JP5704309B2

JP5704309B2 - 圧電素子、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置

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Publication number: JP5704309B2
Application number: JP2010239318A
Authority: JP
Inventors: 英樹羽廣; 雅夫中山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012094613A

Description

本発明は、圧電素子、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置ならびに圧電素子の製造方法に関する。

圧電素子の厚みを薄くし高速駆動を可能にするため、薄膜技術を用いて製造できる圧電アクチュエーターやインクジェット式記録ヘッドが知られている。例えば、特許文献１には、薄膜技術を用いて製造できるインクジェット式記録ヘッドが記載されている。

特許文献１に記載のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子の圧電体層の側面を介した上部電極と下部電極との間でのリークパスが発生する可能性がある。

したがって、圧電体層の側面において、リークパスが発生しにくい圧電素子が期待されている。

特開平１０−２２６０７１号公報

本発明のいくつかの態様によれば、圧電体層の側面において、リークパスが発生しにくい圧電素子と、その製造方法、ならびに、この圧電素子を含む、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置を提供することができる。

（１）本発明の態様の１つである圧電素子は、
第１電極と、
前記第１電極の上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
を含み、
前記圧電体層の側面は、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に沿って延びる第１の溝が複数形成された第１の波状面と、前記第１の波状面よりも前記第２電極側に設けられ、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に沿って延びる第２の溝が複数形成された第２の波状面と、前記第１の波状面と前記第２の波状面との境界領域と、
を有し、
前記第１の溝の第１の間隔は、前記第２の溝の第２の間隔と異なる。

本発明において、「上」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明において、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上」という文言を用いている。同様に、「下」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。

本発明によれば、第１の溝の第１の間隔は、第２の溝の第２の間隔と異なる。これによれば、第１の波状面において複数の第１の溝が形成する山部と谷部の配置と、第２の波状面において複数の第２の溝が形成する山部と谷部の配置とが、境界領域において相対的に一致しにくくなる。したがって、第１電極と第２電極の間の圧電体層の側面において、連続したリークパスが形成されにくい圧電素子を提供することができる。

（２）本発明の態様の１つである圧電素子において、
前記第１および第２の間隔は、２０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲であってもよい。

（３）本発明の態様の１つである圧電素子において、
前記第１の波状面の前記基板に対する第１のテーパー角度は、前記第２の波状面の前記基板に対する第２のテーパー角度よりも小さくてもよい。

（４）本発明の態様の１つである圧電素子において、
少なくとも前記圧電体層の前記側面を覆う被覆膜を含んでいてもよい。

（５）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドは、
上記いずれかの圧電素子を含む。

本発明によれば、本発明の態様の１つである圧電素子を有する液滴噴射ヘッドを提供することができる。

（６）本発明の態様の１つである液滴噴射装置は、
上記の液滴噴射ヘッドを含む。

本発明によれば、本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドを有する液滴噴射装置を提供することができる。

（７）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上に第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記圧電体層および前記第２電極を形成する工程は、
前記第１電極の上に圧電体膜を形成し、前記圧電体膜の上に導電膜を形成し、前記導電膜の上にレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして、前記導電膜および前記圧電体膜をドライエッチングしてパターニングする工程と、
を有し、
前記パターニング工程において、前記導電膜をパターニングして前記第２電極を形成する第１のエッチングガスは、アルゴンと塩素とを含み、かつ塩素を主成分とした混合ガスであり、前記圧電体膜をパターニングして前記圧電体層を形成する第２のエッチングガスは、フッ素系ガスと塩素系ガスとアルゴンとを含む混合ガスである。

本発明によれば、本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法を提供することができる。

（８）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法において、
前記ドライエッチングは、１．０Ｐａ以下の圧力下で行われてもよい。

