JP4844750B2 - 圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンター - Google Patents

圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンター Download PDF

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Description

本発明は、圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターに関する。
強誘電体層を含む圧電素子は、アクチュエータとして機能することができるため、インクジェットプリンターの液体噴射ヘッドやジャイロセンサ等、幅広く応用することができる。たとえば液体噴射ヘッドとして圧電素子を利用する場合には、強誘電体膜の変位量を大きくすることが、液体噴射量の増加につながる。また圧電素子は、強誘電体層を下部電極と上部電極とが挟むキャパシタ構造を有する。このようなキャパシタ構造を高密度で配列することにより、高画質な画像を印刷することができる。
一方で、変位量が大きく高密度な圧電素子を製造する際には、高精度な成膜工程およびパターニング工程が必要不可欠であるが、これらの工程において強誘電体層がダメージを受けリーク電流が増加することがあった。このようなリーク電流を抑制するために、たとえば特許文献1は、バリア層を設けることにより、誘電体膜を保護することを開示している。
特開2003−243625号公報
本発明の目的は、変位量が良好であり、かつリーク電流を抑制することができる圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供することにある。
本発明にかかる圧電素子は、
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方であって、前記基体の一部の領域の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成された上部電極と、
を含み、
前記強誘電体層の側面と、前記基体の上面とによってなされる角の角度θは、45°〜75°である。
本発明にかかる圧電素子において、
前記強誘電体層は、前記下部電極の一部の領域の上方にのみ形成されていることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記強誘電体層の側面と、前記下部電極の上面とによってなされる角の角度θは、45°〜75°であることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
少なくとも前記強誘電体層の側面を覆う保護膜をさらに含むことができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記保護膜は、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムからなることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記強誘電体層は、前記基体の上面および前記下部電極の上面に接して形成され、
前記下部電極の端部は、強誘電体層に覆われており、
強誘電体層の側面と基体の上面とによってなされる角の角度θと、強誘電体層の側面と下部電極の上面とによってなされる角の角度θは、ともに45°〜75°であることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記角度θと前記角度θは、θ>θであることができる。
本発明にかかる圧電素子において、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むことができる。
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述したいずれかの圧電素子を含む。
本発明にかかるインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドを含む。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
1.圧電素子
本実施の形態にかかる圧電素子100について説明する。図1は、本実施の形態にかかる圧電素子100を模式的に示す断面図である。本実施の形態にかかる圧電素子100は、基体10と、下部電極30と、強誘電体層40と、上部電極50とを含む。下部電極30、強誘電体層40、および上部電極50によってキャパシタ構造部60が形成される。
基体10は、基板であってもよいし、基板上に単層膜または多層膜が形成されたものであってもよい。基体10は、たとえば、シリコン層および酸化シリコンや酸化ジルコニウム等の無機酸化物層を含むことができる。また基体10は、弾性板として機能する層を含んでもよい。
下部電極30は、基体10の上面の少なくとも一部の領域に形成されている。強誘電体層40は、下部電極30の上面の少なくとも一部の領域に形成されている。具体的には図1に示すように、強誘電体層40は、端部が下部電極30の上面に位置するように、形成されている。この端部において、強誘電体層40の側面と下部電極30の上面とによってなされる傾斜角θは、45°〜75°であることが好ましい。
この傾斜角θを45°未満にすると、強誘電体層40の変位量が不十分になってしまい、傾斜角θを75°より大きくすると、リーク電流を抑制できなくなるからである。その詳細については、実験例において後述する。
上部電極50は、強誘電体層40の上方に形成されている。上部電極50の端部において、強誘電体層40の上面と上部電極50の側面とによってなされる傾斜角は、上述した傾斜角θと同様であってもよいし、傾斜角θより大きい角度を有していてもよい。
