JP5696424B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子 - Google Patents

液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子 Download PDF

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Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。
アクチュエーター装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電
材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、第1電極と第2電極との2つの
電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子を有するアクチュエーター装置
は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエーター装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッ
ド等に搭載されて使用されている。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴
を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電
素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させ
るインクジェット式記録ヘッド等がある。
このようなインクジェット式記録ヘッドの圧電素子としては、最上層に位置しイリジウ
ム(Ir)を含む第一層と、次層に位置し白金(Pt)を含む第二層とを少なくとも備え
た下部電極を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−274472号公報
特許文献1に記載された圧電体素子は、圧電体薄膜の所定の配向度を安定して再現性良
く得ることにより、安定した圧電特性を得ている。しかしながら、このような圧電素子に
おいて、安定すると同時に、より高い圧電特性、即ち圧電変位量の向上が求められている
このような問題は液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子だけなく、他の装置に搭載され
る圧電素子においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、より圧電特性が高い圧電素子を
用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置、並びにより圧電特性が高い圧電素子を提供する
ことを目的とする。
本発明の液体噴射ヘッドは、第1電極膜と第2電極膜との間に圧電体層が設けられた圧
電素子を具備し、前記第1電極膜は、白金を主成分とした(111)面に優先配向したも
のであり、菱面体晶系の結晶構造を有することを特徴とする。このような菱面体晶系の結
晶構造を有する第1電極膜は、結晶性が高いため、導電率が高く、電圧損失が低いため、
圧電素子の圧電特性が向上する。従って、液体噴射ヘッドの液体噴射特性が向上する。
本発明の好ましい実施態様としては、前記第1電極膜の(111)面における結晶面間隔が2.251〜2.262Åであることが挙げられる。なお、本発明における結晶面間隔は、第1電極膜を構成する各結晶の結晶面間隔の平均値をいう。
ここで、前記圧電体層は、一般式がABOで示されるペロブスカイト構造を有するこ
とが好ましい。このような圧電体層を結晶性の高い第1電極膜上に形成することで、圧電
体層の結晶性が向上し、より圧電素子の圧電特性を向上することができる。
前記第1電極膜と前記圧電体層との間に、イリジウム(Ir)を主成分とする膜が形成
されていることが好ましい。イリジウム(Ir)を主成分とする膜が形成されていること
で、圧電体層が(100)面により結晶性良く配向しやすく、好ましい圧電特性を有する
圧電素子を得ることができる。
本発明の液体噴射装置は、前記したいずれかの液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とす
る。圧電特性の高い圧電素子を有する液体噴射ヘッドを備えていることから、本発明の液
体噴射装置は、液体噴射特性が高い。
本発明の圧電素子は、第1電極膜と第2電極膜との間に圧電体層が設けられてなり、前
記第1電極膜は、白金を主成分とした(111)面に優先配向したものであり、菱面体晶
系の結晶構造を有することを特徴とする。このような菱面体晶系の結晶構造を有する第1
電極膜は結晶性が高いため、導電率が高く、電圧損失が低い。従って、本発明の圧電素子
は、圧電特性が向上している。
実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施例の測定結果を示すグラフである。 実施例の測定結果を示すグラフである。 インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘ
ッドの分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。インク
ジェット式記録ヘッドIの流路形成基板10は、表面の結晶面方位が(110)面のシリ
コン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化膜からなる弾性膜50が形成されている
流路形成基板10には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁1
1によって区画された圧力発生室12がその幅方向(短手方向)に並設されている。また
、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向一端部側には、インク供給路14と連通
路15とが隔壁11によって区画されている。また、連通路15の一端には、各圧力発生
室12の共通のインク室(液体室)となるリザーバー100の一部を構成する連通部13
が形成されている。
インク供給路14は、圧力発生室12の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室12
より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路14は、リザーバー
100と各圧力発生室12との間の圧力発生室12側の流路を幅方向に絞ることで、圧力