図１（Ａ）は、本実施形態の圧電素子を模式的に示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＩＢ−ＩＢ線における圧電素子の断面図。図２（Ａ）は、本実施形態の圧電素子の圧電体層の側面の一部を模式的に示す平面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＩＩＢ−ＩＩＢ線における圧電体層の表面を模式的に示す断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すＩＩＣ−ＩＩＣ線における圧電体層の表面を模式的に示す断面図。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、本実施形態の圧電素子の変形例を模式的に示す断面図。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、本実施形態の圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本実施形態の圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの要部を模式的に示す断面図。本実施形態に係る液滴噴射ヘッドの分解斜視図。本実施形態に係る液滴噴射装置を模式的に示す斜視図。実施例に係る圧電素子の圧電体層の側面の表面状態を示すＳＥＭ画像。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．圧電素子
１−１．圧電素子の構造
図１（Ａ）は、本実施形態の圧電素子を模式的に示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＩＢ−ＩＢ線における圧電素子の断面図である。図２（Ａ）は、本実施形態の圧電素子の圧電体層の側面の一部を模式的に示す平面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＩＩＢ−ＩＩＢ線における圧電体層の表面を模式的に示す断面図、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すＩＩＣ−ＩＩＣ線における圧電体層の表面を模式的に示す断面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、本実施形態の圧電素子の変形例を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る圧電素子１００は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１０の上に形成された第１電極２０と、第１電極２０の上に形成された圧電体層３０と、圧電体層３０の上に形成された第２電極４０と、を含む。

図１（Ａ）に示すように、圧電素子１００は、基板１０の上に形成される。図１（Ａ）に示すように、圧電素子１００は、一方向に延びるように形成されている。ここでは、平面視方向において、矩形形状となるように形成しているが、矩形形状には限定せずに、平面視方向において、円形状や正方形形状のように形成してもよい。ここで、圧電素子１００が延びる方向を第１の方向１１０とする。また、図１に示すように、第１の方向と基板１０の面方向において交差する方向を第２の方向１２０とする。例えば第１の方向１１０と第２の方向１２０とは、実質的に直交関係にあってもよい。

基板１０は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板状の部材とすることができる。基板１０は、圧電素子１００が動作したときに機械的な出力を行う部材であれば、構造や構成などは、特に限定されない。基板１０は、振動板であってもよい。基板１０は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。また、基板１０は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。基板１０は、後述される圧力室などの壁の一部を構成していてもよい。基板１０の厚みは、用いる材質の弾性率などにしたがって最適に選ばれる。基板１０の厚みは、例えば、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることができる。基板１０の厚みが２００ｎｍよりも薄いと、振動等の機械的出力を取り出しにくくなることがあり、２０００ｎｍよりも厚いと、振動等が生じなくなる場合がある。基板１０は、圧電体層３０の動作により、たわんだり振動したりすることができる。

基板１０の材質には、剛性および機械的強度の高い材料、および第１電極２０や圧電体層３０との密着性の高い材料を含むことが望ましい。基板１０の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を用いることができる。基板１０は、弾性層や密着層などを含む積層体であってもよい。基板１０は、例えば、図１（Ｂ）に示すように、酸化シリコンの第１の層１１の上に酸化ジルコニウムの第２の層１２が形成されていてもよい。ここで、また、図示はされないが、第２の層１２の上に、チタンやクロム等などの密着性を高める第３の層を含んでいてもよい。

第１電極２０は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１０の上に形成される。第１電極２０の形成される領域は、後述される圧電体層３０および第２電極４０と基板１０の上でオーバーラップすることができる限り特に限定されない。例えば、第１電極２０は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第２の方向１２０において、一部が圧電体層３０に覆われないように延びていてもよい。第１電極２０は、第２電極４０と対になり、圧電体層３０を挟む一方の電極として機能する。第１電極２０は、例えば、圧電素子１００の下部電極であってもよい。図示はされないが、第１電極２０は、駆動回路と電気的に接続しているリード配線と電気的に接続されている。第１電極２０とリード配線との電気的接続方法は、特に限定されない。

第１電極２０の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第１電極２０の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒなどの各種の金属およびこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第１電極２０は、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。

圧電体層３０は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示されるように、第１電極２０と第２電極４０との間に配置されている。図１（Ａ）に示すように、圧電体層３０は、第１電極２０および基板１０の上に形成される。図１（Ａ）に示すように、圧電体層３０は、第１の方向１１０に延びるように形成されていてもよい。図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０は、後述される第２電極４０が形成される上面３１（第１電極２０側の面とは反対側の面）と、テーパー状の側面（３２、３３）と、を有する。側面（３２、３３）は、圧電体層３０の基板１０側に面する面となる第１電極２０の側の面と、上面３１と、を連続させる面である。

