JP4282079B2 - 圧電体素子及び該素子を備えた液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電体（電歪体）素子及び該素子を備えた液体吐出ヘッド（以下、「インクジェットヘッド」とも称する）に関するものである。特に、センサー、トランスデューサー及びアクチュエータ等としての応用が可能な圧電体素子に関するものである。特に、近年注目されているＭＥＭＳ素子やインクジェットヘッドに好適なものである。また、インクジェットヘッド以外には、メモリー用ヘッド、光シャッター等や、超音波モータ、スピーカー等に応用される。

圧電体素子として、近年、半導体プロセスの利用を考えて、Ｓｉ基板上に素子を作製したものの開発が行われている。そのために、ゾルゲル法、スパッタ法、ＭＯ−ＣＶＤ法等の薄膜形成方法の検討がなされている。また、圧電体素子の特性を向上させるために、圧電体膜の結晶性を向上させる検討が併せてなされている。

特に、汎用的な（１００）表面を有するＳｉ基板を用いて、ＰＺＴ等の圧電体膜を（００１）優先配向あるいは（１１１）優先配向にさせることが発表されている。

また、圧電体膜として、（１１０）優先配向させた膜が検討されているが、Ｓｉ基板上に圧電体膜を結晶制御して成膜させるために７００℃以上の高温プロセスが必要となる。

例えば、（１１０）優先配向の圧電体膜を利用したものとして、特許文献１及び２に記載のものが知られている。
特開２００１−８０９９５号公報 特開２００３−１７９２７９号公報

特許文献１に記載の圧電体素子は、（１１０）表面を有するＳｉ基板を用いたものであり、（１１０）表面上に（１１０）優先配向を積層していく方法であり、従来通り高温工程が必要となる。そのため、膜中に応力が残り耐久性に問題が発生する。

また、特許文献２に記載の圧電体素子は、（１００）表面を有するＳｉ基板上に（１００）優先配向のバッファー層（ＹＳＺ等）を成膜した後、電極層で（１１０）に結晶制御しているが、同様にバッファー層成膜に高温工程が必要となり、特許文献１記載の圧電体素子と同様の問題が発生する。特にインクジェットヘッドにバッファー層を振動板として利用した場合、残留応力の影響のためか振動板の割れ、電極層とバッファー層間の剥がれの問題発生がある。

本発明の目的の一つは、圧電体層と該圧電体層を挟持する一対の電極層とを含む圧電体素子であって、Ｓｉの（１００）面上に、（１１０）面に優先配向した少なくとも三つの層が積層されており、前記少なくとも三つの層は前記圧電体層と前記一対の電極層の一方の層とを含むことを特徴とする圧電体素子を提供するものである。

また、本発明は（１００）表面を有するＳｉ基板上に（１１０）優先配向、一軸配向の圧電体層又は（１１０）エピタキシャル膜の圧電体層を提供するものである。

また、それから得られる圧電体素子及びこの圧電体素子を備えた液体吐出ヘッドに関するものである。
特に、本発明では成膜温度を低温に設定出来、膜中の応力を低減した、特性の良い圧電体素子、インクジェットヘッドを得る事が出来る。

本発明の圧電体素子は、Ｓｉ基板の（１００）表面上に少なくとも３層以上の（１１０）面に優先配向した層を有するため、成膜温度を低温に設定でき、残留応力の影響などによる振動板の割れ、電極層とバッファー層間の剥がれなどが発生しない圧電体素子を得ることができる。また、本発明では膜中の応力を低減した、特性の良い圧電体素子、インクジェットヘッドを得る事が出来る。

本発明の圧電体素子について説明する。本発明は、Ｓｉ基板の（１００）表面上に少なくとも、（１１０）優先配向の３層以上の機能層を有する圧電体素子に関する。また、上記機能層とは、バッファー層、電極層、圧電体層とすることができる圧電体素子であり、この３層の機能層は、少なくとも圧電体層及び一対の電極層のうち一方の層（上部電極層又は下部電極層）として機能する。特にバッファー層と電極間で方位の違いがなく、電極剥がれ等の問題のない耐久性に優れた素子である。

本発明で「優先配向」とは、基板面にほぼ平行に（１１０）面を優先的に配向する、面内はランダムな一軸配向、あるいは面内も配向するエピタキシャル配向を意味する。なお、配向はＸ線回折法によって測定する。