下部電極30の材質としては、特に限定されないが、たとえばニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(たとえば酸化イリジウムなど)、SrRuOやLaNiOといった複合酸化物など、を用いることができる。また、下部電極30は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
強誘電体層40の材質としては、たとえば一般式ABO(Aは、Pbを含み、Bは、ZrおよびTiを含む。)で示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。これらのうち、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(PZTN)などは、良好な圧電特性を示す材料として好適である。また、バリウム、スロトンチウム、チタンの複合酸化物(BST)やスロトンチウム、ビスマス、タンタルの複合酸化物(SBT)などは強誘電性を示す材料として好適である。
上部電極50の材質としては、特に限定されないが、たとえばニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(たとえば酸化イリジウムなど)、SrRuOやLaNiOといった複合酸化物など、を用いることができる。また、上部電極50は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
2.圧電素子の製造方法
次に、本実施の形態にかかる圧電素子100の製造方法について説明する。図2および図3は、本実施の形態にかかる圧電素子100の製造方法を示す図である。
(1)まず、基体10を準備する。次いで、基体10上に、下部電極層30aを形成する(図2参照)。下部電極層30aの形成は、スパッタ法、真空蒸着、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの公知の方法でおこなうことができる。たとえば、下部電極層30aは、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば100nm〜300nmの厚みに形成することができる。
(2)次に、下部電極層30a上に、強誘電体層40aを形成する(図2参照)。強誘電体層40aは、ゾル−ゲル法、有機金属熱塗布分解法(MOD法)等の液相法やスパッタ法、アブレーション法、CVD法等の気相法などを用いて形成される。強誘電体層40aの材質は、上述したように、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物とすることができる。すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTという)は、圧電性能が良好なため、強誘電体層40aの材質として好適である。たとえば、ゾル−ゲル法を用いる場合には、Pb、Zr、およびTiをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を基体10上に塗布し、その後、乾燥工程および脱脂工程、および結晶化工程を経ることにより、強誘電体層40aを形成することができる。以上の一連の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の強誘電体層40aを得ることができる。強誘電体層40aの膜厚は、たとえば50nm〜1500nmであることができる。
(3)次に強誘電体層40a上に、上部電極層50aを形成する。上部電極層50aの形成は、スパッタ法、真空蒸着、CVD法、めっき法などの公知の方法でおこなうことができる。たとえば、上部電極層50aは、材質を白金またはイリジウムなどの金属の他、LaNiO3やSrRuO3などの酸化物電極を用いることができるとし、スパッタ法により、たとえば20nm〜300nmの厚みに形成することができる。以上の工程により、下部電極層30a、強誘電体層40a、および上部電極層50aを含む積層体を得ることができる。
(4)次に、下部電極層30a、強誘電体層40a、および上部電極層50aをパターニングする。パターニング方法の一例を以下に説明する。
まず上部電極層50aの上に所定の形状を有するレジスト層R1を形成する。レジスト層R1は、公知のフォトリソグラフィー技術により得られる(図3参照)。リソグラフィーは、たとえばコンタクトアライナやプロジェクションアライナを用いて行うことができる。
次に、レジスト層R1をマスクとして、少なくとも上部電極層50aと強誘電体層40aとをドライエッチングする(図4参照。ここでは、上部電極層50a、強誘電体層40a、必要に応じて下部電極層30aをエッチングする。本実施の形態では、上部電極層50aおよび強誘電体層40aのみをエッチングしている。エッチングの方法としては、ドライエッチングを適用するのが好ましく、なかでも反応性イオンエッチングを適用することがより好ましい。例えば、上部電極層50aのパターニングの際にはハロゲンガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、強誘電体層40aのパターニングの際にはハロゲンガスとフロンガスの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、強誘電体層のエッチングレートとレジスト層のエッチングレートの比(レジスト選択比=強誘電体層のエッチングレート/レジスト層のエッチングレート)を調整することにより、所望の傾斜角を形成することができる。例えば、強誘電体層にPZTを1um、レジスト膜厚を2umとした場合、レジスト選択比が1.0の条件では、傾斜角は55度になる。これよりもレジスト選択比が大きければ傾斜角は50度以上となり、逆に小さければ50度以下となる。また、レジスト膜厚を増加させれば傾斜角は大きくなる。