発生室12の幅より小さい幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入す
るインクの流路抵抗を一定に保持している。
すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12と、圧力発生室12の短手方向の断
面積より小さい断面積を有するインク供給路14と、このインク供給路14に連通すると
共にインク供給路14の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路15とから
なる液体流路が複数の隔壁11により区画されて設けられている。
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反
対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や
熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラ
スセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
一方、このような流路形成基板10のノズルプレート20とは反対側の面には、上述し
たように、厚さが例えば約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、
厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成されている。
さらに、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.2μmの第1電極膜60と、
厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの第2電
極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されている。絶縁体膜55と第1電極膜60
との間には、絶縁体膜55と第1電極膜60との密着性を高めるための密着層61が設け
られており、また、第1電極膜60と圧電体層70との間には、層間での金属の拡散を防
止するために拡散防止層62が設けられている。圧電素子300は、少なくともこれらの
第1電極膜60と圧電体層70と第2電極膜80とを備えているものであり、本実施形態
では、さらに拡散防止層62も備えている。
第1電極膜60は、白金を主成分とした導電性の膜であり、(111)面に優先配向し
たものである。ここで、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面
がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、主成分とは、膜から検出される強度が
最も高い金属元素をいい、各膜に含まれる主成分の状態は特に限定されず、それぞれ単一
の金属の状態、合金の状態、金属間化合物の状態、金属酸化物などのその他の化合物の状
態などであってもよい。
このように(111)面に優先配向している第1電極膜60は、通常の白金が面心立方
系であるのに対し、菱面体晶系である。これは、本実施形態における第1電極膜60が厚
さ方向に収縮されているからであり、厚さ方向に収縮されることで、通常の白金が面心立
方系であるのに対して(111)面方向に収縮された菱面体晶系となっているものである
。即ち、このような第1電極膜60の膜厚方向の(111)面における結晶面間隔(以下
、単に(111)面間隔ともいう)は、バルクの白金の(111)面間隔(2.27Å)
よりも短い2.262Å以下であるように厚さ方向に収縮されている。このように収縮さ
れることにより、本実施形態の第1電極膜60は、(111)方向への可動域が小さくな
り、そのため結晶構造が面心立方である白金よりも結晶性が高い。第1電極膜60の結晶
性が向上することにより、第1電極膜60の導電性が向上して、電圧損失を減少させるこ
とができる。
また、圧電体層70は、第1電極膜60上に後述するように圧電材料を結晶成長させて
形成するので、第1電極膜60の結晶性が高いことにより圧電体層70の結晶性も向上さ
せることができる。従って、このように結晶性が高い第1電極膜60を形成することで、
圧電素子300の圧電特性を向上させることができる。なお、このような第1電極膜60
の(111)面間隔は、2.242Å以上であることが好ましい。2.242Å未満であ
ると、歪みが1%以上となりクラックが入りやすいからである。なお、上述したように第
1電極膜60の膜厚方向の(111)面における結晶面間隔が2.262Å以下であるこ
とで、結晶性がより向上する。
密着層61は、例えば、厚さが5〜20nmのチタン(Ti)、クロム(Cr)、タン
タル(Ta)、ジルコニウム(Zr)及びタングステン(W)からなる群から選択される
少なくとも一つの元素を主成分とするものが挙げられ、Ti及びZrのいずれかが好まし
い。本実施形態では、密着層61として、厚さ20nmのチタン(Ti)膜を設けた。こ
のように第1電極膜60と絶縁体膜55との間に密着層61を設けることによって、絶縁
体膜55と第1電極膜60との密着力を高めることができる。
拡散防止層62は、後の工程で圧電体層70を焼成して結晶化させて形成する際に、密
着層61の成分が圧電体層70に拡散するのを防止すると共に圧電体層70の成分が第1
電極膜60に拡散するのを防止するためのものである。このような拡散防止層62として
は、厚さが10〜50nmのイリジウム(Ir)、パラジウム(Pb)、ロジウム(Rh
)、ルテニウム(Ru)及びオスミウム(Os)からなる群から選択される少なくとも一
つの元素を主成分とするものが挙げられる。本実施形態では、拡散防止層62として、イ
リジウムを主成分とした酸化イリジウム膜(例えば、厚さ20nmのIrO膜)を用い
た。IrO膜等のイリジウムを主成分とした酸化イリジウム膜を用いることで、圧電体
層70が(100)面により結晶性良く配向しやすく、この場合、より高い圧電特性を得
ることができる。
圧電体層70は、本実施形態では、(100)面に優先配向したチタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)からなる。本実施形態では、圧電体層70は、結晶性の高い第1電極膜60上
の酸化イリジウムからなる拡散防止層62上に形成されているので、結晶性が高く、圧電
特性に優れている。なお、本実施形態において圧電体層70は(100)面に優先配向し
たものとしているが、(111)面に優先配向したものであってもよい。
この圧電体層70は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に限定されるものではなく一般