圧電体層３０の材質としては、一般式ＡＢＯ_３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。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）などが挙げられる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０の側面（３２、３３）は、第１電極２０側の第１の波状面３２と、後述される第２電極４０側の第２の波状面３３と、第１の波状面３２と第２の波状面３３との境界領域３４と、を有する。第１の波状面３２には、第１電極２０から境界領域３４に向かう方向（テーパー面の上下方向）に沿って延びる第１の溝３５が複数形成され、第２の波状面３３には、第２電極４０から境界領域３４に向かう方向（テーパー面の上下方向）に沿って延びる第２の溝３６が複数形成される。本実施形態において、第１電極２０から境界領域３４に向かう方向および第２電極４０から境界領域３４に向かう方向とは、テーパー状の斜面（基板１０に対して垂直ではない面）である側面上において、第１電極２０もしくは第２電極４０から境界領域３４へ向かう実質的な直線方向であってよい。例えば、第１電極２０もしくは第２電極４０から境界領域３４へ向かう方向は、第１電極２０もしくは第２電極４０から境界領域３４へ向かう垂線方向であってもよい。

ここで、図１（Ａ）および図２（Ａ）などにおいて、境界領域３４は、便宜上、直線状で示されるが、第１の波状面３２と第２の波状面３３とを区別する領域である限り特に限定されず、実質的には、曲線状であってもよい。また、境界領域３４は一定の領域幅を有することができ、第１の溝３５と第２の溝３６とが混在する遷移的領域であってもよい。

また、本実施形態において、第１の溝３５と第２の溝３６は、側面の上面よりも、実質的に圧電体層３０の内側方向に凹んだ部分を意味する。また、第１の溝３５と第２の溝３６とは、一の方向に連続して延びるように形成される。つまりは、本実施形態における第１の溝３５と第２の溝３６は、凹部であっても形成される領域に方向性を有さない窪みとは区別される。

なお、以下の本実施形態においては、圧電素子１００の態様の一つとして、第１の波状面３２が第２の波状面３３と比べて粗な波状面である場合について説明するが、本実施形態はこれに限定されず、第１の波状面３２が第２の波状面３３と比べて密な波状面であってもよい。

図２（Ａ）は、第１の波状面３２と第２の波状面３３とを模式的に示す平面図であって、図２（Ｂ）は、第１の波状面３２の断面図、図２（Ｃ）は、第２の波状面３３の断面図を示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）において、符号３７は、波状面の山部（頂点部分）を示し、符号３８は、波状面の谷部（隣り合う頂点部分の間における最深部分）を示す。図２（Ａ）においては、模式的に、山部３７を実線で示し、谷部３８を破線で示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、複数の第１の溝３５が隣り合うように形成されることによって、第１の波状面３２に、山部３７と谷部３８が交互に形成された波状面が形成される。第２の波状面３３においても、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、複数の第２の溝３６が隣り合うように形成されることによって、山部３７と谷部３８が交互に形成された波状面が形成される。第１の溝３５および第２の溝３６の形状は、複数の山部３７と谷部３８を交互に形成することができる限り、特に限定されず、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、溝の内面が曲面から形成される溝であってもよいし、図示はされないが、溝の内面に角部を有していてもよい。

図２（Ｂ）に示すように、第１の溝３５は、第１の幅Ｗ_１を有する。第１の幅Ｗ_１は、第１の溝３５が延びる方向に直交する方向における溝の幅であって、隣り合う山部３７間の距離である。また、図２（Ｂ）に示すように、複数の第１の溝３５は、第１の間隔Ｄ_１でもって、隣り合うように形成されている。第１の間隔Ｄ_１は、隣り合う谷部３８間の距離である。ここで、第１の幅Ｗ_１と第１の間隔Ｄ_１は実質的に同じであってもよい。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）においては、第１の溝３５は、周期的に等しい間隔（第１の間隔Ｄ_１）で配置されているように記載されている。しかしながら、図２（Ａ）および図２（Ｂ）は第１の波状面３２を説明する目的において、模式的に記載されたものである。実質的には、複数の第１の溝３５の幅（Ｗ_１）と、隣り合う間隔（Ｄ_１）は、一定の範囲内においてばらつきを有することができる。具体的には、複数の第１の間隔Ｄ_１（第１の幅Ｗ_１）は、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲内であってもよい。また、例えば、複数の第１の間隔Ｄ_１の平均値が１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲内であってもよい。

図２（Ｃ）に示すように、第２の溝３６は、第２の幅Ｗ_２を有する。第２の幅Ｗ_２は、第２の溝３６が延びる方向に直交する方向における溝の幅であって、隣り合う山部３７間の距離である。また、図２（Ｂ）に示すように、複数の第２の溝３６は、第２の間隔Ｄ_２でもって、隣り合うように形成されている。第２の間隔Ｄ_２は、隣り合う谷部３８間の距離である。ここで、第２の幅Ｗ_２と第２の間隔Ｄ_２は実質的に同じであってもよい。