次に、レジスト層R1を除去する。レジスト層R1は、酸素プラズマを用いたアッシングによって除去される。アッシングは、公知の方法で行うことができる。
以上の工程により、強誘電体層40aおよび上部電極層50aをパターニングすることができる(図1参照)。なお、下部電極層30aは、上述したように、パターニングしなくてもよいし、強誘電体層40aおよび上部電極層50aとは異なる平面形状にパターニングしてもよい。下部電極層30aを、強誘電体層40aおよび上部電極層50aと異なる形状にパターニングする場合には、レジスト層の形成工程、ドライエッチング工程、およびアッシング工程を複数回行う。
このようにして、下部電極30、強誘電体層40、および上部電極50からなるキャパシタ構造部60を形成することができる。
以上の工程により、本実施の形態にかかる圧電素子100を形成することができる。本実施の形態にかかる圧電素子100の製造方法によれば、強誘電体層40の端部の傾斜角の角度θを45°〜75°に容易に制御することができる。
3.変形例
次に本実施の形態にかかる変形例について説明する。
3.1.第1の変形例
第1の変形例にかかる圧電素子200は、キャパシタ構造部60を覆う保護膜70をさらに含む点で、上述した圧電素子100と異なる。
図4は、第1の変形例にかかる圧電素子200を模式的に示す断面図である。第1の変形例にかかる圧電素子200は、基体10と、下部電極30と、強誘電体層40と、上部電極50と、保護膜70とを含む。
基体10、下部電極30、強誘電体層40、および上部電極50の構造、材質、および製造方法については、上述したとおりであるので、説明を省略する。
保護膜70は、少なくとも強誘電体層40の露出面を覆っていればよく、図4に示すように、キャパシタ構造部60の全体を覆っていてもよい。また保護膜70は、上部電極50または下部電極30とのコンタクトをとるために貫通穴等を有していてもよいし、所定の形状にパターニングされていてもよい。
保護膜70は、強誘電体層40の結晶を保護する機能を有し、たとえば水素による酸素欠損や水分によって圧電特性が劣化するのを抑制することができる。保護膜70の材質としては、例えば、酸化シリコン、窒化チタン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコン等を用いることができ、特に酸化シリコンおよび酸化アルミニウムを好適に用いることができる。
次に第1の変形例にかかる圧電素子200の製造方法を説明する。まず、圧電素子100の製造方法と同様の方法により基体10上にキャパシタ構造部60を形成する。
次いで、基体10側にRFバイアスを印加したプラズマ処理を行うことにより、強誘電体層40の側面(露出面)にプラズマを接触させる。図5は、本工程において、強誘電体層40の露出面にプラズマが接触する様子を模式的に示している。
プラズマ処理のプラズマは、発生方法に制限はなく、二極放電型、マグネトロン放電型、無電極放電型などの公知の方法で発生させることができる。また、プラズマ処理にヘリコン波プラズマや誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma)(ICP)を用いることは、高密度のプラズマであるためより好適である。プラズマ処理は、基体10側にRFバイアスを印加して行われる。基体10側のRFバイアスがわずかでも印加されていれば好適なプラズマ処理を行うことができる。基体10側にRFバイアスが印加されることで、基体10側へのプラズマ粒子の引き込みが生じる。
また、チャンバに導入してプラズマとするガスとしては、強誘電体層40のエッチングが優先して生じないようなガスが好ましい。具体的には、プラズマのソースガスとしては、酸素、窒素、一酸化二窒素、三フッ化窒素、ネオン、アルゴン、四フッ化炭素などが好適である。これらの中でも酸素(O)、窒素(N)、一酸化二窒素(NO)、ネオン(Ne)は、強誘電体層40のエッチング効果が小さくさらに好適である。
このように、キャパシタ構造部60の形成後にプラズマ処理を行うことにより、強誘電体層40の露出面を良好な状態にすることができる。たとえば、キャパシタ構造部60の製造工程におけるドライエッチングによって、電極材料等の残渣が強誘電体層40の露出面に付着していることがある。このような残渣をプラズマ処理により除去することができる。また、ドライエッチングによって、強誘電体層40の結晶に酸素欠損が生じている場合には、このプラズマ処理によって、結晶状態を修復することができる。また、ドライエッチング工程による電荷の蓄積を解消することも可能である。このようにして、強誘電体層40の露出面の良好な状態に修復し、リーク電流の抑制を図ることができる。
また、図5に示すように、強誘電体層40の傾斜角θが75°以下であることによって、基体10方向に引き込まれているプラズマ粒子を、強誘電体層40の側面により多く接触させることができ、プラズマ処理による修復効果を向上させることができ、ひいては、リーク電流の抑制効果を向上させることができる。
次に、キャパシタ構造部60を覆う保護膜70を形成する(図4参照)。保護膜70の成膜方法としては、公知の方法を用いることができ、たとえばスパッタ法またはCVD法を用いることができる。保護膜70の形成は、上述したプラズマ処理の直後に行うことが好ましい。これにより、キャパシタ構造部60の表面が劣化する前に保護することができるため、圧電素子200の特性の劣化を防止することができる。
また、保護膜70の形成前にプラズマ処理を行うことにより、保護膜70の成膜工程で受けるダメージを防止することができる。これにより、圧電素子200においてリーク電流が生じるのを抑制することができる。
3.2.第2の変形例
第1の変形例にかかる圧電素子300は、強誘電体層42の一部が下部電極32の形成領域以外の領域に形成されている点で、上述した圧電素子100と異なる。