また、本発明の圧電体素子は、Ｓｉ基板の（１００）表面上に、少なくとも（１１０）優先配向の蛍石型酸化物層、（１１０）優先配向の電極層、（１１０）優先配向の圧電体層を有する圧電体素子であることが好ましい。

特にバッファー層となる層が、蛍石型酸化物であることが好ましい。また、電極層として好ましくは、二層以上有するものであり、その層の少なくとも一層は、ペロブスカイト型酸化物導電層である圧電体素子である。

また、圧電体層は好ましくは擬立方晶の結晶構造を含んでいても良い。又は、擬立方晶、菱面体晶及び正方晶からなる群より選択された少なくとも二種以上の結晶構造を含んでいても良い。

圧電体層はＡＢＯ₃型ペロブスカイト酸化物を含むことが好ましい。本発明の圧電体層とは、圧電体膜及び／又は電歪膜を意味する。圧電体膜に用いられる材料としては、ペロブスカイト型化合物が挙げられる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ ［Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃］やチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃などの圧電材料やリラクサ系材料の電歪材料である。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のｘは０．４５から０．６５のＭＰＢ（ｍｏｒｐｈｏｔｏｒｏｐｉｃ ｐｈａｓｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ）組成が好ましいが、それ以外の組成比でも良い。

本発明で使用する電歪材料としては以下の物が選択出来る。例えば、ＰＭＮ ［Ｐｂ（Ｍｇ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］、ＰＮＮ ［Ｐｂ（Ｎｂ_xＮｉ_1-x）Ｏ₃］、ＰＳＮ ［Ｐｂ（Ｓｃ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］、ＰＺＮ ［Ｐｂ（Ｚｎ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］、ＰＭＮ−ＰＴ ｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｍｇ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］−ｙ［ＰｂＴｉＯ₃］｝、ＰＳＮ−ＰＴ ｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｓｃ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］−ｙ［ＰｂＴｉＯ₃］｝、ＰＺＮ−ＰＴ ｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｚｎ_xＮｂ_1-x）Ｏ₃］−ｙ［ＰｂＴｉＯ₃］｝、ＬＮ［ＬｉＮｂＯ₃］、ＫＮ［ＫＮｂＯ₃］である。ここで、ｘおよびｙは１以下で０以上の数である。例えば、ＰＭＮの場合ｘは０．２〜０．５で、ＰＳＮではｘは０．４〜０．７が好ましく、ＰＭＮ−ＰＴのｙは０．２〜０．４、ＰＳＮ−ＰＴのｙは０．３５〜０．５、ＰＺＮ−ＰＴのｙは０．０３〜０．３５が好ましい。また、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＳＮ−ＰＴにＺｒがＴｉに代替されて含まれたＰＭＮ−ＰＺＴ、ＰＺＮ−ＰＺＴ、ＰＳＮ−ＰＺＴ化合物であっても良い。好ましくは、キューリー温度を低下させないためにＺｒを含まない方がよい。

圧電体膜は単一組成であっても良いし、２種類以上の組み合わせでも良い。又、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。本発明の圧電・電歪膜は、優れた圧電性を発現するために、結晶制御されたものが良く、Ｘ線回折で結晶構造の（１１０）方位が５０％以上あるものが好ましく、さらには、９０％以上のものがより好ましい。

上記構成にする事により、配向性の良好な（１１０）優先配向の圧電体層を得る事が出来る。また、本発明の基板としては、（１００）表面を有するＳｉ基板（面方位が（１００）面のＳｉ基板）以外に、好ましくは、面方位が（１００）面のＳｉ層／酸化物層／面方位が（１１０）面のＳｉ層を有する基板である（この場合、機能層は面方位が（１００）面のＳｉ層上に設ける）。

また、本発明は上記圧電体素子を有するインクジェットヘッドに関する。また、本発明の圧電体素子の製造方法としては、Ｓｉ基板の（１００）表面上に、（１１０）優先配向の蛍石型酸化物層を形成する工程、（１１０）優先配向の電極層を形成する工程、（１１０）優先配向の圧電体層を形成する工程を有する製造方法を挙げることができる。