なお、第１の溝３５と同様に、図２（Ａ）および図２（Ｃ）においては、第２の溝３６は、周期的に等しい間隔（第２の間隔Ｄ_２）で配置されているように記載されている。しかしながら、図２（Ａ）および図２（Ｃ）は第２の波状面３３を説明する目的において、模式的に記載されたものである。実質的には、複数の第２の溝３６の幅（Ｗ_２）と、隣り合う間隔（Ｄ_２）は、一定の範囲内においてばらつきを有することができる。具体的には、複数の第２の間隔Ｄ_２（第２の幅Ｗ_２）は、２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲内であってもよい。また、例えば、複数の第２の間隔Ｄ_２の平均値が２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲内であってもよい。

図２（Ａ）に示すように、第１の溝３５の第１の間隔Ｄ_１は、第２の溝３６の第２の間隔Ｄ_２とは異なる。例えば、第１の波状面３２が第２の波状面３３よりも粗な波状面である場合、図２（Ａ）に示すように、第１の間隔Ｄ_１は、第２の溝３６の第２の間隔Ｄ_２よりも大きくてもよい。これによれば、図２（Ａ）に示すように、第１の波状面３２において複数の第１の溝３５が形成する山部３７と谷部３８の配置と、第２の波状面３３において複数の第２の溝３６が形成する山部３７と谷部３８の配置とが、境界領域３４において相対的に一致しにくくなる。したがって、第１電極２０と第２電極４０の間の圧電体層３０の側面（３２、３３）において、連続したリークパスが形成されにくくなる。

図１（Ｂ）に示すように、第１および第２の波状面３２、３３は、テーパー状の側面であって、第２の方向１２０に沿って圧電素子１００を断面視した際に、それぞれの基板１０に対するテーパー角度が異なっていてもよい。例えば、第１の波状面３２の基板１０に対する第１のテーパー角度αは、第２の波状面３３の基板１０に対する第２のテーパー角度βよりも小さくてもよい。これによれば、第１のテーパー角度αと第２のテーパー角度βが同じ角度で、第１および第２の波状面３２、３３が平面的に連続している場合（図３（Ａ）参照）と比較して、圧電体層３０の基板１０側の面の基板１０との接触面積を大きくすることができる。これによれば、第２電極４０の面積を変更することなく、基板１０や第１電極２０と圧電体層３０との間の接続信頼性を高めることができ、圧電体層３０の剥離の可能性が低減され、圧電素子１００の信頼性を高めることができる。

第２電極４０は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０の上面３１の上において、第１電極２０に対向して配置される。第２電極４０の形成される領域は、図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０の上で、第１電極２０の少なくとも一部とオーバーラップし、圧電体層３０に駆動領域（第１電極２０と第２電極４０との間に挟まれた圧電体層３０の領域で、実質的に変形する領域）を形成する限り、特に限定されない。したがって、第２電極４０の詳細な形状は、駆動領域を決定する際の設計事項であり、所望の駆動領域に応じて適宜決定されることができる。第２電極４０は、第１電極２０と対になり、圧電体層３０を挟む一方の電極として機能する。第１電極２０が下部電極である場合は、第２電極４０は上部電極であってもよい。第２電極４０は、図示しない駆動回路と電気的に接続されている。第２電極４０と駆動回路との電気的接続方法は、特に限定されない。第２電極４０と駆動回路とは、例えば、図１（Ａ）に示すように、リード配線６０を介して電気的に接続されていてもよい。

第２電極４０の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第２電極４０の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒなどの各種の金属およびこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第２電極４０は、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。

以上により、本実施形態に係る圧電素子１００を構成することができる。なお、本実施形態に係る圧電素子１００を、基板１０を、所望の弾性を有する振動板として構成することにより、電気信号により圧電体層３０を変形させ、基板１０を介して加圧することができる圧電アクチュエーターの用途として用いてもよい。また、本実施形態に係る圧電素子１００を、例えば、圧電体層３０の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。

