that can generally be achieved at low temperatures. Accordingly, it was found that even when the substrate is made of glass, a piezoelectric layer made of a PZT film having a perovskite crystal structure cannot be formed at a temperature of 500 ° C. without an orientation control layer.
[0193]
  (Embodiment 3)
  Next, an ink jet head using the laminated film structure of the piezoelectric element of the present invention will be described.
[0194]
  FIG. 10 is a schematic configuration diagram illustrating an inkjet head according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the inkjet head 201 of this embodiment includes a plurality of (10 in FIG. 10) ink ejection elements 202 having the same shape arranged in a line, and the ink ejection elements 202. And a driving power source element 203 such as an IC chip for driving the IC.
[0195]
  FIG. 11 is an exploded perspective view, partly broken away, showing the configuration of each of the ink ejection elements 202. In FIG. 11, A is a pressure chamber member made of glass, and the pressure chamber opening 31 is formed in the pressure chamber member A. B is an actuator portion arranged so as to cover the upper end opening surface of the pressure chamber opening 31 (size: an ellipse having a minor axis of 200 μm and a major axis of 400 μm), and C is the pressure chamber opening 31. It is an ink flow path member arranged so as to cover the lower end opening surface. That is, the pressure chamber opening 31 of the pressure chamber member A is partitioned by the actuator portion B and the ink flow path member C positioned above and below, thereby forming the pressure chamber 32 (depth 0.2 mm). Yes.
[0196]
  The actuator part B has a first electrode layer 33 (individual electrode) located almost directly above the pressure chamber 32. The ink flow path member C is connected to the common liquid chamber 35 shared between the pressure chambers 32 of the plurality of ink ejection elements 202 arranged in the ink supply direction, and the common liquid chamber 35 is communicated with the pressure chamber 32. A supply port 36 for supplying the ink in the common liquid chamber 35 to the pressure chamber 32 and an ink flow path 37 for discharging the ink in the pressure chamber 32 are formed. Further, D is a nozzle plate, and a nozzle hole 38 (diameter 30 μm) communicating with the ink flow path 37 is formed in the nozzle plate D. Then, the pressure chamber member A, the actuator part B, the ink flow path member C, and the nozzle plate D are bonded with an adhesive to constitute the ink ejection element 202.
[0197]
  In the present embodiment, the pressure chamber member A, the actuator portion B (excluding the first electrode layer 33 and the piezoelectric layer 41 (see FIG. 12)), the ink flow path member C, and the nozzle plate D are used for discharging all ink. A portion integrally formed over the element 202 and including one pressure chamber 32, a nozzle hole 38 corresponding to the pressure chamber 32, the first electrode layer 33, and the piezoelectric layer 41. Is the ink ejection element 202. In addition, each ink discharge element 202 may be formed separately and these may be combined and combined. Further, the inkjet head 201 does not need to be composed of a plurality of ink ejection elements 202, and may be composed of a single ink ejection element 202.
[0198]
  The drive power supply element 203 is connected to each first electrode layer 33 of the actuator part B of the plurality of ink ejection elements 202 via bonding wires, and each first electrode layer 33 is connected from the drive power supply element 203. To supply voltage.
[0199]
  Next, the configuration of the actuator part B will be described with reference to FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII of the actuator portion B of the ink ejection element 202 shown in FIG. As shown in FIG. 12, the actuator portion B includes a first electrode layer 33 positioned substantially directly above each pressure chamber 32 as described above, and on each first electrode layer 33 (in FIG. And a second electrode layer 42 (provided on the piezoelectric layer 41 (on the same side) and common to all the piezoelectric layers 41 (all ink ejection elements 202)). Common electrode) and a vibration layer 43 which is provided on the entire second electrode layer 42 (on the same lower side) and vibrates by being displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 41. Similarly to the second electrode layer 42, the vibrating body layer 43 is also shared between the pressure chambers 32 of the respective ink ejection elements 202 (is integrally formed across all the ink ejection elements 202).
[0200]
  The first electrode layer 33, the piezoelectric layer 41, and the second electrode layer 42 constitute a piezoelectric element in which these are sequentially laminated. Further, the vibration layer 43 is provided on the surface of the piezoelectric element on the second electrode layer 42 side.
[0201]
  As in the first embodiment, the first electrode layer 33 is formed of an iridium (Ir) film having a thickness of 0.10 μm and containing 6 mol% of cobalt (Co), and serves as an electrode. Thus, an electrode and crystal orientation control layer that also serves to control the crystal orientation of the piezoelectric layer 41 is configured.
[0202]
  The piezoelectric layer 41 is made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane as in the first embodiment, and in this embodiment also has a thickness of 2.50 μm. Pb (Zr0.53Ti0.47) O3It consists of a PZT film denoted by.
[0203]
  The second electrode layer 42 is made of a platinum thin film (however, the film thickness is 0.10 μm) as in the first embodiment.
[0204]
  The vibration layer 43 is made of a chromium (Cr) film having a thickness of 3.5 μm. The material of the vibration layer 43 is not limited to Cr, but is nickel, aluminum, tantalum, tungsten, silicon, or an oxide or nitride thereof (for example, silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, silicon nitride) or the like. Also good. Moreover, the film thickness of the vibration layer 43 should just be 2-5 micrometers.
[0205]
  On the second electrode layer 42, an electric circuit made of polyimide resin is provided around the laminated film of the first electrode layer 33 and the piezoelectric layer 41 so that the upper surface is the same as the height of the first electrode layer 33. An insulating organic film 44 is provided. On the upper surface of the electrically insulating organic film 44, a lead electrode-shaped gold thin film (film thickness of 0.10 μm) extending from the first electrode layer 33 is formed. ing.
[0206]
  Next, a method for manufacturing the inkjet head 201 will be described with reference to FIG.
[0207]
  That is, first, as shown in FIG. 13A, a first electrode is formed on a silicon substrate 51 in the same manner as in the first embodiment using a silicon substrate 51 having a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.3 mm. The layer 33, the piezoelectric layer 41, and the second electrode layer 42 are sequentially stacked to obtain the structure 54. Note that an adhesion layer made of one kind selected from the group of titanium, tantalum, and molybdenum may be formed between the silicon substrate 51 and the first electrode layer 33 as in the first embodiment.
[0208]
  Subsequently, as shown in FIG. 13B, the vibration layer 43 made of a chromium (Cr) film (thickness: 3.5 μm) is formed on the second electrode layer 42 of the structure 54 by RF sputtering at room temperature. Form.
[0209]
  Next, as shown in FIG. 13C, the structure 54 on which the vibration layer 43 is formed is joined to the pressure chamber member A using an adhesive (acrylic resin) 55. At this time, the pressure chamber member A in which the pressure chamber opening 31 is formed in advance is joined to the surface of the vibration layer 43 opposite to the second electrode layer 42.
[0210]
  Thereafter, as shown in FIG. 13 (d), the silicon substrate 51 is made SF using a plasma reaction etching apparatus.6It is removed by dry etching using a gas. In the case where an adhesion layer is formed between the silicon substrate 51 and the first electrode layer 33, the adhesion layer is also removed.
[0211]
  Next, as shown in FIG. 13E, the laminated film of the first electrode layer 33 and the piezoelectric layer 41 is patterned in an elliptical pattern (size: an elliptical shape having a minor axis of 180 μm and a major axis of 380 μm). In order to perform the annealing, a photoresist resin film 57 is applied to the non-etched portion on the first electrode layer 33.
[0212]
  And as shown in FIG.13 (f), the 1st electrode layer 33 and the piezoelectric material layer 41 are patterned and individualized by performing an etching process using weak hydrofluoric acid, Then, FIG. As shown in g), the photoresist resin film 57 is removed by treatment with a resist stripper.
[0213]