特に、バッファー層の蛍石型酸化物層を形成する工程で、基板温度が１００℃以上４００℃以下で形成することができる。このことにより、（１１０）優先配向の膜が得られ、膜中の応力が低く、剥離等の問題のない素子を得る事が出来る。また、本発明は、好ましくは基板として、面方位が（１００）面のＳｉ層／酸化物層／面方位が（１１０）面のＳｉ層を用いる製造方法である。ここで、面方位が（１１０）面のＳｉ層は、圧電体素子としてデバイス化に際して加工処理される部分であっても良い。

次に、圧電体素子としての詳説を行う。本発明の圧電体素子として有する機能層である（１１０）優先配向層は少なくとも３層存在し、圧電体層及び一方の電極層を含む。上記３層にはバッファー層も含まれていることが好ましい。上記３層（（１１０）優先配向層）に含まれる電極層は、下部電極であっても上部電極であっても良い。機能層の積層順序は、基板（（１００）面のＳｉ層）側からバッファー層、下部電極層、圧電体層の順になるが、電極層が上部電極になる場合は、この順序ではなく、圧電体層、上部電極層、バッファー層の順となる。この機能層の好ましい厚みは、バッファー層では０．０１μｍから０．５μｍ、圧電体層では０．５μｍから１５μｍ、電極層では、０．１μｍから０．５μｍである。また、バッファー層は、蛍石型酸化物を含む層である事が好ましい。蛍石型酸化物としては、例えば、ＡｍＯ₂，ＣｅＯ₂，ＣｍＯ₂，Ｋ₂Ｏ，Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，ＮｐＯ₂，ＰａＯ₂，ＰｕＯ₂，ＲｂＯ₂，ＴｂＯ₂，ＴｈＯ₂，ＵＯ₂，ＺｒＯ₂であるが、好ましくはＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂であり、（１１０）優先配向である。ＺｒＯ₂は希土類元素をドーパントとして含むものであっても良い。蛍石型酸化物を選ぶことにより、５００℃以下、好ましくは４００℃以下の低温成膜でＳｉ基板の（１００）表面上に（１１０）優先配向の膜を得る事が出来る。

電極層は、二層構成が好ましく、少なくともその内一層は、ペロブスカイト型酸化物導電層である事が好ましい。酸化物導電層は、圧電体層側に配置される事が好ましい。また、酸化物以外に用いられる電極材料としては、金属材料であり、面心立方晶、体心立方晶、六法最密構造の材料を使用出来る。好ましくは、面心立方晶である。

面心立方晶となる金属材料としては、例えば、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｐｂ，Ｉｒ、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，γ−Ｆｅ等である。好ましくは、Ｐｔ、Ｉｒである。この金属層は、エッチング等でのエッチストップ層としてデバイス化時に利用できる。

圧電体層の結晶性を向上させるために、電極層のペロブスカイト型酸化物導電層は、（Ｓｒ_x，Ｃａ_y，Ｂａ_z）ＲｕＯ₃（但しｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系酸化物、やＬａがＡサイトに存在するペロブスカイト型酸化物を含む事が好ましい。

ＬａがＡサイトに入った酸化物としては、例えば、ＬａＭｏＯ₃，ＬａＣｏＯ₃，ＬａＣｒＯ₃，ＬａＡｌＯ₃，ＬａＳｒＣｏＯ₃，ＬａＣｕＯ₃，ＬａＳｒＭｎＯ₃，ＣａＬａＭｎＯ₃，ＬａＣａＲｈＯ₃，ＬａＳｒＲｈＯ₃，ＬａＢａＲｈＯ₃、ＬａＮｉＯ₃などが挙げられる。

これらペロブスカイト型化合物は圧電体層も含め、ＡＢＯ₃として組成が表示されるが、組成が完全に１：１：３である必要は無く、特性を損なわない範囲でズレている場合も本発明の範囲である。例えば、ペロブスカイト型酸化物導電層の酸素が導電性及び結晶性に大きな問題を生じない範囲で酸素プア−であっても良いし、圧電体層の特性向上のためにＡサイト元素がリッチであっても良い。組成ズレの範囲は、特に限定されないが、例えば、±１０％の範囲でずれる現象は、製法にもよるが、許容範囲である。

本発明では機能層が（１１０）優先配向の場合を示したが、結晶の構造が正方晶の場合は、機能層の一部が（１０１）優先配向および（０１１）優先配向の場合をも含む。特に蛍石型酸化物は、立方晶であるが、スパッタ成膜での成膜条件下では、ｃ軸が伸びた正方晶構造を採る場合もある。