本実施形態に係る圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。本実施形態に係る圧電素子によれば、第１の溝３５の第１の間隔Ｄ_１は、第２の溝３６の第２の間隔Ｄ_２とは異なる。例えば、第１の間隔Ｄ_１は、第２の溝３６の第２の間隔Ｄ_２よりも大きくてもよい。これによれば、第１の波状面３２において複数の第１の溝３５が形成する山部３７と谷部３８の配置と、第２の波状面３３において複数の第２の溝３６が形成する山部３７と谷部３８の配置とが、境界領域３４において相対的に一致しにくくなる。したがって、第１電極２０と第２電極４０の間の圧電体層３０の側面（３２、３３）において、連続したリークパスが形成されにくくなる圧電素子１００を提供することができる。

次に、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、本実施形態に係る圧電素子１００の変形例を説明する。

まず、図３（Ａ）に示すように、圧電体層３０の側面（３２、３３）は、平面的に連続する側面であってもよい。つまりは、第１の波状面３２の基板１０に対する第１のテーパー角度αと、第２の波状面３３の基板１０に対する第２のテーパー角度βは、同じ角度であってもよい。

次に、図３（Ｂ）に示すように、被覆膜５０が、少なくとも圧電体層３０の側面（３２、３３）を覆うように形成されてもよい。被覆膜５０の形状は、少なくとも圧電体層３０の側面（３２、３３）を覆う限り、特に限定されない。図３（Ｂ）に示すように、被覆膜５０は、圧電体層３０の駆動領域の上方において、第２電極４０の少なくとも一部を露出させるように開口した開口部５１を有していてもよい。図３（Ｂ）に示すように、被覆膜５０は、第１電極２０の一部、圧電体層３０の側面（３２、３３）および第２電極４０の一部を連続して覆っていてもよい。また、図示はされないが、被覆膜５０は、第２電極４０と、リード配線６０との電気的接続部分を連続して覆っていてもよい。被覆膜５０の材質は、絶縁性を有する限り、特に限定されない。例えば、被覆膜５０は、公知の絶縁性樹脂材料または絶縁性無機材料を用いて形成することができる。公知の絶縁性無機材料としては、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンであってもよい。公知の絶縁性樹脂材料としては、例えば、公知の感光性樹脂材料を用いてもよいし、非感光性樹脂材料を用いてもよい。絶縁性樹脂材料が、感光性樹脂材料である場合、公知の不飽和結合含有重合性化合物、光重合開始剤等も含んでいてもよい。具体的には、絶縁性樹脂材料は、フォトレジストであってもよいし、ポリイミド、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリビニルアルコール誘導体等の樹脂組成物であってもよい。

本変形例によれば、圧電体層３０の側面（３２、３３）が被覆膜５０によって覆われるため、圧電体層３０を被覆することができ、環境に起因する圧電素子１００の劣化を防ぐなど信頼性をより高めることができる。また、本変形例においては、側面（３２、３３）に複数の第１および第２の溝３５、３６が隣り合うように連続して形成されることで、側面（３２、３３）は、波状の面であることができる。これによれば、被覆膜５０と側面（３２、３３）との密着性を向上させることができる。

１−２．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について説明する。図４（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本実施形態の圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、基板１０上に、第１電極２０を形成する工程と、第１電極２０の上に圧電体層３０を形成する工程と、圧電体層３０の上に第２電極４０を形成する工程と、を含み、圧電体層３０および第２電極４０を形成する工程は、第１電極２０の上に圧電体膜３０ａを形成し、圧電体膜３０ａの上に導電膜４０ａを形成し、導電膜４０ａの上にレジスト層７０を形成する工程と、レジスト層７０をマスクとして、導電膜４０ａおよび圧電体膜３０ａをドライエッチングしてパターニングする工程と、を有する。

まず、図４（Ａ）に示すように、基板１０の上に第１電極２０を形成する。形成方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの蒸着法、めっき法、スパッタ法、ＭＯＤ法、スピンコート法などにより導電膜を形成し、該導電膜を公知のパターニング方法によってパターニングすることにより、所望の形状を有した第１電極２０を形成することができる。パターニング方法としては、公知のフォトリソグラフィー技術および／またはエッチング技術によって行われることができる。エッチング技術を用いる場合、ウェットエッチングまたはドライエッチングを用いることができる。

ここで、図示はされないが、第１電極２０の上や、基板１０の上に、窒化チタン膜などの酸化防止膜や、チタン膜、ランタンニッケル酸化物膜などの圧電体層の配向を制御する配向制御膜を形成してもよい。また、第１電極２０と基板１０との間にチタンやクロム等などの密着層を形成してもよい。