図6は、第3の変形例にかかる圧電素子300を模式的に示す断面図である。第2の変形例にかかる圧電素子300は、基体10と、下部電極32と、強誘電体層42と、上部電極50とを含む。下部電極32は、所定の形状にパターニングされており、その端部の一部は、強誘電体層42に覆われている。
強誘電体層42は、基体10および下部電極32の上に形成されている。強誘電体層42の端部において、強誘電体層42の側面と基体10の上面とによってなされる傾斜角の角度θと、強誘電体層42の側面と下部電極32の上面とによってなされる傾斜角の角度θは、ともに45°〜75°であり、θ>θであることが好ましい。即ち、下部電極32の露出部の近傍における強誘電体層42の傾斜角の角度θを小さくすることにより、第1の変形例において上述したプラズマ処理において、下部電極32の露出部の近傍における強誘電体層42の側面に、プラズマ粒子を多く接触させることができ、下部電極32と上部電極50との導通が原因のリーク電流を効率的に低減し、かつ、電流リークのない領域の角度θを大きくすることによって、キャパシタの高密度化を図ることができる。
基体10、下部電極32、強誘電体層42、および上部電極50の他の構造、材質は、上述したとおりである。製造方法は、上述とほぼ同じである。角度をθ>θにする方法として、例えば、レジストの露光において、フォーカスを下部電極32が形成されていない領域に合わせる。この領域と下部電極32が形成されている領域では段差がついているので(図6参照)下部電極32が形成されている領域ではレジストがデフォーカスされて形成される。この場合、レジスト露光のフォーカスがあっている領域(下地に下部電極が形成されていない領域)のレジスト層の端部での傾斜角は90度に近くなるが、デフォーカスされている領域(下地に下部電極が形成されている領域)のレジスト層の傾斜角は、これより小さくなる。この傾斜角の差に応じて、この後に行われるエッチングにより形成される強誘電体層の傾斜角もθ>θとなる。
4.実験例
本実施の形態にかかる圧電素子100を備えたインクジェット式ヘッドのサンプルを作製した。このとき、基体10は、シリコン層520および酸化シリコン層14からなる基板11と、圧力発生室521と、ノズルプレート510と、酸化ジルコニウムからなる弾性体層20とを有する。下部電極30および上部電極50の材質としては、白金を用い、強誘電体層40の材質としては、PZTを用いた。基板11の厚さは、1000nmであり、弾性体層20の厚さは、400nmであり、下部電極30の厚さは、200nmであり、強誘電体層40の厚さは、1100nmであり、上部電極の厚さは、50nmであった。また強誘電体層40の幅は、39μmであり、インクジェット式ヘッドのキャビティ幅は55μm、キャビティ長は0.57mmであった。
インクジェット式ヘッドは、強誘電体膜40の傾斜角の角度θが、35°、45°、65°、85°のサンプルを作製した。
そして、各インクジェット式ヘッドを用いてキャビティの変位量を測定した。その結果を図7に示す。図7において、横軸は傾斜角θ(°)を示し、縦軸は変位量を示す。なお、図7においては、角度θが35°のサンプルの変位量を100として、他のサンプルの測定値を規格化した値を示す。
図7によれば、θが大きくなるにつれて変位量が増大し、θが45°以上において特に良好な特性が得られた。また、θが75°より大きくなると、θが大きくなっても変位量にはほとんど変化がなかった。以上の結果から、圧電素子は、θが45°〜75°の範囲の傾斜角を有することによって、傾斜角に応じた良好な変位量を得ることができることが確認された。
5.インクジェット式記録ヘッド
次に、圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図9は、図4に示した圧電素子200を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図9は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図9は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
インクジェット式記録ヘッド(以下、「ヘッド」ともいう)500は、図8に示すように、ヘッド本体542と、ヘッド本体542の上に設けられた圧電部540と、を備える。なお、図8に示した圧電部540は、下部電極30、強誘電体層40、および上部電極50を含む。また、圧電部540は、必要に応じて保護膜70を含んでもよい。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子200は、圧電アクチュエータとして機能することができる。圧電アクチュエータとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。
ヘッド本体542は、圧電素子200における基体10に対応し、酸化物層14と、基板520と、ノズルプレート510と、弾性体層20とを含む。基板520を下方からエッチングすることによって、圧力発生室521が得られる。酸化物層14および弾性体層20は、弾性膜として機能することができる。
すなわち、ヘッド500は、図9に示すようにノズル板510と、インク室基板520と、弾性膜550と、弾性膜550に接合された圧電部(振動源)540とを備え、これらが基体560に収納されて構成されている。なお、このヘッド500は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
ノズル板510は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル511を一列に形成したものである。これらノズル511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