式がABOで表されるペロブスカイト型構造のものであればよい。例えば、チタン酸ジ
ルコン酸鉛(PZT)にニオブ、ニッケル又はマグネシウム等の金属を添加したものや、
ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O)又は、マグネシウ
ムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O)等も用い
ることができる。また、さらにタングステン(W)、ナトリウム(Na)、カリウム(K
)、タンタル(Ta)、ストロンチウム(Sr)などが添加されていてもよい。なお、圧
電体層70は、本実施形態のように、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むものであること
が好ましい。これらを含むことで、本実施形態の圧電体層70は好適な電気機械変換素子
として駆動するからである。
また、各圧電素子300の第2電極膜80には、流路形成基板10のインク供給路14
の端部近傍から絶縁体膜55上まで延設される金(Au)等のリード電極90がそれぞれ
接続されている。このリード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加さ
れ、圧電素子300が変位するように構成されている。この圧電素子300と当該圧電素
子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせたものがアクチュエーター装置であ
る。なお、流路形成基板10に振動板となる弾性膜50や絶縁体膜55を形成せずに、直
接第1電極膜60を形成してもよい。リード電極90は、保護基板30に設けられた貫通
孔33に露出する。
流路形成基板10の圧電素子300側の面には、保護基板30が接着剤等の接着層を介
して接合されている。保護基板30には、連通部13に対向する領域に連通部13と連通
されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバー100を構成するリザーバー
部31が設けられている。
また、保護基板30には、圧電素子300に対向する領域に、圧電素子300を保護す
るための圧電素子保持部32が設けられている。なお、圧電素子保持部32は、圧電素子
300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても
、密封されていなくてもよい。
なお、本実施形態では、流路形成基板10の連通部13と保護基板30のリザーバー部
31とがリザーバー100を構成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、流
路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバー部31の
みをリザーバーとしてもよい。また、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを
設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶
縁体膜55等)にリザーバーと各圧力発生室12とを連通するインク供給路を設けるよう
にしてもよい。
また、保護基板30上には、圧電素子300を駆動するための駆動回路120が実装さ
れている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等
を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とはボンディングワイ
ヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
また、保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基
板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からな
り、この封止膜41によってリザーバー部31の一方面が封止されている。また、固定板
42は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板42のリザーバー100に対向す
る領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバー100
の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部インク供
給手段からインクを取り込み、リザーバー100からノズル開口21に至るまで内部をイ
ンクで満たした後、駆動回路120からの駆動信号に従い、圧電素子300を駆動させ、
弾性膜50、絶縁体膜55、第1電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることに
より、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出される。
(製造方法)
以下、図3〜図6を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法に
ついて説明する。図3〜図6は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を
説明するための要部断面図である。
まず、図3(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー11
0を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン
膜52を形成する。
次いで、図3(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜52)上に、酸化ジ
ルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。具体的には、弾性膜50(二酸化シリコン
膜52)上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム(Zr)層を形成後、このジル
コニウム層を、例えば、熱酸化することにより酸化ジルコニウム(ZrO)からなる絶
縁体膜55を形成する。
次いで、図3(c)に示すように、密着層形成膜63、白金膜64及び拡散防止層形成
膜65をこの順で形成する。具体的には、まず、絶縁体膜55上に、密着層形成膜63を
形成する。密着層形成膜63としては、例えば、DCマグネトロンスパッタリング法によ
りTiからなる膜を形成する。密着層形成膜63は、後工程により加熱されて密着層61
となる。
次いで、密着層形成膜63上に白金(Pt)からなり厚さが50〜500nmの白金膜