次に、図４（Ｂ）に示すように、第１電極２０の上に圧電体膜３０ａを形成する。圧電体層３０ａは、圧電材料を成膜して、熱処理することで形成される。成膜方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。熱処理の条件は、圧電材料を結晶化し圧電体膜３０ａを形成できる温度であれば、特に限定されない。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００度以上、８００度以下で行われることができる。例えば、ゾルゲル法などによって形成された圧電材料を成膜して、熱処理することで圧電体膜３０ａを形成することができる。また、圧電体膜３０ａは、スピンコート法、ＣＶＤ法、ＭＯＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法などにより形成されてもよい。

次に、図４（Ｃ）に示すように、圧電体膜３０ａの上に、パターニングされて第２電極４０となる導電膜４０ａを形成する。導電膜４０ａの形成方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの蒸着法、めっき法、スパッタ法、ＭＯＤ法、スピンコート法などにより導電膜４０ａを形成することができる。

次に、図４（Ｄ）に示すように、導電膜４０ａの上にレジスト層７０を形成する。レジスト層７０の材料は特に限定されず、ドライエッチングに用いられる公知のレジスト材料を用いることができる。図４（Ｄ）に示すように、レジスト層７０は所望の厚みを有し、側面７１を備える。

次に、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、レジスト層７０をマスクとして、導電膜４０ａおよび圧電体膜３０ａをドライエッチングしてパターニングする。ここで、導電膜４０ａおよび圧電体膜３０ａのパターニング工程において、導電膜４０ａをパターニングして第２電極４０を形成する第１のエッチングガスは、塩素ガスとアルゴンガスとを含み、かつ塩素ガスを主成分とした混合ガスであり、圧電体膜３０ａをパターニングして圧電体層３０を形成する第２のエッチングガスは、塩素系ガスとフッ素系ガスとアルゴンガスとを含む混合ガスである。以下に詳細を説明する。

導電膜４０ａのパターニング工程は、公知のドライエッチング技術によって行われる。公知のドライエッチング技術として、例えば、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）のような高密度プラズマ装置を用いたドライエッチングを行ってもよい。該高密度プラズマ装置（ドライエッチング装置）において、１．０Ｐａ以下の圧力に設定すると良好にエッチングを行うことができる。導電膜４０ａのドライエッチングに用いる第１のエッチングガスは、塩素ガス（Ｃｌ）とアルゴンガス（Ａｒ）とを含み、かつ塩素を主成分とした混合ガスを用いる。つまりは、第１のエッチングガスは、塩素の混合比が最も多い混合ガスであればよい。例えば、第１のエッチングガスにおける塩素ガス（Ｃｌ）とアルゴンガス（Ａｒ）の混合比（Ｃｌ／Ａｒ）は、３０／２０、４０／１０などが挙げられる。これによって、第２電極４０が形成され、レジスト層７０の側面７１は、複数の溝が隣り合う波状面が形成される。

次に、圧電体膜３０ａのパターニング工程は、導電膜４０ａと同様に、公知のドライエッチング技術によって行われる。公知のドライエッチング技術として、例えば、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）のような高密度プラズマ装置を用いたドライエッチングを行ってもよい。該高密度プラズマ装置（ドライエッチング装置）において、１．０Ｐａ以下の圧力に設定すると良好にエッチングを行うことができる。圧電体膜３０ａのドライエッチングに用いる第２のエッチングガスは、塩素系ガスを主成分とした混合ガスを用いることができる。例えば、ＢＣｌ_３／Ｃ_４Ｆ_８／Ａｒなどが挙げられ、混合比は３０／２０／１０などが挙げられる。ここで、圧電体膜３０ａのパターニング工程は、第１のエッチングガスによるドライエッチング工程を経たレジスト層７０をマスクとしてパターニングが行われる。上述のように、レジスト層７０の側面７１は複数の溝が隣り合う波状面となっており、これによって、第１および第２の波状面３２、３３を有する圧電体層３０が形成されることができる。

ここで、図５（Ｂ）に示すように、圧電体層３０の側面には、基板１０に対するそれぞれのテーパー角度が異なる第１および第２の波状面３２、３３が形成される。ここで、第１の波状面３２、第２の波状面３３、境界領域３４の配置、およびそれぞれのテーパー角度などの圧電体層３０の形状は、ドライエッチングの時間を調整することにより、適宜調整することができる。例えば、ドライエッチングの時間をより長くすることによって、第１のテーパー角度αと第２のテーパー角度βの角度を近づけることができる。