  Subsequently, as shown in FIG. 13H, an electrically insulating organic film 44 made of polyimide resin is formed on the second electrode layer 42 exposed by the above patterning by a printing method. As shown in i), a lead wire-shaped lead electrode film 45 made of a gold thin film is formed on the upper surface of the electrically insulating organic film 44 by DC sputtering, whereby the actuator part B is completed.
[0214]
  On the other hand, although not shown, the ink flow path member C in which the common liquid chamber 35, the supply port 36, and the ink flow path 37 are formed in advance and the nozzle plate D in which the nozzle holes 38 are formed in advance are bonded using an adhesive. Keep it. Then, alignment adjustment of the pressure chamber member A joined to the completed actuator part B and the ink flow path member C to which the nozzle plate D is bonded is performed, and both are bonded by an adhesive. Thus, the inkjet head 201 is completed.
[0215]
  The first electrode layer 33, the piezoelectric layer 41, and the second electrode layer 42 are made of any of the materials described in the first embodiment. be able to. Further, the thickness of each layer may be in the range described in the first embodiment.
[0216]
  In the inkjet head 201 configured as described above, a voltage is supplied from the drive power supply element 203 to each of the first electrode layers 33 of the plurality of ink ejection elements 202 via the bonding wires, and the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 41 is achieved. As a result, the vibration layer 43 joined to the second electrode layer 42 that is a common electrode is displaced and vibrated, so that the ink in the common liquid chamber 35 passes through the supply port 36, the pressure chamber 32, and the ink flow path 37. It is discharged from the nozzle hole 38. In this case, in the ink jet head 201, the piezoelectric layer 41 constituting the actuator part B of the ink ejection element 202 has a crystal orientation aligned on the (001) plane, and the piezoelectric displacement characteristics have a large value and are aligned. Therefore, a large piezoelectric displacement (displacement amount) can be obtained, and the variation in the piezoelectric displacement characteristics among the plurality of ink ejection elements 202 is reduced. Since the piezoelectric displacement is large, the ink ejection capability is high, and a margin can be taken in the adjustment range of the power supply voltage, so that the variation in ejection of individual inks of the plurality of ink ejection elements 202 is reduced. It can be easily controlled.
[0217]
  Here, the inkjet head 201 having 250 ink ejection elements 202 having the same shape is actually manufactured by the above manufacturing method, and the two electrode layers 33 and 42 sandwiching the piezoelectric layer 41 are applied with 0V to −10V. When a sine waveform voltage (200 Hz) was applied and the variation in vibration amplitude in the layer thickness direction of the vibration layer 43 was measured, it was found that the variation σ was as small as 1.5%.
[0218]
  (Embodiment 4)
  FIG. 14 shows an actuator portion B of an ink ejection element 202 in another inkjet head 201 according to an embodiment of the present invention (note that the same parts as those in FIG. ), As shown in FIG. 12 (Embodiment 3), an orientation control layer 46 is disposed between the first electrode layer 33 and the piezoelectric layer 41 as in Embodiment 2 above. Other configurations are the same as those shown in FIG.
[0219]
  In other words, in this embodiment, the actuator part B is provided on the first electrode layer 33 that is positioned almost directly above each pressure chamber 32 and on each first electrode layer 33 (lower side in FIG. 14). Orientation control layer 46, piezoelectric layer 41 provided on the orientation control layer 46 (on the lower side), and second electrode layer 42 provided on the piezoelectric layer 41 (on the lower side). And a vibrating layer 43 that is provided on the entire second electrode layer 42 (on the lower side) and vibrates by being displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 41.
[0220]
  The first electrode layer 33, the orientation control layer 46, the piezoelectric layer 41, and the second electrode layer 42 constitute a piezoelectric element in which these are sequentially laminated. Further, the vibration layer 43 is provided on the surface of the piezoelectric element on the second electrode layer 42 side.
[0221]
  As in the second embodiment, the first electrode layer 33 is formed of an iridium (Ir) film having a thickness of 0.22 μm and containing 1 mol% of cobalt (Co). In addition to the role as an electrode, An electrode and crystal orientation control layer that also serves to control the crystal orientation of the piezoelectric layer 41 is configured.
[0222]
  The orientation control layer 46 is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane, as in the second embodiment. A lead lanthanum titanate film having a thickness of 0.02 μm (composition ratio Pb: La: Ti = 1.12: 0.08: 1.00).
[0223]
  The piezoelectric layer 41 is made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane, as in the second embodiment, and also has a thickness of 2.50 μm in this embodiment. Pb (Zr0.53Ti0.47) O3It consists of a PZT film denoted by.
[0224]
  The second electrode layer 42 is made of a platinum thin film (thickness is 0.10 μm) as in the second embodiment. .
[0225]
  The vibration layer 43 is made of a chromium film having a thickness of 3.5 μm, as in the third embodiment.
[0226]
  On the second electrode layer 42, an electric circuit made of polyimide resin is provided around the laminated film of the first electrode layer 33 and the piezoelectric layer 41 so that the upper surface is the same as the height of the first electrode layer 33. An insulating organic film 44 is provided. On the upper surface of the electrically insulating organic film 44, a lead electrode-shaped gold thin film (film thickness of 0.10 μm) extending from the first electrode layer 33 is formed. ing.
[0227]
  Next, a method for manufacturing the inkjet head 201 will be described with reference to FIG.
[0228]
  That is, first, using a silicon substrate 51 having a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.3 mm, the first electrode layer 33 and the orientation control layer 46 are formed on the silicon substrate 51 as in the second embodiment (or 3). Then, the piezoelectric layer 41 and the second electrode layer 42 are sequentially laminated to obtain a structure 54 (see FIG. 15A). As described in the third embodiment, an adhesion layer made of one selected from the group of titanium, tantalum, and molybdenum may be formed between the silicon substrate 51 and the first electrode layer 33.
[0229]
  Subsequently, as in the third embodiment, a vibrating layer 43 made of a chromium film (thickness: 3.5 μm) is formed on the second electrode layer 42 of the structure 54 by RF sputtering at room temperature (see FIG. 15 (b)), and subsequently, the structure 54 in which the vibration layer 43 is formed is bonded to the pressure chamber member A using the adhesive 55 (see FIG. 15C).
[0230]
  Thereafter, similarly to the third embodiment, the silicon substrate 51 is removed by dry etching (see FIG. 15D). In the case where an adhesion layer is formed between the silicon substrate 51 and the first electrode layer 33, the adhesion layer is also removed.
[0231]
  Next, in the same manner as in the third embodiment, in order to pattern the laminated film of the first electrode layer 33, the orientation control layer 46, and the piezoelectric layer 41, the non-etched portion on the first electrode layer 33 is A photoresist resin film 57 is applied (see FIG. 15E), and then an etching process is performed to pattern and individualize the first electrode layer 33, the orientation control layer 46, and the piezoelectric layer 41 ( Thereafter, the photoresist resin film 57 is removed by treatment with a resist stripper (see FIG. 15G).
[0232]
  Subsequently, as in the third embodiment, an electrically insulating organic film 44 is formed on the second electrode layer 42 exposed by the above patterning (see FIG. 15H). An extraction electrode film 45 is formed on the upper surface of the film 44 (see FIG. 15I), whereby the actuator portion B is completed.
[0233]
  On the other hand, as in the third embodiment, the ink channel member C in which the common liquid chamber 35, the supply port 36, and the ink channel 37 are previously formed and the nozzle plate D in which the nozzle hole 38 is previously formed are used with an adhesive. The pressure chamber member A joined to the completed actuator portion B and the ink flow path member C to which the nozzle plate D is adhered are adjusted, and both are adhered by an adhesive. Thus, the inkjet head 201 is completed.
[0234]
  The first electrode layer 33, the orientation control layer 46, the piezoelectric layer 41, and the second electrode layer 42 may be any material described in the second embodiment, and the vibration layer 43 Any of the materials described in Embodiment 3 may be used. Further, the thickness of each of these layers may be in the range described in the second and third embodiments.