64を形成する。本実施形態では、白金膜64を130nmの厚さで形成した。このよう
な白金膜64は、例えば、DCマグネトロンスパッタリング装置により形成することがで
きる。本実施形態では、この白金膜64を形成後、加熱工程を行って、白金膜64を厚さ
方向に収縮させることにより、白金を菱面体晶系とすることができ、所望の結晶性の高い
第1電極膜60とすることができる。
しかも、白金膜64を形成後に加熱工程を行って結晶性の高い第1電極膜60としてか
らその後の工程を行うことから、第1電極膜60上に形成される各膜の結晶性を高めるこ
とができる。即ち、本実施形態のように加熱工程を行わずに、例えば圧電体前駆体膜の乾
燥工程や脱脂工程における加熱を用いて白金膜を収縮して第1電極膜を形成するとすれば
、優れた結晶となる前の状態で圧電体膜の結晶化が開始されることになり、圧電体膜の結
晶成長において、配向にばらつきが生じることがある。従って、本実施形態のように、圧
電体膜72を形成する前に加熱工程を行い、所望の結晶性の高い第1電極膜60を形成す
ることが好ましいのである。
加熱工程においては、例えばホットプレートや、RTP装置などを用いて300℃以上
450℃未満で加熱することが挙げられる。300℃以上で加熱することで、結晶構造が
菱面体晶系である所望の第1電極膜60を得ることができる。なお、450℃以上で加熱
すると、熱応力が大きく基板の反りが発生しやすいので、好ましくない。
本実施形態ではスパッタリングによる形成後に加熱工程を行うことで所望の第1電極膜
60を得たが、成膜時の成膜レート、ターゲット基板間距離、成膜圧力及びアルゴン流量
などを適宜調整することによっても所望の第1電極膜60を得ることができる。例えば、
第1電極膜60を成膜する際の成膜圧力を大きくしたり、アルゴンガスの圧力を大きくす
ることによって、成膜された第1電極膜60の結晶構造を菱面体晶系とすることができる
。また、第1電極膜60の下地層となる密着層形成膜63により得られる密着層61の格
子定数や結晶粒径を制御してもよい。しかしながら、本実施形態のように別に加熱工程を
設けることで、簡易に、かつ、効率よく所望の第1電極膜60を得ることができる。
そして、第1電極膜60上に拡散防止層形成膜65を形成する。拡散防止層形成膜65
としては、例えば、Irからなる膜をDCマグネトロンスパッタリング法により形成する
ことができる。かかるIrからなる膜が後工程により酸化されることで、拡散防止層62
としてのIrO膜となる。
次いで、図3(d)に示すように、第1電極膜60上にチタン(Ti)からなり厚さが
1〜20nm、本実施形態では厚さが4nmのチタン層66を形成する。そして詳しくは
後述するが、第1電極膜60上にチタン層66を形成した後に、圧電体膜72の1層目を
形成した段階で、第1電極膜60と1層目の圧電体膜72とを側面が傾斜するように同時
にパターニングする。
このように第1電極膜60の上にチタン層66を設けることにより、後の工程で第1電
極膜60上にチタン層66を介して圧電体層70を形成する際に、圧電体層70の優先配
向方位を(100)に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層70
を得ることができる。なお、チタン層66は、圧電体層70が結晶化する際に、結晶化を
促進させるシードとして機能し、圧電体前駆体膜71の焼成時には圧電体層70内に拡散
するものである。
次に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成する。ここで、本
実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し
、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−
ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法
に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法等を用いてもよい。
圧電体層70の具体的な形成手順としては、まず、図4(a)に示すように、パターニ
ングする前のチタン層66上にPZT前駆体膜である圧電体前駆体膜71を成膜する。す
なわち、第1電極膜60が形成された流路形成基板10上に金属有機化合物を含むゾル(
溶液)を塗布する(塗布工程)。次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して
一定時間乾燥させる(乾燥工程)。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜71を10
0〜250℃で8〜30分保持することで乾燥することができる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによっ
て脱脂する(脱脂工程)。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜71を300〜40
0℃程度の温度に加熱して約10〜30分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱
脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO、CO、HO等
として離脱させることである。
次に、図4(b)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保
持することによって結晶化させ、圧電体膜72を形成する(焼成工程)。焼成工程では、
圧電体前駆体膜71を680〜900℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、68
0℃で5〜30分間加熱を行って圧電体前駆体膜71を焼成して圧電体膜72を形成した
。ここで、焼成工程における圧電体膜72の加熱方法は特に限定されないが、例えば、R
TA(Rapid Thermal Annealing)法等を用いて、昇温レートを比較的速くすることが好
ましい。例えば、本実施形態では、赤外線ランプの照射により加熱するRTP(Rapid Th
ermal Processing)装置を用いて、圧電体膜を比較的速い昇温レートで加熱した。
また、乾燥工程及び脱脂工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレート
や、RTP装置などを用いることができる。
そして、図4(c)に示すように、第1電極膜60上に圧電体膜72の1層目を形成し
た段階で、第1電極膜60及び1層目の圧電体膜72をそれらの側面が傾斜するように同