本発明は、上記圧電体素子を有する事を特徴とするインクジェットヘッドに関する。本発明のインクジェットヘッドは、上記圧電体素子を有するので耐久性が良く、性能の安定したヘッドを得る事が出来る。本発明のインクジェットヘッドを図１，２を用いて説明する。図１はインクジェットヘッドの模式図であり、１は吐出口、２は個別液室３と吐出口１をつなぐ連通孔、４は共通液室、５は振動板、６は下部電極、７は圧電体層、８は上部電極である。７の圧電体膜は、図示されているように矩形の形をしている。この形状は矩形以外に楕円形、円形、平行四辺形等でも良い。本発明の圧電体膜７を更に詳細に図２で説明する。図２は、図１の圧電体膜の幅方向での断面図である。図中１１は基板であり、５は（１００）表面を有するＳｉ層である。６は、（１１０）優先配向したバッファー層である。９は（１１０）優先配向の下部電極層であり、７は（１１０）優先配向の圧電体層、８は上部電極層を示す。

インクジェットヘッドでは、５および６は振動板として機能する。９の電極は圧電体層と同様にパターニングされた表示になっているが、バッファー層と同様に均一なベタ膜でも良い。また、逆にバッファー層６も、電極層と同様にパターニングされた構造でも良い。電極層９は、２層構成が好ましく、圧電体層側がペロブスカイト型酸化物導電層、バッファー層側が金属層であるのが好ましい。その場合、金属層は、パターニングされていないベタ膜で酸化物層は圧電体層と同様にパターニングされている形状とするのが好ましい。７の断面形状は矩形で表示されているが台形あるいは逆台形でも良い。また８と９、６の構成順序が上下逆でも良い。即ち、上部電極として９が圧電体膜の上に７（圧電体膜）／９（電極層）／６（バッファー層）の順で構成されていても良い。また、この場合、素子として６のバッファー層を有していなくても良い。このように構成が逆になる理由は、デバイス化の製造方法によるものであり、逆となった場合でも同様に本発明の効果を得る事が出来る。

下部電極となる電極層９は圧電体膜７が存在しない部分まで引き出されており、上部電極８は、下部電極と反対側（不図示）に引き出され駆動電源に繋がれる。

本発明の圧電体素子の電極層／バッファー層／Ｓｉ基板の好ましい層構成を、以下に例示する。（ ）は結晶の優先配向を表す。また、各層はＳｉ基板の（１００）表面上に設ける。
（１）ＳｒＲｕＯ₃（１１０）／Ｐｔ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（２）ＳｒＲｕＯ₃（１１０）／Ｉｒ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／ＹＳＺ（１１０）／Ｓｉ
（３）ＣａＲｕＯ₃（１１０）／Ｐｔ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（４）ＬａＮｉＯ₃（１１０）／Ｉｒ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（５）ＣａＲｕＯ₃（１１０）／Ｉｒ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／ＺｒＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（６）ＬａＳｒＣｏＯ₃（１１０）／Ｒｕ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（７）ＬａＳｒＣｏＯ₃（１１０）／Ｐｔ（１１０）／ＣｅＯ₂（１１０）／Ｓｉ
（８）ＳｒＲｕＯ₃（１００）／ＣｅＯ₂（１１０）／ＹＳＺ（１１０）／Ｓｉ
上記構成の内、特に好ましい構成は、（１）、（２）及び（７）である。本発明のインクジェットヘッドにおける振動板材料としては面方位が（１００）面のＳｉ層を用いるが、これとバッファー層との積層体、あるいはこれとバッファー層及び電極層の積層体が振動板として用いられても良い。

本発明のインクジェットヘッドにおける振動板５の厚みは、０．５〜１０μｍであり、好ましくは１．０〜６．０μｍである。また、電極層の膜厚は、０．０５〜０．６５μｍであり、好ましくは、０．０８〜０．４μｍである。バッファー層の膜厚は、５ｎｍ〜４５０ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍである。上記膜厚にすることにより結晶性を良好に保持し、圧電体層の結晶性も良好にすることが出来る。（１１０）優先配向の電極層の膜厚は、５０ｎｍ〜６５０ｎｍであり、好ましくは８０ｎｍ〜４００ｎｍである。