ここで、図５（Ｂ）に示すように、圧電体膜３０ａをドライエッチングによりパターニングを行う場合、圧電体膜３０ａが除去された部分の第１電極２０の表層がドライエッチングの影響を受ける。これによれば、ドライエッチングにより第１電極２０の表層が削られ、導電性の粒子が、周囲部材（例えば、圧電体層３０の側面）に付着する可能性がある。しかしながら、本実施形態に係る圧電素子１００によれば、前述のように、第１電極２０と第２電極４０の間の圧電体層３０の側面（３２、３３）において、連続したリークパスが形成されにくい。したがって、ドライエッチングを用いた場合であっても、導電粒子の側面付着によるリーク電流の発生を抑制することができる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、パターニング工程が終了した後、レジスト層７０は除去される。以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。

本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法によれば、本実施形態に係る圧電素子１００を提供することができる。

２．液滴噴射ヘッド
次に、本実施形態に係る圧電素子１００を有する液滴噴射ヘッド６００について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図７は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。

液滴噴射ヘッド６００は、上述の圧電素子１００（圧電アクチュエーター）を有することができる。以下の例では、基板１０が振動板として形成され、圧電素子１００が圧電アクチュエーターとして構成されている液滴噴射ヘッド６００について説明する。

液滴噴射ヘッド６００は、図６および図７に示すように、ノズル孔６１２を有するノズル板６１０と、圧力室６２２を形成するための圧力室基板６２０と、圧電素子１００と、を含む。

圧電素子１００の数は特に限定されず、複数形成されていてよい。なお、圧電素子１００が複数形成される場合は、第２電極４０が共通電極となる。また、圧電素子１００が複数形成される場合は、第１電極２０が共通電極となる。さらに、液滴噴射ヘッド６００は、図７に示すように、筐体６３０を有することができる。なお、図７では、圧電素子１００を簡略化して図示している。

ノズル板６１０は、図６および図７に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクなどの液体等（液体のみならず、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たもの、又は、メタルフレーク等を含むものなどを含む。以下同じ。）を液滴として吐出されることができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。

圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図７の例では下）に設けられている。圧力室基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板６２０がノズル板６１０と基板１０との間の空間を区画することにより、図７に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力室６２２とを区別して説明するが、これらはいずれも液体等の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー６２４、供給口６２６および圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と基板１０とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、基板１０に設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、基板１０の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２から液体等が吐出される。

圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図７の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）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動作（振動、変形）することができる。基板１０は、積層構造（圧電体層３０）の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。

筐体６３０は、図７に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板６２０および圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。

液滴噴射ヘッド６００は、圧電体層３０の側面（３２、３３）において、連続したリークパスが形成されにくい圧電素子１００を含んでいる。したがって、信頼性の向上した液滴噴射ヘッドを実現できる。

なお、ここでは、液滴噴射ヘッド６００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液滴噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。

３．液滴噴射装置
次に、本実施形態に係る液滴噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液滴噴射装置は、上述の液滴噴射ヘッドを有する。以下では、液滴噴射装置が上述の液滴噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図８は、本実施形態に係る液滴噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。

液滴噴射装置７００は、図８に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。さらに、液滴噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。

ヘッドユニット７３０は、上述した液滴噴射ヘッド６００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。

駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。

往復動機構７４２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７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッド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。

なお、本実施形態では、液滴噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる例を示しているが、本発明の液滴噴射装置は、液滴噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であってもよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液滴噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。

制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。

給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａおよび駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。

ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。

液滴噴射装置７００は、圧電体層３０の側面（３２、３３）において、連続したリークパスが形成されにくい圧電素子１００を含んでいる。したがって、信頼性の向上した液滴噴射装置を実現できる。

なお、上記例示した液滴噴射装置は、１つの液滴噴射ヘッドを有し、この液滴噴射ヘッドによって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液滴噴射ヘッドを有してもよい。液滴噴射装置が複数の液滴噴射ヘッドを有する場合には、複数の液滴噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液滴噴射ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。

以上、本発明に係る液滴噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしてのインクジェット記録装置７００を説明したが、本発明に係る液滴噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体等（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たものなどを用いることができる。本発明の液滴噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。