[0235]
  Also in the inkjet head 201 configured as described above, as in the third embodiment, the piezoelectric layer 41 constituting the actuator portion B has a crystal orientation aligned on the (001) plane, Since the displacement characteristics are large and uniform, it is possible to obtain a large piezoelectric displacement (displacement amount), and the variation in the piezoelectric displacement characteristics among the plurality of ink ejection elements 202 is reduced. Since the piezoelectric displacement is large, the ink ejection capability is high, and a margin can be taken in the adjustment range of the power supply voltage, so that the variation in ejection of individual inks of the plurality of ink ejection elements 202 is reduced. It can be easily controlled.
[0236]
  Here, the ink jet head 201 having 250 ink ejection elements 202 having the same shape is actually manufactured by the above manufacturing method, and the vibration amplitude variation in the layer thickness direction of the vibration layer 43 is the same as in the third embodiment. As a result, the variation σ was found to be extremely small at 1.2%.
[0237]
  (Embodiment 5)
  FIG. 16 shows an actuator portion B of an ink ejection element 202 in still another inkjet head 201 according to the embodiment of the present invention. In this embodiment, a pressure chamber opening 71 is formed by etching a substrate used to form a laminated film (in this embodiment, a pressure chamber substrate 70 (the same applies to the next embodiment 6)). Thus, the pressure chamber member is the same as in the third and fourth embodiments, and the point that the pressure chamber substrate 70 (pressure chamber member) and the actuator portion B are integrated thereby differs from the third and fourth embodiments.
[0238]
  An ink discharge element having a shape similar to that of FIG. 11 is obtained by adhering an ink flow path member and a nozzle plate similar to those in the third and fourth embodiments to the pressure chamber substrate 70 and the actuator portion B integrated. 202 is obtained.
[0239]
  That is, in this embodiment, the vibration layer 65 made of amorphous aluminum oxide and having a thickness of 2.50 μm is provided on the pressure chamber substrate 70 in which the pressure chamber opening 71 is formed. A first electrode layer 61 (common electrode) made of an iridium film containing cobalt (thickness: 0.10 μm) is provided thereon, and a PZT thin film (thickness: 2.50 μm) is formed on the first electrode layer 61. A piezoelectric layer 62 is provided, and on the piezoelectric layer 62, a platinum thin film (thickness: 0.10 μm) is formed and is individually separated into an elliptical shape as in the first electrode layer 33 in the third and fourth embodiments. A second electrode layer 63 (individual electrode) is provided. The first electrode layer 61, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 constitute a piezoelectric element in which these are sequentially laminated. Further, the vibration layer 65 is provided on the surface of the piezoelectric element on the first electrode layer 61 side. In addition, an adhesion layer that improves adhesion between the vibration layer 65 and the first electrode layer 61 may be provided between the vibration layer 65 and the first electrode layer 61. This adhesion layer may also be made of one selected from the group consisting of titanium, tantalum and molybdenum.
[0240]
  The piezoelectric layer 62 and the second electrode layer 63 are formed only on the vibration chamber 65 and the first electrode layer above the portion of the pressure chamber substrate 70 where the pressure chamber opening 71 is formed (the space from which silicon is removed). The portions around the piezoelectric layer 62 and the second electrode layer 63 on the first electrode layer 61 are the same as those in the third and fourth embodiments. Similarly, it is covered with an electrically insulating organic film 64 made of polyimide resin. The individualized second electrode layer 63 is provided with a lead electrode film 75 of a gold thin film (film thickness: 0.1 μm).
[0241]
  Next, a method for manufacturing the ink jet head will be described with reference to FIG.
[0242]
  That is, as shown in FIG. 17A, the vibrating layer 65, the first electrode layer 61, the piezoelectric layer 62, and the second electrode are formed on the surface of the pressure chamber substrate 70 made of silicon having a thickness of 0.3 mm. The layer 63 is sequentially deposited by sputtering.
[0243]
  The vibration layer 65 is formed by using an RF magnetron sputtering apparatus, a substrate temperature of 400 ° C., an aluminum oxide target, a sputtering gas using a mixed gas of argon and oxygen of 14: 1, and a gas pressure of 0.1. It can be obtained by sputtering for 3 hours at 2 Pa and sputtering power of 700 W. The first electrode layer 61, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 are obtained in the same manner as described in the first embodiment.
[0244]
  Subsequently, as shown in FIG. 17B, a pressure chamber opening 71 (size: minor axis is 200 μm, on the surface of the pressure chamber substrate 70 opposite to the formation surface of the laminated film including the above layers, In order to form an elliptical shape having a long axis of 400 μm, a photoresist resin film 66 is applied so as to cover other portions.
[0245]
  Then, as shown in FIG. 17C, using a plasma reaction etching apparatus, dry etching is performed using SF 6 gas to form a pressure chamber opening 71 in the pressure chamber substrate 70.
[0246]
  Next, as shown in FIG. 17 (d), the photoresist resin film 66 is removed, and then, as shown in FIG. 17 (e), the second electrode layer 63 (true pressure chamber opening 71) is removed. A photoresist resin film 67 is formed in an elliptic pattern (size: elliptical shape with a minor axis of 180 μm and a major axis of 380 μm) on the upper part).
[0247]
  Next, as shown in FIG. 17F, a parallel plate type plasma reaction etching apparatus is used, and dry etching is performed using a mixed gas of argon gas and CF 4 gas, so that the same shape as the photoresist resin film 67 is obtained. A laminated film of the piezoelectric layer 62 and the second electrode layer 63 that is individualized into the elliptical pattern is obtained. In this dry etching, the first electrode layer 61 can be used as an etching end point because the etching rate is low unlike the other layers.
[0248]
  Subsequently, as shown in FIG. 17 (g), the elliptical photoresist resin film 67 is removed, and a polyimide resin coating film is formed around the individual laminated film by a printing method. The coating film is cured at 180 ° C. to form an electrically insulating organic film 64 made of polyimide resin.
[0249]
  Next, as shown in FIG. 17 (h), a lead thin film (thickness: 0.1 μm) is drawn by sputtering so as to overlap the electrically insulating organic film 64 with a part of the second electrode layer 63. The electrode 75 is formed, whereby the actuator part B in which the pressure chamber substrate 70 is integrated is completed.
[0250]
  Then, the ink flow path component and the nozzle plate are bonded to the pressure chamber substrate 70 (pressure chamber member) in the same manner as in the third and fourth embodiments, thereby completing the ink jet head 201.
[0251]
  Also in this embodiment, the crystal orientation of the piezoelectric layer 62 is aligned with the (001) plane as in the third embodiment, and this enables a large piezoelectric displacement (displacement amount) to be obtained. In addition, variations in piezoelectric displacement characteristics among a plurality of ink ejection elements 202 can be suppressed.
[0252]
  Any material may be used for the first electrode layer 61, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 as long as they are described in the first embodiment, and the vibration layer 65 is used in the above-described embodiment. Any material described in 3 may be used. Further, the thicknesses of these layers may be in the ranges described in the first and third embodiments.
[0253]
  Here, the inkjet head 201 having 150 ink ejection elements 202 having the same shape is actually manufactured by the manufacturing method described above, and the variation in the vibration amplitude in the layer thickness direction of the vibration layer 65 is the same as in the third embodiment. As a result, it was found that the variation σ was extremely small at 2.0%.
[0254]
  (Embodiment 6)
  18 shows an actuator portion B of an ink ejection element 202 in still another inkjet head 201 according to the embodiment of the present invention (note that the same parts as those in FIG. In contrast to the embodiment shown in FIG. 16 (Embodiment 5), an orientation control layer 69 is disposed between the first electrode layer 61 and the piezoelectric layer 62 as in Embodiments 2 and 4 above. The other structure is the same as that shown in FIG.