図３は、インクジェットヘッドの個別液室を圧電体層側から見た平面図である。個別液室１２の幅Ｗａは、３０〜１８０μｍである。長さＷｂ（図３参照）は、吐出液滴量にもよるが、０．３〜６．０ｍｍである。反対面にある吐出口１の形は、円形あるいは星型であり、径は７〜４０μｍが好ましい。吐出口の断面形状は、連通孔２方向に拡大されたテーパー形状を有することが、好ましい。連通孔２の長さは、０．０５ｍｍから０．５ｍｍが好ましい。０．５ｍｍを超える長さであると、液滴の吐出スピードが小さくなる恐れがある。また、０．０５ｍｍ未満であると各吐出口から吐出される液滴の吐出スピードのばらつきが大きくなる恐れがある。

また、図７、８は本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置の概略図である。本発明は、これらにより、吐出特性が安定し、長寿命の、インクジェットヘッドが得られ、性能の良いインクジェット記録装置を達成する事が出来る。図７の外装をはずした動作機構部を図８に示す。記録媒体としての記録紙を装置本体内へ自動給送する自動給送部９７と、自動給送部９７から送出される記録紙を所定の記録位置へと導くとともに、記録位置から排出口９８へと記録紙を導く搬送部９９と、記録位置に搬送された記録紙に記録を行う記録部と、記録部に対する回復処理を行う回復部９０とから構成されている。本発明のインクジェットヘッドは、キャリッジ９２に配置され使用される。図７は、プリンターとしての例を示したが、本発明は、Ｆａｘや複合機、複写機あるいは、産業用吐出装置に使用されても良い。

本発明の圧電体素子の製造方法は、Ｓｉ基板の（１００）表面上に、（１１０）優先配向した電極層、圧電体層を設ける製造方法である。この製造方法の一例としては、基板上に（１１０）優先配向の蛍石型酸化物層（バッファー層）を形成する工程、蛍石型酸化物層上に（１１０）優先配向の電極層を形成する工程、電極層上に（１１０）優先配向の圧電体層を形成する工程を有する製造方法がある。特に蛍石型酸化物層の形成時の基板温度が１００℃以上４００℃以下、好ましくは１００℃以上３５０℃以下である。

これによりバッファー層の（１１０）結晶制御性が良好になり、また、圧電体素子を作成した後の特性も良好に保持する事が出来る。

さらにこの製造方法の他の一例は、面方位が（１００）面のＳｉ層／酸化物層／面方位が（１１０）面のＳｉ層の構成を有する基板を用いた製造方法である。面方位が（１００）面のＳｉ層または、面方位が（１００）面のＳｉ層と酸化物層を前述した振動板（例えば、図１及び２の振動版５など）に用いるため、前述した膜厚になる物を用いる。但し、加工方法により酸化物層が個別液室上の振動板にならず、エッチング等で除去される場合は、Ｓｉ層が振動板として利用される。酸化物層としては、ＳｉＯ₂層あるいはＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂層等であるが、これ以外の酸化物であっても良い。

上記基板の面方位が（１１０）面のＳｉ層をウエットエッチング処理により加工することでインクジェットヘッドに適した個別液室を設けることが出来る。

本発明の製造方法の他の態様としては、面方位が（１００）面のＳｉ基板に本発明の（１１０）優先配向の層を形成し、振動板を有する構造体にこれを転写する方法がある。さらに本発明の（１１０）優先配向の層を形成し、電極層、振動板を形成し、別の基板、あるいは個別液室等が加工された基板に転写する方法でも良い。

この場合の基板は、Ｓｉ基板以外にＳＵＳ、インコネル、Ｔｉ箔、Ｎｉ箔などの結晶性がランダムな基板を用いることが出来る。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法としては、上記圧電体層を形成する基板中に圧力室となる個別液室を形成する方法であっても、別途個別液室を形成した、あるいは形成できる別の基板に圧電体素子となる構成物を転写する方法であっても良い。

電極層及び誘電体層（圧電体層）の成膜方法は、スパッタ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法、ＭＢＥ法等であり、好ましくはスパッタ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ゾルゲル法であり、より好ましくはＭＯ−ＣＶＤ法とスパッタ法である。ＭＯ−ＣＶＤ法による、基板温度以外の条件としては基板上に原料ガスを連続的に供給するのではなく、断続的に供給するパルスＭＯ−ＣＶＤ法を採る事が好ましい。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、前記誘電体を成膜した時に用いた基板に圧力室となる個別液室を設ける方法と、別の基板に個別液室を設ける二つの方法が採用される。