４．実施例
以下、本発明に係る圧電素子の実施例を、図面を参照しながら説明する。

実施例においては、本実施形態に係る圧電素子の製造方法を用いて圧電素子サンプルを作製し、その側面（３２、３３）の表面状態（ＳＥＭ画像）を確認した。本実施例において作成された圧電素子は、基板であるシリコン（Ｓｉ）基板の上において形成されたものであって、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）を含む第１電極を２００ｎｍの膜厚で形成し、第１電極の上にチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）からなる圧電体層を、１３００ｎｍの厚さで形成した後、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極を５０ｎｍの膜厚で形成した。

本実施例に係る圧電素子の製造工程において、第１のエッチングガスとしては、塩素ガス（Ｃｌ_２）とアルゴンガス（Ａｒ）からなる混合ガス（混合比が、Ｃｌ_２：Ａｒ＝３：２）を用いた。また、第２のエッチングガスとしては、塩素系ガス（ＢＣｌ_３）とフッ素系ガス（Ｃ_４Ｆ_８）とアルゴンガス（Ａｒ）からなる混合ガス（混合比が、ＢＣｌ_３：Ｃ_４Ｆ_８：Ａｒ＝３：２：１）を用いた。

図９は、実施例に係る圧電素子のＳＥＭ画像であって、本実施例に係る圧電素子サンプルの圧電体層の側面の表面状態を示す。ただし、図９は、圧電体層のパターニング後のＳＥＭ画像であって、レジスト層は除去されていない状態である。

図９に示すように、実施例に係る圧電素子サンプルの圧電体層の側面には、第１電極側の第１の波状面（第２の波状面と比べて粗な波状面）と、第２電極側の第２の波状面（第１の波状面と比べて密な波状面）と、それらの境界領域が確認された。図９に示すように、第１の波状面には、第１電極側から境界領域の方向に延びる複数の第１の溝が形成されることが確認された。また、図９に示すように、第１の波状面には、第２電極側から境界領域の方向に延びる複数の第２の溝が形成されることが確認された。また、図９に示すように、第１の溝が形成される第１の間隔は、第２の溝が形成される第２の間隔と、異なることが確認された。また、図９に示すように、第１の波状面の基板に対する第１のテーパー角度と、第２の波状面の基板に対する第２のテーパー角度が異なることが確認された。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０基板（振動板）、２０第１電極、３０圧電体層、３０ａ圧電体膜、
３１上面、３２第１の波状面、３３第２の波状面、３４境界領域、
３５第１の溝、３６第２の溝、３７山部、３８谷部、４０第２電極、
４０ａ導電膜、５０被覆膜、６０リード配線、７０レジスト層、
１００圧電素子、１１０第１の方向、１２０第２の方向、
６００液滴噴射ヘッド、６１０ノズル板、６１２ノズル孔、
６２０圧力室基板、６２２圧力室、６２４リザーバー、６２６供給口、
６２８貫通孔、６３０筐体、７００液滴噴射装置、７１０駆動部、
７２０装置本体、７２１トレイ、７２２排出口、７３０ヘッドユニット、
７３１インクカートリッジ、７３２キャリッジ、７４１キャリッジモーター、
７４２往復動機構、７４３タイミングベルト、７４４キャリッジガイド軸、
７５０給紙部、７５１給紙モーター、７５２給紙ローラー、
７５２ａ従動ローラー、７５２ｂ駆動ローラー、７６０制御部、
７７０操作パネル

Claims

第１電極と、
前記第１電極の上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
を含み、
前記圧電体層の側面は、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に沿って延びる第１の溝が複数形成された第１の波状面と、前記第１の波状面よりも前記第２電極側に設けられ、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に沿って延びる第２の溝が複数形成された第２の波状面と、前記第１の波状面と前記第２の波状面との境界領域と、
を有し、
前記第１の溝の第１の間隔は、前記第２の溝の第２の間隔と異なる、圧電素子。
請求項１において、
前記第１の間隔は、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲であり、
前記第２の間隔は、２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲である、圧電素子。
請求項１または２において、
前記第１の波状面の前記基板に対する第１のテーパー角度は、前記第２の波状面の前記基板に対する第２のテーパー角度よりも小さい、圧電素子。
請求項１から３のいずれか１項において、
少なくとも前記圧電体層の前記側面を覆う被覆膜を含む、圧電素子。
請求項１から４のいずれかに１項に記載の圧電素子を含む、液滴噴射ヘッド。
請求項５に記載の液滴噴射ヘッドを含む、液滴噴射装置。