[0255]
  That is, in this embodiment, the vibration layer 65 is provided on the pressure chamber substrate 70 in which the pressure chamber opening 71 is formed, and the first electrode layer 61 is provided on the vibration layer 65. An orientation control layer 69 is provided on the electrode layer 61, a piezoelectric layer 62 is provided on the orientation control layer 69, and a second electrode layer 63 is provided on the piezoelectric layer 62. The first electrode layer 61, the orientation control layer 69, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 constitute a piezoelectric element in which these are sequentially laminated. Further, the vibration layer 65 is provided on the surface of the piezoelectric element on the first electrode layer 61 side. In addition, an adhesion layer that improves adhesion between the vibration layer 65 and the first electrode layer 61 may be provided between the vibration layer 65 and the first electrode layer 61. This adhesion layer may also be made of one selected from the group consisting of titanium, tantalum and molybdenum.
[0256]
  Similar to the piezoelectric layer 62 and the second electrode layer 63, the orientation control layer 69 is also individualized so as to exist only above the portion of the pressure chamber substrate 70 where the pressure chamber opening 71 is formed. ing.
[0257]
  Next, a method for manufacturing the ink jet head will be described with reference to FIG.
[0258]
  That is, as in the second embodiment (or 5), the vibration layer 65, the first electrode layer 61, the orientation control layer 69, and the piezoelectric layer are formed on the surface of the pressure chamber substrate 70 made of silicon having a thickness of 0.3 mm. 62 and the second electrode layer 63 are sequentially deposited by sputtering (see FIG. 19A).
[0259]
  The vibration layer 65 is obtained in the same manner as the method described in the fifth embodiment. The first electrode layer 61, the orientation control layer 69, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 are obtained in the same manner as described in the second embodiment.
[0260]
  Subsequently, in the same manner as in the fifth embodiment, the pressure chamber substrate 70 is covered with the other portion to form the pressure chamber opening 71 on the surface of the pressure chamber substrate 70 opposite to the formation surface of the laminated film composed of the layers. In this manner, a photoresist resin film 66 is applied in a pattern (see FIG. 19B), and then dry etching is performed to form a pressure chamber opening 71 in the pressure chamber substrate 70 (see FIG. 19C).
[0261]
  Then, as in the fifth embodiment, the photoresist resin film 66 is removed (see FIG. 19D), and then on the second electrode layer 63 (a portion directly above the pressure chamber opening 71). Next, a photoresist resin film 67 is formed in an elliptical pattern (see FIG. 19E).
[0262]
  Next, as in the fifth embodiment, dry etching is performed, and the orientation control layer 69, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer are individually separated into an elliptic pattern having the same shape as the photoresist resin film 67. 63 is obtained (see FIG. 19F).
[0263]
  Subsequently, as in the fifth embodiment, the oval photoresist resin film 67 is removed, and a polyimide resin coating film is formed around the individual laminated film. Curing is performed at a temperature to form an electrically insulating organic film 64 made of polyimide resin (see FIG. 19G), and then an extraction electrode 75 is formed on the electrically insulating organic film 64 (see FIG. 19H). Thus, the actuator part B in which the pressure chamber substrate 70 is integrated is completed.
[0264]
  Then, the ink flow path component and the nozzle plate are bonded to the pressure chamber substrate 70 (pressure chamber member) in the same manner as in the fifth embodiment, and thus the ink jet head 201 is completed.
[0265]
  Also in this embodiment, the crystal orientation of the piezoelectric layer 62 is aligned with the (001) plane, as in the fourth embodiment, so that a large piezoelectric displacement (displacement amount) can be obtained. In addition, variations in piezoelectric displacement characteristics among a plurality of ink ejection elements 202 can be suppressed.
[0266]
  The first electrode layer 61, the orientation control layer 69, the piezoelectric layer 62, and the second electrode layer 63 may be any material described in the second embodiment, and the vibration layer 65 may be used. Any of the materials described in Embodiment 3 may be used. Further, the thickness of each of these layers may be in the range described in the second and third embodiments.
[0267]
  Here, the inkjet head 201 having 150 ink ejection elements 202 having the same shape is actually manufactured by the manufacturing method described above, and the variation in the vibration amplitude in the layer thickness direction of the vibration layer 65 is the same as in the third embodiment. As a result, the variation σ was found to be extremely small at 2.3%.
[0268]
  (Embodiment 7)
  FIG. 20 shows an ink jet recording apparatus 81 according to an embodiment of the present invention, and this ink jet recording apparatus 81 includes an ink jet head 201 similar to any one of the above third to sixth embodiments. In the ink jet head 201, the ink in the pressure chamber is transferred from the nozzle hole (nozzle hole 38 described in the third embodiment) provided to communicate with the pressure chamber (the pressure chamber 32 described in the third embodiment). Recording is performed by ejecting and landing on (recording paper or the like).
[0269]
  The inkjet head 201 is mounted on a carriage 84 provided on a carriage shaft 83 extending in the main scanning direction x, and reciprocates in the main scanning direction x as the carriage 84 reciprocates along the carriage shaft 83. It is configured to move. Thus, the carriage 83 constitutes a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 201 and the recording medium 82 in the main scanning direction x.
[0270]
  The ink jet recording apparatus 81 includes a plurality of rollers 85 that move the recording medium 82 in the sub scanning direction y substantially perpendicular to the main scanning direction x (width direction) of the ink jet head 201. Thus, the plurality of rollers 85 constitute a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 201 and the recording medium 82 in the sub-scanning direction y. In FIG. 20, z is the vertical direction.
[0271]
  When the ink jet head 201 is moved in the main scanning direction x by the carriage 84, ink is ejected from the nozzle holes of the ink jet head 201 to the recording medium 82. The recording medium 82 is moved by a predetermined amount to perform the next one-scan recording.
[0272]
  As described above, the ink jet recording apparatus 81 uses the ink jet head 201 according to any one of the above embodiments 3 to 6 that can easily control the ink discharge variation among the plurality of ink discharge elements 202. With this configuration, it is possible to reduce the variation in recording on the recording medium 82 such as paper, so that the reliability can be improved.
[0273]
  (Embodiment 8)
  21 and 22 show an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention. This angular velocity sensor is of a tuning fork type and is preferably used for a navigation device or the like mounted on a vehicle.
[0274]
  The angular velocity sensor includes a substrate 500 made of a silicon wafer having a thickness of 0.3 mm (a glass substrate, a metal substrate, or a ceramic substrate may be used). The substrate 500 includes a fixed portion 500a and a pair of vibrating portions 500b extending from the fixed portion 500a in a predetermined direction (a direction in which the rotation center axis of the detected angular velocity extends; in the present embodiment, the y direction shown in FIG. 21). have. The fixed portion 500a and the pair of vibrating portions 500b have a tuning fork shape when viewed from the thickness direction of the substrate 500 (z direction shown in FIG. 21), and the pair of vibrating portions 500b correspond to the arm portions of the tuning fork. , And extend in parallel with each other in a state of being arranged in the width direction of the vibration part 500b.
[0275]
  A first electrode layer 503, an orientation control layer 504, a piezoelectric layer 505, and a second electrode layer 506 are sequentially stacked on the vibration part 500 b and the vibration part side portion of the fixed part 500 a of the substrate 500. ing. In this angular velocity sensor as well, it is preferable to provide an adhesion layer between the substrate 500 and the first electrode layer 503, as in the piezoelectric element in the modification of the second embodiment.
[0276]