前者の方法としては、圧電体層を設ける工程までは、上記製造方法と同じであり、さらに少なくとも、基板の一部を除去する工程、インク吐出口を形成する工程をさらに含む製造方法である。基板の一部を除去する事により、個別液室（図１の３あるいは図２の１２）を形成する。個別液室の製造方法は、基板のウエットエッチング、ドライエッチング、あるいはサンドミル等により製造する事が出来るが、上記に説明したように面方位が（１１０）面のＳｉ層にウエットエッチング処理の加工を行うことが好ましい。個別液室は、基板上に一定のピッチ数で複数個作成される。インクジェットヘッドの平面的配置を図示した図４で示されるように、個別液室１２が千鳥配列で配置されるものは、好ましい態様である。図４において、破線で示された１２の領域は、圧力が加わる個別液室であり、７は、パターニングされた圧電体素子部である。この圧電体素子部の圧電体膜は、少なくとも本発明の誘電体層と上部電極で構成されている。５は、振動板の部分と下部電極である。下部電極は、振動板と異なり、図２のようにパターニングされていても良い。図４で、個別液室の形状が、平行四辺形に図示されているのは、基板として、面方位が（１１０）面のＳｉ基板を用い、アルカリエッチャントによるウエットエッチングを行って個別液室を作成した場合には、このような形状になるためである。個別液室の形状はこれ以外に長方形であっても良いし、正方形でも良い。図４で示された平行四辺形状のような場合、吐出口１と１’間の距離を短くするために圧電体膜も平行四辺形状にパターニングされるのが好ましい。

インク吐出口は、吐出口１が設けられた基板を接合する、あるいは、吐出口１および連通孔２が形成された基板を接合する方法で形成される。図９はこのようにして形成されたインク吐出口の概略を表したものである。吐出口の形成方法は、エッチングあるいは、機械加工、あるいはレーザー光照射により形成される。吐出口が形成される基板は、圧電体膜が形成される基板と同じであっても異なっていても良い。異なる場合に選択される基板としては、ＳＵＳ基板、Ｎｉ基板等があり、圧電体膜が形成される基板との熱膨張係数の差が１０^-6／℃から１０^-8／℃の材料が選択される。

上記基板の接合方法としては、有機接着剤を用いる方法でも良いが、無機材料による金属接合による方法が好ましい。金属接合に用いられる材料は、Ｉｎ，Ａｕ，Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｔｉ，Ｃｒ、Ｐｄ等であり、３００℃以下の低温で接合出来、基板との熱膨張係数の差が小さくなるため、長尺化された場合に素子の反り等による問題が回避される以外に、圧電体層に対する損傷もなく、好ましい。

次に第二の製造方法について説明する。第二の方法は、第一の基板上に設けられた圧電体層を第二の基板に転写する方法である。圧電体層を設けるまでは、前述した方法と同じであるが、圧電体層をパターニングされない状態で振動板５を上部電極上に成膜し、第二の基板に転写する。

あるいは圧電体層上に電極及び／もしくは振動板を成膜し、振動板を第二の基板に接合し、圧電体層も含めて転写する。あるいは、前述したように圧電体層をパターニングして振動板が設けられた第二の基板に転写する。第二の基板は、例えば、図５で示されるａ）からｆ）の工程により、個別液室１２、連通孔２、共通液室４が順次、形成される。
ａ）工程は第二の基板１１上に個別液室に応じたマスク１１ａを形成した工程、
ｂ）工程はａ）工程で設けたマスク１１ａをエッチングマスクにして、上部からエッチング等により加工を行い個別液室１２を設ける工程（斜線部１２ａは、加工部（個別液室）を意味する）、
ｃ）工程はマスク除去工程および第二の基板のａ）工程で設けたマスクと反対側に連通孔２用のマスク１１ｂを作成する工程、
ｄ）工程はｃ）工程で設けたマスク１１ｂをエッチングマスクに用いてエッチング等により斜線部２ａ及び４ａの加工を行い、連通孔２および共通液室４を形成する工程、
ｅ）工程はｃ）工程により形成されたマスクの除去により個別液室１２、連通孔２、共通液室４が形成された状態を模式的に示した。
ｆ）工程は吐出口１と共通液室の一部が形成された基板とが接合された状態を示す。