時にパターニングする。
そして、パターニング後に上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からな
る圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図4(d)に示すように複数層の圧電体膜
72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、ゾルの1回あたりの膜厚が0
.1μm程度の場合には、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1
.1μm程度となる。本実施形態では、白金膜64を形成後、加熱工程を行って得られた
結晶性の高い第1電極膜60上に圧電体層70を形成しているため、圧電体層70の結晶
性は向上している。
なお、上述のように圧電体膜72の1層目を形成した段階でこれらを同時にパターニン
グして、第1電極膜60及び1層目の圧電体膜72の側面を傾斜させることで、2層目以
降の圧電体前駆体膜71を形成する際の付き回りを向上することができる。これにより、
密着性及び信頼性に優れた圧電体層70を形成することができる。
そして、図4(a)〜図4(d)に示す工程によって圧電体層70を形成した後は、図
5(a)に示すように、例えば、イリジウム(Ir)からなる第2電極膜80を流路形成
基板用ウェハー110の全面に形成する。次いで、図5(b)に示すように、圧電体層7
0及び第2電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子
300を形成する。次に、リード電極90を形成する。具体的には、図5(c)に示すよ
うに、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリ
ード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介し
て各圧電素子300毎にパターニングすることで形成される。
その後、図6(a)に示すように、予めリザーバー部31、圧電素子保持部32等が形
成された保護基板用ウェハー130を、上記膜形成プロセス終了後の流路形成基板用ウェ
ハー110上に接着剤35によって接着する。次いで、図6(b)に示すように、流路形
成基板用ウェハー110を所望の厚さにし、その後、図6(c)に示すように、マスク5
6を形成してシリコン単結晶基板である流路形成基板用ウェハー110の異方性エッチン
グを行い、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15を形成する。
その後は、特に工程を図示しないが、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウ
ェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによっ
て除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反
対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板
用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110
等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって
、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
以下、実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。
(実施例1〜4)
上述した実施形態1と同様の製造方法により、シリコンウェハーからなる流路形成基板
用ウェハーを熱酸化することにより二酸化シリコン(SiO)からなる弾性膜50を形
成し、この弾性膜上に酸化ジルコニウム(ZrO)からなる絶縁体膜55を形成した。
そして、厚さが20nmのチタン(Ti)からなる密着層形成膜63と、厚さが130n
mの白金(Pt)からなる白金膜64とをこの順で積層して形成し、それぞれ加熱温度を
表1に記載するように設定して5分間加熱工程を行って、密着層61及び第1電極膜60
を形成した。その後、厚さが10nmのイリジウム(Ir)からなる拡散防止層形成膜6
5を形成した。さらに、拡散防止層上に厚さが4nmのチタン(Ti)からなるチタン層
66を形成した。
Figure 0005696424
得られた実施例1〜4について、第1電極膜60の(111)面の半価幅及び(111
)面の面間隔を、X線回折装置X’pertProMPDにより(管球:Cu Kα線、
スリット:DS 1/2°、ASS1°、ソーラースリット0.04rad、検出器:モ
ノクロメーター&PIXcel スペクトリス株式会社製)広角測定法で求めた。そして
、それぞれのばらつき低減率を調べ、これに基づいて面間隔のばらつきを評価した。なお
、ばらつき低減率は、比較データの半価幅から各実施例の半価幅を引いて、引いた値を比
較例の半価幅で割ってパーセント表示したものであり、数値が高いほどばらつきを低減で
きており、結果が良好であることを示す。ここで、比較データとは、一般的なバルク立方
晶の白金と同じ面間隔を有する薄膜のデータである。また、「半価幅」とは、X線回折広
角法により測定されたX線回折θ/2θチャートの各結晶面に相当するピーク強度の半価
での幅のことを言う。なお、半価幅と面間隔のばらつきとは略比例する関係にある。
加熱温度に対する第1電極膜60の(111)面間隔の結果を図7に、第1電極膜60
の(111)面間隔に対するばらつき低減率を示す結果を図8に示す。
図7に示すように、全ての実施例において、比較データとして記載したバルク立方晶の(111)面間隔の格子定数に比べて面間隔が狭く、菱面体晶系になっていることが分かった。具体的には、全ての実施例において(111)面間隔は2.251〜2.262Åとなっており、また、加熱温度が高くなるにつれ、面間隔は狭くなり、加熱温度400℃において、面間隔は約2.251Åとなった。また、図8に示すように、第1電極膜60の(111)面間隔は、狭くなるほど、ばらつき低減率が向上した。特に、加熱温度400℃において、ばらつき低減率は約17%となり、結晶のばらつきはかなり低減された。このように、加熱工程を行うことで、結晶構造のばらつきが抑制されて菱面体晶系の結晶性の高い第1電極膜60を得ていることが分かった。
従って、実施例1〜4によれば、加熱工程の温度を300℃以上とすることで、菱面体
晶系の第1電極膜60を得ることができ、かかる第1電極膜60は、結晶のばらつきが少