  The constituent materials and thicknesses of the first electrode layer 503, the orientation control layer 504, the piezoelectric layer 505, and the second electrode layer 506 are the same as those of the first electrode layer 2 and the orientation control layer 11 described in the second embodiment. The same applies to the piezoelectric layer 3 and the second electrode layer 4. The structures of the orientation control layer 504 and the piezoelectric layer 505 are the same as those of the orientation control layer 15 and the piezoelectric layer 16, respectively, and the vicinity of the surface of the orientation control layer 504 on the first electrode layer 503 side is (100 ) Plane or (001) plane oriented region exists on the metal (such as cobalt) located on the surface portion of the first electrode layer 503 on the orientation control layer 504 side, and the region in a cross section perpendicular to the layer thickness direction. Has a structure in which the area increases from the first electrode layer 503 side toward the piezoelectric layer 505 side.
[0277]
  The second electrode layer 506 includes two drive electrodes 507 for vibrating the vibration part 500b in the width direction of the vibration part 500b (the x direction shown in FIG. 21) on each vibration part 500b, and the vibration. It is patterned into one detection electrode 508 for detecting deformation (deflection) in the thickness direction (z direction) of the portion 500b.
[0278]
  The two drive electrodes 507 are provided over the entire length direction (y direction) of the vibration part 500b on both ends in the width direction (x direction) of the vibration part 500b, and the fixing part 500a of each drive electrode 507 is provided. The end on the side is located on the fixed portion 500a and constitutes a connection terminal 507a. Note that only one drive electrode 507 may be provided on one end in the width direction of each vibration part 500b.
[0279]
  On the other hand, the detection electrode 508 is provided over the entire length direction of the vibration part 500b on the central part in the width direction of the vibration part 500b, and, similar to the drive electrode 507, the detection electrode 508 is fixed to the fixed part 500a side. These end portions are located on the fixed portion 500a to constitute the connection terminal 508a. A plurality of detection electrodes 508 may be provided on each vibration part 500b.
[0280]
  The first electrode layer 503 has a connection terminal 503a that protrudes on the opposite side of the vibration part 500b at the center position between the pair of vibration parts 500b on the fixed part 500a.
[0281]
  Between the first electrode layer 503 and the two drive electrodes 507 on each vibration part 500b, a frequency that resonates with the natural vibration of the vibration part 500b so that the vibration part 500b vibrates in the width direction. The voltage is applied. That is, a ground voltage is applied to the first electrode layer 503, while voltages having opposite signs to each other are applied to the two drive electrodes 507, whereby one end portion in the width direction of each vibration unit 500b. When the side extends, the other end side contracts and the vibrating part 500b is deformed to the other end side. On the other hand, when the width direction one end part side of each vibration part 500b contracts, the other end part side is extended, and the vibration part 500b is deformed to the one end part side. By repeating this operation alternately, the vibration part 500b vibrates in the width direction. Note that the vibrating section 500b can be vibrated in the width direction only by applying a voltage to one of the two drive electrodes 500b on each vibrating section 500b. The pair of vibration parts 500b are deformed in opposite directions in the width direction of each vibration part 500b, and are centered between the pair of vibration parts 500b and extend along the length line of the vibration part 500b. Oscillate symmetrically.
[0282]
  In the angular velocity sensor having the above configuration, when an angular velocity ω is applied around the center line L when the pair of vibrating portions 500b are vibrated symmetrically with respect to the center line L in the width direction (x direction), 2 The vibrating portion 500b is bent and deformed in the thickness direction (z direction) by the Coriolis force (the pair of vibrating portions 500b bend in the same direction in the opposite directions), thereby causing the piezoelectric layer 505 to bend. A voltage corresponding to the magnitude of the Coriolis force is generated between the first electrode layer 503 and the detection electrode 508. The angular velocity ω can be detected from the magnitude of this voltage (Coriolis force).
[0283]
  That is, the Coriolis force Fc is expressed as follows: v is the speed in the width direction of each vibration part 500b and m is the mass of each vibration part 500b.
  Fc = 2mvω
Therefore, the value of the angular velocity ω is known from the Coriolis force Fc.
[0284]
  Next, a method for manufacturing the angular velocity sensor will be described with reference to FIGS.
[0285]
  That is, as shown in FIG. 23A, a substrate 500 made of a φ4 inch silicon wafer having a thickness of 0.3 mm (see FIG. 24 for a plan view) is prepared. As shown in FIG. Further, the first electrode layer 503 is formed by a sputtering method under the same conditions as in the second embodiment.
[0286]
  Subsequently, as shown in FIG. 23C, an orientation control layer 504 is formed on the first electrode layer 503 by a sputtering method under the same conditions as in the second embodiment. As described in Embodiment 2 above, in the vicinity of the surface of the orientation control layer 504 on the first electrode layer 503 side, a region of (100) plane or (001) plane orientation exists on the titanium, and the layer thickness direction The area of the region in a cross section perpendicular to the first electrode layer 503 increases from the first electrode layer 503 side toward the upper side.
[0287]
  Next, as shown in FIG. 23D, a piezoelectric layer 505 is formed on the orientation control layer 504 by sputtering under the same conditions as in the second embodiment. As described in Embodiment 2 above, this piezoelectric layer 505 is rhombohedral and has a (001) plane orientation of 90% or more.
[0288]
  Subsequently, as shown in FIG. 23E, the second electrode layer 506 is formed on the piezoelectric layer 505 by the sputtering method under the same conditions as in the second embodiment.
[0289]
  Next, as shown in FIG. 23F and FIG. 24, the second electrode layer 506 is patterned to form the drive electrode 507 and the detection electrode 508. That is, a photosensitive resin is applied on the second electrode layer 506, the patterns of the drive electrode 507 and the detection electrode 508 are exposed to this photosensitive resin, and then the photosensitive resin in the unexposed portion is removed. The second electrode layer 506 in the portion where the photosensitive resin is removed is removed by etching, and then the photosensitive resin on the drive electrode 507 and the detection electrode 508 is removed.
[0290]
  After patterning the second electrode layer 506, the piezoelectric layer 505, the orientation control layer 504, and the first electrode layer 503 are patterned by the same process, and the substrate 500 is patterned to fix the fixed portion. 500a and the vibration part 500b are formed. Thus, the above angular velocity sensor is completed.
[0291]
  The film forming method for each layer is not limited to the sputtering method, but may be any film forming method (for example, CVD method) that directly forms a crystalline thin film without a crystallization step by heat treatment.
[0292]
  Here, a conventional angular velocity sensor will be described with reference to FIGS. 25 and 26. FIG.
[0293]
  This conventional angular velocity sensor includes a piezoelectric body 600 made of quartz having a thickness of 0.3 mm. The piezoelectric body 600 includes a fixed portion 600a and a fixed portion 600a, like the substrate 500 of the angular velocity sensor according to the present embodiment. It has a pair of vibrating parts 600b extending in parallel to one side (y direction shown in FIG. 25). Drive electrodes 603 for vibrating the vibrating portion 600b in the width direction (x direction shown in FIG. 25) are provided on both surfaces of the vibrating portion 600b facing each other in the thickness direction (z direction shown in FIG. 25). One detection electrode 607 for detecting deformation in the thickness direction of the vibration part 600b is provided on each side surface of each vibration part 600b.
[0294]
  In the conventional angular velocity sensor, a voltage having a frequency that resonates with the natural vibration of the vibrating portion 600b is applied between the two drive electrodes 603 in each vibrating portion 600b, and similarly to the angular velocity sensor according to the present embodiment. The pair of vibration parts 600b are vibrated symmetrically with respect to the center line L at the center between the pair of vibration parts 600b in the width direction (x direction). At this time, when an angular velocity ω is applied around the center line L, the pair of vibration parts 600b is deformed by bending in the thickness direction (z direction) by Coriolis force, and between the two detection electrodes 607 in each vibration part 600b. A voltage corresponding to the magnitude of the Coriolis force is generated, and the angular velocity ω can be detected from the magnitude of this voltage (Coriolis force).