図６は更に、図５のｆ）工程で吐出口と共通液室とが接合されたものの個別液室側に、面方位が（１００）面のＳｉ層５、下部電極９、圧電体層７、上部電極８の３層からなる機能層を接合したインクジェットヘッドを表したものである。図６のインクジェットヘッドの吐出口がある基板表面１６（図６）は、撥水処理がされている事が好ましい。

また、後者の方法の一例として記述しているように、第二の基板に振動板を形成しておき、その上に圧電体層を転写し、第一の基板を除去する場合の圧電体は、パターニングされた状態であっても、そうでなくても良い。この工程を採用する場合は、金属接合層を下部電極として、利用する事が好ましい。

本発明のインクジェットヘッドを製造する製造方法の特徴として、製造工程中、圧電体層のパターニング及び／又は、第一の基板除去工程が含まれるが、その際、金属電極膜が有る場合はエッチングストップ層として、利用する事が出来、工程上好ましい。

また、バッファー層の蛍石型酸化物層の応力を制御して対応することが出来、割れ、剥離、反り等の問題をなくす事が出来る。次に本発明を実施例を挙げて説明する。

以下に実施例を示す。なお、実施例中の（ ）は結晶の優先配向を表す。

（実施例１）
まず、面方位が（１００）面のＳｉ層が３μｍ厚で形成され、酸化物層としてＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂層が２μｍ、ハンドル基板として面方位が（１１０）面のＳｉ層が６２５μｍ厚の構成の基板を準備した。この基板の面方位が（１００）面のＳｉ層上に、基板温度２５０℃、ガス圧０．５Ｐａ、スパッタ法でＣｅＯ₂層（バッファー層）を５０ｎｍ成膜した。ＣｅＯ₂層は良好な（１１０）優先配向であった。この上に基板温度４５０℃でＰｔ（１１０）（下部電極層）、続いてＳＲＯ（１１０）膜（下部電極層：ルテニウム酸ストロンチウム）をそれぞれ、３０ｎｍ、１５０ｎｍ厚で設けた。さらに圧電体層をＰｂ（Ｚｒ_0.60Ｔｉ_0.40）Ｏ₃の組成比で基板温度５５０℃で３．５μｍ厚に成膜した。この圧電体層は、（１１０）優先配向性が９５％以上で正方晶と菱面体晶が混在した構成であった。

これに上部電極としてＳＲＯを１２０ｎｍ成膜した後、面方位が（１１０）面のＳｉ基板部をエッチング処理により、幅６０μｍ，長さ２．２ｍｍの平行四辺形部を除去し、複数の圧力室を３００ｄｐｉの密度で形成し、上部電極と圧電体層を上記圧力室に対応してパターニングした。これにノズルと各圧力室とを連通させる連通部を有するオリフィスプレートを接合し、本発明の圧電体素子を有するインクジェットヘッド１を得た。

（実施例２）
実施例１で用いた基板の面方位が（１００）面のＳｉ層表面をフッ酸処理した後、ＹがドープされたＺｒＯ₂層（バッファー層）をスパッタ製法で基板温度３００℃で１００ｎｍ厚で成膜し、続いてＣｅＯ₂層（バッファー層）を基板温度３５０℃で６０ｎｍ成膜した。どちらも（１１０）優先配向膜であった。この上に下部電極層としてＳＲＯ／Ｉｒの積層構造を基板温度をそれぞれ、４００℃（Ｉｒ）と４５０℃（ＳＲＯ）で成膜した。どちらも（１１０）優先配向膜であった。この上にＰＺＴ膜（Ｚｒ／Ｔｉ比＝６２／３８）（圧電体膜）をスパッタで基板温度５５０℃で３．５μｍ厚成膜させた。圧電体膜の配向は、（１１０）優先配向膜で配向率は９２％で正方晶と菱面体晶の混在系であった。この後、実施例１と同様に加工してインクジェットヘッド２を得た。