ノズル板510には、インク室基板520が固着(固定)されている。インク室基板520は、上述の基板2によって形成されたものである。インク室基板520は、ノズル板510、側壁(隔壁)522、および後述する弾性膜550によって、複数のキャビティ(インクキャビティー)521と、リザーバ523と、供給口524と、を区画形成したものである。リザーバ523は、インクカートリッジ631(図10参照)から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口524によって、リザーバ523から各キャビティ521にインクが供給される。
キャビティ521は、図9に示すように、各ノズル511に対応して配設されている。キャビティ521は、後述する弾性膜550の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティ521は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
インク室基板520のノズル板510と反対の側には弾性膜550が配設されている。さらに弾性膜550のインク室基板520と反対の側には複数の圧電部540が設けられている。弾性膜550の所定位置には、図9に示すように、弾性膜550の厚さ方向に貫通して連通孔531が形成されている。連通孔531により、後述するインクカートリッジ631からリザーバ523へのインクの供給がなされる。
各圧電部540は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各圧電部540はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエーター)として機能する。弾性膜550は、圧電部540の振動(たわみ)によって振動し(たわみ)、キャビティー521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
基体560は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図9に示すように、この基体560にインク室基板520が固定、支持されている。
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド500によれば、上述したように、圧電部540にクラックが発生しにくいため信頼性が高く、良好な圧電特性を有し、効率的なインクの吐出が可能となっている。したがって、ノズル511の高密度化などが可能となり、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
6.インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド500を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図10は、本発明のインクジェットプリンター600を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図10中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
インクジェットプリンター600は、装置本体620を備えており、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。
装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を備えた印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。
印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642とを備えている。
ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数のノズル511を備えるインクジェット式記録ヘッド500と、このインクジェット式記録ヘッド500にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド500およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。
往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド500から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。
本実施の形態にかかるインクジェットプリンター600によれば、信頼性が高く高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド500を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
なお、本発明のインクジェットプリンター600は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
7.上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
また、上述した実施形態に係る圧電素子は、アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンターの他に、たとえばジャイロセンサ等のジャイロ素子、FBAR(film bulk acoustic resonator)型やSMR(solid mounted resonator)型等のBAW(bulk acoustic wave)フィルタ、超音波モータなどに適用されることができる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、上述したように良好な圧電特性を有し、信頼性が高いため、各種の用途に好適に適用できる。