[0295]
  In the conventional angular velocity sensor, since the piezoelectric body 600 made of quartz is used, its piezoelectric constant is as low as −3 pC / N, and since the fixed portion 600a and the vibrating portion 600b are formed by machining, it is difficult to reduce the size. There is a problem that the dimensional accuracy is low.
[0296]
  On the other hand, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the portion for detecting the angular velocity (vibrating unit 500b) is composed of a piezoelectric element having the same configuration as that of the second embodiment. The piezoelectric constant can be increased to about 40 times that of the angular velocity sensor, and a considerable reduction in size can be achieved. Further, fine processing can be performed using a thin film forming technique, and the dimensional accuracy can be significantly improved. Furthermore, even in mass production industrially, the reproducibility of characteristics is good, there is little variation, and the withstand voltage and reliability are excellent.
[0297]
  In the angular velocity sensor according to this embodiment, the materials for the first electrode layer 503, the orientation control layer 504, the piezoelectric layer 505, and the second electrode layer 506 are the same as those described in the second embodiment. Any of them may be used. Even if the orientation control layer 504 is eliminated as in the first embodiment, a high-performance angular velocity sensor can be obtained.
[0298]
  Further, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, only one pair of the vibrating parts 500b is provided on the substrate 500, but a plurality of sets may be provided to detect angular velocities around a plurality of axes extending in various directions. Good.
[0299]
  Furthermore, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, the first electrode layer 503, the orientation control layer 504, the piezoelectric layer 505, and the second layer are formed on the vibration part 500 b and the fixed part 500 a of the substrate 500 on the vibration part side. The electrode layers 506 are stacked in order, but the positions where these layers are stacked may be only on the vibrating portions 500b.
[0300]
  In addition, in the above embodiment, the piezoelectric element of the present invention is applied to an ink jet head (ink jet recording apparatus) and an angular velocity sensor. In addition to this, a thin film capacitor, a charge storage capacitor of a nonvolatile memory element, and various actuators , Infrared sensor, ultrasonic sensor, pressure sensor, acceleration sensor, flow sensor, shock sensor, piezoelectric transformer, piezoelectric ignition element, piezoelectric speaker, piezoelectric microphone, piezoelectric filter, piezoelectric pickup, tuning fork oscillator, delay line, etc. Is possible. In particular, in a head support mechanism in which a head for recording or reproducing information on a disk that is rotationally driven in a disk device (used as a storage device of a computer) is provided on the substrate, the head support mechanism is provided on the substrate. The thin film piezoelectric element is suitable for a thin film piezoelectric actuator for a disk device (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-332041) in which a substrate is deformed by a thin film piezoelectric element to displace the head. That is, the thin film piezoelectric element is formed by sequentially laminating a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer having the same configuration as that described in the above embodiment. Two electrode layers are bonded to the substrate.
[0301]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the substrate also serves as the crystal orientation control layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper and a noble metal. 1 electrode layer, and this first electrode layerThe content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the case of more than 0 and not more than 26 mol%,A piezoelectric layer made of rhombohedral or tetragonal perovskite type oxide is provided on the first electrode layer, so that a direct crystallization process by heat treatment after film formation can be achieved. For example, a piezoelectric layer in which the crystal structure and the preferential orientation plane are controlled can be formed by, for example, a sputtering method, and by this, as in the sol-gel method, by a heat treatment that causes generation of cracks and characteristic variation The crystallization step can be eliminated. As a result, it is possible to provide a piezoelectric element with excellent reproducibility, variation, and reliability of piezoelectric characteristics, and an ink jet head and an angular velocity sensor having the piezoelectric element even when industrially mass-produced. In addition, it is possible to provide an ink jet type recording apparatus with little variation in ejection performance and high reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing the piezoelectric element of FIG. 1;
3 is a characteristic diagram showing the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer in the piezoelectric element of FIG. 1. FIG.
4 is a view corresponding to FIG. 3 in the piezoelectric element of Comparative Example 1. FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing another piezoelectric element according to the embodiment of the present invention.
6 is a process diagram showing a method for manufacturing the piezoelectric element of FIG. 5; FIG.
7 is a perspective view showing a modification of the piezoelectric element in FIG. 5. FIG.
8 is a process chart showing a method for manufacturing the piezoelectric element of FIG. 7. FIG.
9 is a view corresponding to FIG. 3 in the piezoelectric element of FIG. 5;
FIG. 10 is a schematic view showing an inkjet head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an exploded perspective view, partly broken away, showing an ink ejection element of the ink jet head of FIG.
12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG.
13 is a process diagram illustrating a method of manufacturing the ink jet head of FIG. 10;
FIG. 14 is a view corresponding to FIG. 12 showing a main part (actuator part) of another inkjet head according to the embodiment of the present invention.
15 is a process diagram illustrating a method of manufacturing the ink jet head of FIG. 14;
FIG. 16 is a view corresponding to FIG. 12 showing a main part (actuator part) of still another inkjet head according to the embodiment of the present invention.
17 is a process diagram illustrating a method of manufacturing the ink jet head of FIG. 16;
FIG. 18 is a view corresponding to FIG. 12 and showing a main part (actuator part) of still another inkjet head according to the embodiment of the present invention.
19 is a process chart showing a method for manufacturing the ink jet head of FIG. 18. FIG.
FIG. 20 is a schematic perspective view showing an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic perspective view showing an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
22 is a cross-sectional view taken along line XXII-XXII in FIG.
23 is a process chart showing a method for manufacturing the angular velocity sensor of FIG. 21. FIG.
24 is a plan view showing a state in which the second electrode layer is patterned in the manufacturing method of the angular velocity sensor of FIG. 21. FIG.
FIG. 25 is a schematic perspective view showing a conventional angular velocity sensor using a crystal.
26 is a cross-sectional view taken along line XXVI-XXVI in FIG.
[Explanation of symbols]
  1 Substrate
  2 First electrode layer
  3 Piezoelectric layer
  4 Second electrode layer
  11 Orientation control layer
  14 Adhesive layer
  20 Piezoelectric element
  32 Pressure chamber
  33 First electrode layer (individual electrode)
  38 Nozzle holes
  41 Piezoelectric layer
  42 Second electrode layer (common electrode)
  43 Vibration layer
  46 Orientation control layer
  51 substrates
  61 1st electrode layer (common electrode)
  62 Piezoelectric layer
  63 Second electrode layer (individual electrode)
  65 Vibration layer
  69 Orientation control layer
  70 Pressure chamber substrate (pressure chamber member)
  81 Inkjet recording apparatus
  82 Recording media
  84 Carriage (relative movement means)
  201 Ink Jet Head
  500 substrates
  500a fixed part
  500b Vibration part
  503 1st electrode layer
  504 Orientation control layer
  505 Piezoelectric layer
  506 Second electrode layer
  507 Drive electrode
  508 Detection electrode
  A Pressure chamber member
  B Actuator