なく、結晶性が高いことが分かった。このように、本実施形態の第1電極膜60は結晶性
が高いことから、電圧損失が少なく、また、圧電体層の結晶性も高い。従って、圧電素子
300の圧電特性が向上する。
また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIは、インクカートリッジ等と連通す
るインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装
置IIに搭載される。図9は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である
図9に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び
1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、こ
の記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けら
れたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及
び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するも
のとしている。
そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を
介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキ
ャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5
に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙
等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになって
いる。
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上
述したものに限定されるものではない。上述した実施形態では、白金膜64を形成後に加
熱工程を行ったが、白金膜64の形成後、圧電体層70、即ち圧電体前駆体膜71の塗布
前に加熱工程を行えばよい。例えば、白金膜64を形成後、拡散防止層形成膜65を形成
し、その後、加熱工程を行って第1電極膜60及び拡散防止層62を形成してもよい。こ
の場合も、圧電体前駆体膜71は、第1電極膜60とともに結晶成長した拡散防止層62
上に形成することができるので、圧電体膜72の結晶性は高くなる。
また、上述した実施形態では、圧電体前駆体膜71を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成
して圧電体膜72を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆
体膜71を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、2回繰り返し行った後、焼成
することで圧電体膜72を形成するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、圧電体層70をゾル−ゲル法を用いて形成するようにし
たが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体層70をMOD法やスパッタリング法など
により形成するようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態では、密着層61、第1電極膜60及び拡散防止層62を用
いたが、特にこれに限定されず、例えば、密着層61と第1電極膜60との間に密着層が
白金層に拡散するのを防止して密着性を維持するための拡散防止層を形成するようにして
もよい。
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッ
ドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、イン
ク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その
他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記
録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、
有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極
材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載され
る圧電素子の製造方法に限られず、他の装置に搭載される圧電素子の製造方法にも適用す
ることができる。
I インクジェット式記録ヘッド、 II インクジェット式記録装置、 10 流路
形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズ
ルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 40 コンプライアンス基板、
60 第1電極膜、 61 密着層、 62 拡散防止層、 63 密着層形成膜、
65 拡散防止層形成膜、 66 チタン層、 70 圧電体層、 71 圧電体前駆体
膜、 72 圧電体膜、 80 第2電極膜、 90 リード電極、 300 圧電素子

Claims (6)

  1. 第1電極膜と第2電極膜との間に圧電体層が設けられた圧電素子を具備し、
    前記第1電極膜は、白金を主成分とした(111)面に優先配向したものであり、菱面体晶系の結晶構造を有することを特徴とする圧電素子
  2. 前記第1電極膜は、前記第1電極膜の(111)面における結晶面間隔が2.251〜2.262Åであることを特徴とする請求項1記載の圧電素子
  3. 前記圧電体層は、一般式がABO3で示されるペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項1又は2記載の圧電素子
  4. 前記第1電極膜と前記圧電体層との間に、イリジウム(Ir)を主成分とする膜が形成されていることを特徴とする請求項3記載の圧電素子
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド
  6. 請求項5に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。
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