本実施の形態にかかる圧電素子100模式的に示す断面図である。 本実施の形態にかかる圧電素子100の製造方法を説明するための模式図である。 本実施の形態にかかる圧電素子100の製造方法を説明するための模式図である。 第1の変形例にかかる圧電素子200を模式的に示す断面図である。 第1の変形例にかかる圧電素子200の製造方法を説明するための模式図である。 第2の変形例にかかる圧電素子300を模式的に示す断面図である。 実験例における変位量の測定結果を示す図である。 本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略断面図である。 本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。 本実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図である。
符号の説明
10 基体、12 シリコン層、14 酸化物層、20 弾性体層、30 下部電極、30a 下部電極層、40、40a 強誘電体層、50 上部電極、50a 上部電極層、60 キャパシタ構造部、70 保護膜、100 圧電素子、200 圧電素子、300 圧電素子、500 インクジェット式記録ヘッド、510 ノズル板、511 ノズル、520 インク室基板、521 キャビティ、522 側壁、523 リザーバ、524 供給口、531 連通孔、540 圧電アクチュエータ、542 ヘッド本体、550 弾性板、560 基体、600 インクジェットプリンター、620 装置本体、621 トレイ、622 排出口、630 ヘッドユニット、631 インクカートリッジ、632 キャリッジ、640 印刷装置、641 キャリッジモータ、642 往復動機構、643 キャリッジガイド軸、644 タイミングベルト、650 給紙装置、651 給紙モータ、652 給紙ローラ、660 制御部、670 操作パネル

Claims (4)

  1. 基体と、
    前記基体の上方に形成された下部電極と、
    前記下部電極の上方に形成された強誘電体層と、
    前記強誘電体層の上方に形成された上部電極と、
    を含み、
    前記強誘電体層の厚さが50nm〜1500nmであって、
    前記強誘電体層は、前記基体の上面および前記下部電極の上面に接して形成され、
    前記下部電極の端部は、強誘電体層に覆われており、
    前記強誘電体層の側面と前記基体の上面とによってなされる角の角度θ と、前記強誘電体層の側面と前記下部電極の上面とによってなされる角の角度θ は、ともに65°〜75°であり、
    前記角度θ と前記角度θ は、θ >θ である、圧電素子。
  2. 請求項1において、
    前記強誘電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を含む、圧電素子。
  3. 請求項1及び2のいずれかに記載の圧電素子を含む、インクジェット式記録ヘッド。
  4. 請求項3に記載のインクジェット式記録ヘッドを含む、インクジェットプリンター。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5844026B2 (ja) * 2008-03-21 2016-01-13 富士フイルム株式会社 圧電素子の製造方法
JP2010100035A (ja) * 2008-09-29 2010-05-06 Seiko Epson Corp 圧電素子、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置
JP2010192721A (ja) * 2009-02-19 2010-09-02 Fujifilm Corp 圧電素子とその製造方法、及び液体吐出装置
JP5398315B2 (ja) 2009-03-13 2014-01-29 富士フイルム株式会社 圧電素子及びその製造方法並びにインクジェットヘッド
JP2011018723A (ja) * 2009-07-08 2011-01-27 Seiko Epson Corp 圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、並びに、液体噴射装置
JP5626512B2 (ja) 2010-04-27 2014-11-19 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子
JP5822057B2 (ja) * 2010-07-08 2015-11-24 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置
WO2012014278A1 (ja) * 2010-07-27 2012-02-02 株式会社ユーテック ポーリング処理方法、プラズマポーリング装置、圧電体及びその製造方法
JP5510162B2 (ja) * 2010-07-30 2014-06-04 日立金属株式会社 圧電体薄膜ウェハの製造方法、圧電体薄膜素子、及び圧電体薄膜デバイス
JP5541129B2 (ja) * 2010-12-09 2014-07-09 株式会社リコー インクジェット装置
JP2013149646A (ja) * 2012-01-17 2013-08-01 Seiko Epson Corp 圧電素子の製造方法および液体噴射装置の製造方法
JP5934539B2 (ja) * 2012-03-28 2016-06-15 日本碍子株式会社 圧電/電歪膜型素子
JP6008347B2 (ja) * 2012-04-05 2016-10-19 ローム株式会社 インクジェットプリントヘッドおよびその製造方法