Claims (26)

第1の電極層と、該第1の電極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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とする圧電素子。
A piezoelectric element comprising a first electrode layer, a piezoelectric layer provided on the first electrode layer, and a second electrode layer provided on the piezoelectric layer,
The first electrode layer is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;
The piezoelectric element is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項記載の圧電素子において、
第1の電極層は、基板上に設けられており、
上記基板と第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
上記基板は、シリコン基板、ガラス基板、金属基板及びセラミックス基板のうちのいずれか1つからなることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1 , wherein
The first electrode layer is provided on the substrate,
An adhesion layer is provided between the substrate and the first electrode layer to enhance adhesion between the substrate and the first electrode layer ,
The piezoelectric element is characterized in that the substrate is made of any one of a silicon substrate, a glass substrate, a metal substrate, and a ceramic substrate .
請求項記載の圧電素子において、
密着層は、チタン、タンタル及びモリブデンの群から選ばれた一種からなることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 2 , wherein
The adhesion layer is made of one selected from the group consisting of titanium, tantalum, and molybdenum.
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の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とする圧電素子。
In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3 ,
An orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer. A piezoelectric element characterized by the above.
請求項記載の圧電素子において、
配向制御層は、チタン酸ランタン鉛又はチタン酸ランタン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ことを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 4 , wherein
The orientation control layer is made of lead lanthanum titanate or lead lanthanum titanate to which at least one of magnesium and manganese is added.
請求項記載の圧電素子において、
配向制御層は、ストロンチウムを含むペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 4 , wherein
The orientation control layer is made of a perovskite oxide containing strontium.
請求項記載の圧電素子において、
配向制御層は、チタン酸ストロンチウムを含有していることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 6 .
The orientation control layer contains a strontium titanate piezoelectric element.
請求項1〜のいずれか1つに記載の圧電素子において、
第1の電極層における貴金属が、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種であることを特徴とする圧電素子。
In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7 ,
A piezoelectric element, wherein the noble metal in the first electrode layer is at least one selected from the group consisting of platinum, iridium, palladium, and ruthenium.
第1の電極層と圧電体層と第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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とするインクジェットヘッド。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated; a vibration layer provided on a surface of the piezoelectric element on the second electrode layer side; A pressure chamber member having a pressure chamber which is bonded to a surface opposite to the piezoelectric element and contains ink, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An inkjet head configured to eject ink in a pressure chamber,
The first electrode layer of the piezoelectric element is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less;
The inkjet head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項記載のインクジェットヘッドにおいて、
圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
The inkjet head according to claim 9 , wherein
An orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An ink jet head characterized by comprising:
第1の電極層と圧電体層と第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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とするインクジェットヘッド。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated; a vibration layer provided on a surface of the piezoelectric element on the first electrode layer side; A pressure chamber member having a pressure chamber that is bonded to a surface opposite to the piezoelectric element and that stores ink, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An inkjet head configured to eject ink in a pressure chamber,
The first electrode layer of the piezoelectric element is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;
The ink jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項11記載のインクジェットヘッドにおいて、
圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
The inkjet head according to claim 11 , wherein
An orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An ink jet head characterized by comprising:
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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とする角速度センサ。
A substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion, and a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer on at least each vibrating portion of the substrate Are stacked in order, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part, and deformation in the thickness direction of the vibration part. An angular velocity sensor patterned with at least one detection electrode for detecting
The first electrode layer is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;
2. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項13記載の角速度センサにおいて、
第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 13 .
An orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane is provided between the first electrode layer and the piezoelectric layer. An angular velocity sensor.
基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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み、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering;
Look including a step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer,
Production of a piezoelectric element, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol% Method.
基板上に、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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み、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer by a sputtering method;
Look including a step of forming a second electrode layer on the piezoelectric layer,
Production of a piezoelectric element, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less Method.
第1の電極層と圧電体層と第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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下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。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked; and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element to A method of manufacturing an ink jet head configured to eject the ink of
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
Forming a vibration layer on the second electrode layer;
Bonding a pressure chamber member for forming a pressure chamber to a surface of the vibration layer opposite to the second electrode layer;
After the bonding step, seen including a step of removing the substrate,
Production of an ink jet head, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下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。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An inkjet head manufacturing method configured to discharge ink in a pressure chamber,
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer by a sputtering method;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
Forming a vibration layer on the second electrode layer;
Bonding a pressure chamber member for forming a pressure chamber to a surface of the vibration layer opposite to the second electrode layer;
After the bonding step, seen including a step of removing the substrate,
Production of an ink jet head, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
第1の電極層と圧電体層と第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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下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。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked; and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element to A method of manufacturing an ink jet head configured to eject the ink of
Forming a vibration layer on a pressure chamber substrate for forming the pressure chamber;
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper and a noble metal on the vibration layer by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
To the pressure chamber substrate, seen including a step of forming a pressure chamber,
Production of an ink jet head, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下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。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially stacked, and the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element. An inkjet head manufacturing method configured to discharge ink in a pressure chamber,
Forming a vibration layer on a pressure chamber substrate for forming the pressure chamber;
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese, and copper and a noble metal on the vibration layer by a sputtering method;
Forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer by a sputtering method;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
To the pressure chamber substrate, seen including a step of forming a pressure chamber,
Production of an ink jet head, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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、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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であることを特徴とする角速度センサの製造方法。
A substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion, and a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer on at least each vibrating portion of the substrate Are stacked in order, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part, and deformation in the thickness direction of the vibration part. A method of manufacturing an angular velocity sensor patterned on at least one detection electrode for detecting
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the first electrode layer by sputtering;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
Patterning the second electrode layer to form the drive electrode and the detection electrode;
Patterning the piezoelectric layer and the first electrode layer;
The substrate pattern - by training saw including a step of forming the fixed portion and the vibrating portion,
The production of an angular velocity sensor, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
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、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなる第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(100)面又は(001)面に優先配向した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(001)面に優先配向した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、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であることを特徴とする角速度センサの製造方法。
A substrate having a fixed portion and at least a pair of vibrating portions extending in a predetermined direction from the fixed portion, and a first electrode layer, an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a first layer on at least each vibrating portion of the substrate. Two electrode layers are sequentially stacked, and the second electrode layer on each vibration part has at least one drive electrode for vibrating the vibration part in the width direction of the vibration part, and the vibration part A method of manufacturing an angular velocity sensor patterned on at least one detection electrode for detecting deformation in the thickness direction,
Forming a first electrode layer made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper on a substrate by a sputtering method;
Forming an orientation control layer made of a perovskite oxide preferentially oriented on a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane on the first electrode layer by a sputtering method;
Forming a piezoelectric layer made of a perovskite oxide preferentially oriented in the rhombohedral or tetragonal (001) plane on the orientation control layer by a sputtering method;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric layer;
Patterning the second electrode layer to form the drive electrode and the detection electrode;
Patterning the piezoelectric layer, the orientation control layer and the first electrode layer;
The substrate pattern - by training saw including a step of forming the fixed portion and the vibrating portion,
The production of an angular velocity sensor, wherein the content of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less. Method.
第1の電極層と圧電体層と第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有しかつ記録媒体に対して相対移動可能に構成されたインクジェットヘッドを備え、該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ける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、該圧力室に連通するノズル孔から上記記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されたインクジェット式記録装置であって、
上記インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とするインクジェット式記録装置。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated; a vibration layer provided on a surface of the piezoelectric element on the second electrode layer side; An inkjet head having a pressure chamber member bonded to a surface opposite to the piezoelectric element and having a pressure chamber for containing ink and configured to be movable relative to a recording medium, the inkjet head recording When moving relative to the medium, the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the ink jet head, and the ink in the pressure chamber communicates with the pressure chamber. An ink jet recording apparatus configured to perform recording by discharging the nozzle holes to the recording medium,
The first electrode layer of the piezoelectric element in the inkjet head is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and not more than 26 mol%;
2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項23記載のインクジェット式記録装置において、
インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
The ink jet recording apparatus according to claim 23 ,
An orientation control layer comprising a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane between a first electrode layer and a piezoelectric layer of a piezoelectric element in an inkjet head An ink jet recording apparatus comprising:
第1の電極層と圧電体層と第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有しかつ記録媒体に対して相対移動可能に構成されたインクジェットヘッドを備え、該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ける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、該圧力室に連通するノズル孔から上記記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されたインクジェット式記録装置であって、
上記インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層は、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属と貴金属との合金からなり、
上記第1の電極層におけるコバルト、ニッケル、鉄、マンガン及び銅の群から選ばれた少なくとも1種の金属の含有量が、0を越え26モル%以下であり、
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ることを特徴とするインクジェット式記録装置。
A piezoelectric element in which a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated; a vibration layer provided on a surface of the piezoelectric element on the first electrode layer side; An inkjet head having a pressure chamber member bonded to a surface opposite to the piezoelectric element and having a pressure chamber for containing ink and configured to be movable relative to a recording medium, the inkjet head recording When moving relative to the medium, the vibration layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer of the piezoelectric element in the ink jet head, and the ink in the pressure chamber communicates with the pressure chamber. An ink jet recording apparatus configured to perform recording by discharging the nozzle holes to the recording medium,
The first electrode layer of the piezoelectric element in the inkjet head is made of an alloy of at least one metal selected from the group consisting of cobalt, nickel, iron, manganese and copper and a noble metal,
The content of at least one metal selected from the group of cobalt, nickel, iron, manganese and copper in the first electrode layer is more than 0 and 26 mol% or less;
2. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a perovskite oxide preferentially oriented in a rhombohedral or tetragonal (001) plane.
請求項25記載のインクジェット式記録装置において、
インクジェットヘッドにおける圧電素子の第1の電極層と圧電体層との間に、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からなる配向制御層が設けられていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
The ink jet recording apparatus according to claim 25 ,
An orientation control layer comprising a perovskite oxide preferentially oriented in a cubic or tetragonal (100) plane or (001) plane between a first electrode layer and a piezoelectric layer of a piezoelectric element in an inkjet head An ink jet recording apparatus comprising:
JP2003117954A 2002-06-20 2003-04-23 Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus Expired - Fee Related JP4451610B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003117954A JP4451610B2 (en) 2002-06-20 2003-04-23 Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002180273 2002-06-20
JP2002180292 2002-06-20
JP2003117954A JP4451610B2 (en) 2002-06-20 2003-04-23 Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004079991A JP2004079991A (en) 2004-03-11
JP4451610B2 true JP4451610B2 (en) 2010-04-14