（実施例３）
Ｓｉ（１００）第一層／ＳｉＯ₂層／Ｓｉ（１００）第二層構成のＳＯＩ基板（各膜厚３μｍ／１μｍ／３００μｍ）を用いて、３μｍ厚のＳｉ（１００）第一層上にＣｅＯ₂（１１０）（バッファー層）を基板の加熱温度４００℃で４０ｎｍ厚にスパッタ成膜した。この上に下部電極層としてＰｔ（１１０）を１２０ｎｍ厚、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃（１１０）を４０ｎｍ、圧電体層として（１１０）エピタキシャル膜のＰｂ（Ｚｒ_0.55，Ｔｉ_0.45）Ｏ₃を３．５μｍ厚に６００℃下で成膜した。これに金の上部電極層をパターニング成膜し、上部電極層に沿ってＰＺＴ膜を幅４７μｍ、長さ３ｍｍでパターニングした。ＰＺＴが残る部位に合うようにＳｉ第二層側をＩＣＰ法によりＳｉＯ₂層までエッチング除去し、幅５８μｍ、長さ２．６ｍｍの複数の個別液室３を形成した。

この素子に連通孔、吐出口及びインク供給路が設けられたＳＵＳ基板を接合し、本発明のインクジェットヘッド３を得た。また、上記と同様な方法で個別液室の幅を９０μｍに広げたインクジェットヘッド４を得た。

（評価）
上記ヘッドを、電界強度１００００ｋＶ／ｍを掛けて、粘度３．５ｃｐｓの液体を吐出させて特性評価を行った。その結果を表１に示した。ここでの液滴量及び吐出速度は、高速度カメラによる液滴サイズ及び移動距離から換算した。上記ヘッドはいずれも耐久性に優れ、１０８回以上の吐出においても初期吐出時と比べて大きな特性ダウンがない事が確認された。

本発明に係るインクジェットヘッドの概略図 本発明に係る圧電体素子の断面図 本発明に係るインクジェットヘッドの個別液室の平面図 本発明に係るインクジェットヘッドの平面図 本発明に係るインクジェットヘッドの第二の基板製造工程を示す概略図 本発明に係るインクジェットヘッドの長手方向の断面図 本発明に係るインクジェット記録装置の概観図 本発明に係る外装を除いたインクジェット記録装置の概略図 本発明に係るインクジェットの液体吐出部分の概略図

符号の説明

１ 液体吐出口
２ 連通孔
３ 個別液室
４ 共通液室
５ Ｓｉ（１００）層
７ 圧電体層
８ 上部電極
１０ 酸化物層
１１ 基板
１２ 個別液室
１３ 上部電極

Claims (10)

1. 圧電体層と該圧電体層を挟持する一対の電極層とを含む圧電体素子であって、
   Ｓｉの（１００）面上に、（１１０）面に優先配向した少なくとも三つの層が積層されており、前記少なくとも三つの層は前記圧電体層と前記一対の電極層の一方の層とを含むことを特徴とする圧電体素子。
2. 前記少なくとも三つの層が、バッファー層を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子。
3. 前記少なくとも三つの層が、蛍石型酸化物層を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子。
4. 前記圧電体層が、擬立方晶の結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の圧電体素子。
5. 前記圧電体層が擬立方晶、菱面体晶及び正方晶からなる群より選択された少なくとも二種以上の結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の圧電体素子。
6. 前記蛍石型酸化物層が、ＣｅＯ₂及びＺｒＯ₂の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項３に記載の圧電体素子。
7. 前記蛍石型酸化物層が、該蛍石型酸化物層の材料を１００℃以上４００℃以下で熱処理することによって形成されたものであることを特徴とする請求項３に記載の圧電体素子。
8. 前記（１１０）面に優先配向した前記一対の電極層の一方の層が、ペロブスカイト型酸化物導電層を有する請求項１〜７の何れか１項に記載の圧電体素子。
9. 前記Ｓｉの（１００）面を有する層は、面方位が（１１０）のＳｉ層に接して設けられた酸化物層に接して設けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の圧電体素子。
10. 圧電体層と該圧電体層を挟持する一対の電極層とを含む圧電体素子と、該圧電体素子に対応して圧力室が設けられた圧力室部材と、を備え、前記圧電体素子の変位によって前記圧力室内の液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
    前記圧電体素子が、Ｓｉの（１００）面上に、（１１０）面に優先配向した少なくとも三つの層が積層されており、前記少なくとも三つの層は前記圧電体層と前記一対の電極層の一方の層とを含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。

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