US20150042210A1 (en) 2012-06-26 2015-02-12 Honda Electronics Co., Ltd. Electromechanical transformation device and method for manufacturing the same
WO2016002971A1 (ja) * 2014-07-04 2016-01-07 セイコーエプソン株式会社 超音波センサー
JP6368214B2 (ja) * 2014-10-03 2018-08-01 太陽誘電株式会社 弾性波デバイス
US9660603B2 (en) * 2015-04-09 2017-05-23 Texas Instruments Incorporated Sloped termination in molybdenum layers and method of fabricating
WO2017090445A1 (ja) * 2015-11-24 2017-06-01 コニカミノルタ株式会社 圧電素子、圧電素子の製造方法、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ
EP3961734A4 (en) * 2019-04-24 2023-06-28 Rohm Co., Ltd. Piezoelectric film utilization device
US20220371880A1 (en) * 2021-05-19 2022-11-24 Microsoft Technology Licensing, Llc Piezoelectric actuator stack with tapered sidewall

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4680595A (en) * 1985-11-06 1987-07-14 Pitney Bowes Inc. Impulse ink jet print head and method of making same
JPH1154717A (ja) * 1997-08-06 1999-02-26 Sanyo Electric Co Ltd 誘電体素子の製造方法
JP3387380B2 (ja) * 1997-09-02 2003-03-17 セイコーエプソン株式会社 インクジェット式記録ヘッド
JP3249481B2 (ja) * 1998-11-13 2002-01-21 株式会社東芝 半導体装置及びその製造方法
JP2000085124A (ja) * 1998-09-14 2000-03-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd インクジェットヘッド及びその製造方法
JP4665282B2 (ja) * 2000-02-18 2011-04-06 エプソントヨコム株式会社 Atカット水晶振動子
JP3846271B2 (ja) * 2001-11-05 2006-11-15 松下電器産業株式会社 薄膜圧電体素子およびその製造方法
JP2003243625A (ja) 2002-02-19 2003-08-29 Seiko Epson Corp 強誘電体メモリ装置およびその製造方法
JP2003298022A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Seiko Epson Corp 強誘電体メモリ及びその製造方法
JP4535246B2 (ja) * 2003-06-25 2010-09-01 セイコーエプソン株式会社 アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置
JP4373949B2 (ja) * 2004-04-20 2009-11-25 株式会社東芝 薄膜圧電共振器及びその製造方法
JP4280198B2 (ja) * 2004-04-30 2009-06-17 株式会社東芝 薄膜圧電共振器
JP2006019935A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Toshiba Corp 薄膜圧電共振器及びその製造方法
DE102004059965A1 (de) * 2004-12-13 2006-06-14 Epcos Ag Dünnschichtresonator und Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements
JP2006224348A (ja) * 2005-02-15 2006-08-31 Seiko Epson Corp 圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP4435049B2 (ja) * 2005-08-08 2010-03-17 株式会社東芝 薄膜圧電共振器及びその製造方法
JP2007059705A (ja) * 2005-08-25 2007-03-08 Seiko Epson Corp キャパシタおよびその製造方法、強誘電体メモリ装置の製造方法、アクチュエータの製造方法、並びに、液体噴射ヘッドの製造方法
JP2007281031A (ja) * 2006-04-03 2007-10-25 Seiko Epson Corp アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置
JP4321618B2 (ja) * 2007-03-29 2009-08-26 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド及びその製造方法

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