Family

ID=32034056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003117954A Expired - Fee Related JP4451610B2 (en) 2002-06-20 2003-04-23 Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4451610B2 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7193756B2 (en) 2003-11-26 2007-03-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric element, method for fabricating the same, inkjet head, method for fabricating the same, and inkjet recording apparatus
US7530676B2 (en) 2004-03-05 2009-05-12 Panasonic Corporation Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, methods for manufacturing them and inkjet recording device
JP4599510B2 (en) * 2005-02-22 2010-12-15 独立行政法人産業技術総合研究所 Piezoelectric vibration type inertial sensor and manufacturing method thereof
JP5160452B2 (en) * 2007-01-09 2013-03-13 株式会社アルバック Multilayer film forming method and multilayer film forming apparatus
JP2008252071A (en) 2007-03-06 2008-10-16 Fujifilm Corp Piezoelectric device, method for manufacturing the same, and liquid discharge device
JP5164244B2 (en) * 2007-03-13 2013-03-21 富士フイルム株式会社 Piezoelectric actuator, liquid discharge head, image forming apparatus, and method of manufacturing piezoelectric actuator
JP5326699B2 (en) * 2008-03-26 2013-10-30 Tdk株式会社 Dielectric element and manufacturing method thereof
JP2010014618A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Alps Electric Co Ltd Angular-velocity sensor and manufacturing method therefor
JP5353651B2 (en) * 2009-11-16 2013-11-27 ソニー株式会社 Manufacturing method of angular velocity sensor
JP6210188B2 (en) * 2012-03-26 2017-10-11 セイコーエプソン株式会社 Piezoelectric element, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, ultrasonic device, filter and sensor, and method for manufacturing piezoelectric element
JP7107782B2 (en) * 2017-09-06 2022-07-27 ローム株式会社 Piezoelectric element
DE102019220126B4 (en) * 2019-12-19 2022-01-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Movable piezo element and method of manufacturing a movable piezo element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004079991A (en) 2004-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1376711B1 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus
KR100581257B1 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and ink-jet type recording apparatus
US7312558B2 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, and ink jet recording apparatus
US6969157B2 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus
KR101046829B1 (en) Piezoelectric element, its manufacturing method, inkjet head, inkjet recording apparatus and angular velocity sensor provided with the piezoelectric element
US7530676B2 (en) Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, methods for manufacturing them and inkjet recording device
JP2005333108A (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular rate sensor, and ink jet type recording device
CN102272963B (en) Piezoelectric thin film, inkjet head, method for forming image using inkjet head, angular velocity sensor, method for determining angular velocity using angular velocity sensor, piezoelectric electricity-generating element, and method for generating electricity by using the piezoelectric electricity-generating element
CN101490316A (en) Piezoelectric substance, piezoelectric element, and liquid discharge head and liquid discharge apparatus using piezoelectric element
JP4451610B2 (en) Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and inkjet recording apparatus
JP2004186646A (en) Piezoelectric element, ink jet head, method of manufacturing them, and ink jet-type recording device
JP2005119166A (en) Piezoelectric element, inkjet head, method of manufacturing the same, and inkjet recorder
JP2004235599A (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, and their manufacturing methods, and ink jet type recording apparatus
JP2003188429A (en) Piezoelectric element, ink delivering element and ink-jet type recorder
JP2003188428A (en) Piezoelectric element, ink delivering element and ink-jet type recorder

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051116

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090929

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090930

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091127

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100105

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100128

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4451610

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130205

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130205

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140205

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees