JP4793568B2 - アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、分極方向の揺らぎを抑えた圧電体層を具備する圧電素子を用いたアクチュエータ装置並びに液滴を噴射するための駆動源としてアクチュエータ装置を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

電圧を印加することにより変位する圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射ヘッド等に搭載される。このような液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギーを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。

このようなインクジェット式記録ヘッドには、前述したように圧力発生室として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線等の発熱素子を設け、この発熱素子の発生するバブルによってノズル開口からインク滴を吐出させるものと、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ノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。

また、圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子を軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。

ここで、圧電素子は、例えば、シリコン単結晶基板の一方面側に下電極、圧電体層及び上電極を順々に積層することによって形成されている。このとき、下電極の結晶性は、その下地であるシリコン単結晶基板の面方位の影響を受けて、シリコン単結晶基板の面方位と同じ配向となる。そして、このような下電極上に積層された圧電体層の結晶性も同様に、その下地の影響を受けて下電極の面方位と同じ配向となる。

なお、実際には、シリコン単結晶基板の一方面側には、下電極の下地として、例えば、酸化シリコン層等のアモルファス（非晶質）層が予め設けられている。このため、下電極の結晶性は、シリコン単結晶基板の結晶方位の影響を実質的に免れて、最も結晶の成長エネルギーが小さい配向を示す。具体的には、アモルファス層上の下電極は、例えば、白金（Ｐｔ）等で形成すると、面方位（１１１）がシリコン単結晶基板の法線方向に向かって配向する。そして、このような下電極上に圧電体層を形成すると、圧電体層の面方位は（１１１）配向となる。

また、圧力発生室は、シリコン単結晶基板の圧電素子側とは反対の他方面側を異方性エッチングすることによって形成されている。このように、異方性エッチングを利用して圧力発生室を形成するためには、一般的に、面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板を用いる必要がある。

しかしながら、圧電体層の圧電特性を実質的に高めるためには、圧電体層の面方位は、その結晶系が菱面体晶系であるとき（１００）に配向していることが望ましい。シリコン単結晶基板として面方位（１１０）の基板を用い、このシリコン単結晶基板の一方面側に酸化シリコン層を形成した後、酸化シリコン層上に（１００）配向の下電極を形成し、圧電体層を（１００）配向にすることが試みられたが、下電極を（１００）配向にするのは非常に困難であった。

そこで、従来、例えば下電極として、白金、イリジウム等からなる（１１１）配向の下電極を形成した後、下電極上に圧電体層の配向制御の役割を担うチタン（結晶種）を形成し、このチタン上に圧電体層を形成するようにしていた。この方法によって、圧電体層は、下地であるチタンによって下電極の影響を受けることなく自由成長し、その面方位は大半が（１００）配向となる。これにより、圧力発生室を異方性エッチングを利用して容易に形成することができると共に圧電体層の大半を面方位（１００）に配向させることができる（特許文献１参照）。

しかしながら、圧電体層の配向制御の役割を担うチタンを設けたとしても、圧電体層は自由成長により形成されるので、配向の揺らぎが発生して面方位を（１００）に完全に配向させることはできないという問題がある。また、下電極上にチタンを形成するためには、厳格な工程管理が要求されるため、製造工程が煩雑となり、製造効率が悪いという問題がある。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、他の液体噴射ヘッドにおいても同様に発生する。

特開２００１−２７４４７２号公報（特許請求の範囲等）

本発明は、このような事情に鑑み、分極方向の揺らぎを抑えた、歪みのない状態の結晶からなる圧電体層を具備するアクチュエータ装置及び液滴を噴射するための駆動源としてアクチュエータ装置を具備する液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、面方位が（１００）のランタンニッケルオキサイドからなる下地層と、前記下地層上に設けられ、面方位が（１００）の白金からなる下電極と、前記下電極上に設けられ、面方位が（１００）配向の強誘電体層からなる圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上電極とからなる圧電素子と、を具備することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、面方位（１００）であるランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層上に白金（Ｐｔ）からなる下電極を成長させることにより、白金（Ｐｔ）からなる下電極の面方位が（１００）に制御され、さらにこの面方位が（１００）である白金（Ｐｔ）からなる下電極上に圧電体層をエピタキシャル成長させることにより、圧電体層を結晶歪みのない面方位（１００）に成長させることができ、分極方向の揺らぎを抑えた、歪みのない状態のアクチュエータ装置となる。

本発明の第２の態様は、少なくとも酸化ジルコニウムからなる層を有するバッファ層をさらに備え、前記下地層は前記バッファ層上に設けられていることを特徴とする第１の態様に記載のアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなるバッファ層が、振動板としての剛性を保持すると共に圧電体層から鉛（Ｐｂ）が溶出しても、鉛（Ｐｂ）が該バッファ層の下に設けられる層まで拡散するのを防ぐことができ、アクチュエータ装置の耐久性がより確実に向上する。

本発明の第３の態様は、シリコン単結晶基板と、前記シリコン単結晶基板上に設けられた二酸化シリコンからなる層とをさらに備え、前記バッファ層は前記二酸化シリコンからなる層上に設けられていることを特徴とする第２の態様に記載のアクチュエータ装置にある。
本発明の第４の態様は、前記圧電体層は、エピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様に記載のアクチュエータ装置にある。
本発明の第５の態様は、前記圧電体層は正方晶系、単斜晶系、及び菱面体晶系からなる群から選択される少なくとも一種の結晶系が他の結晶系に優先している結晶系を有することを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様に記載のアクチュエータ装置にある。
本発明の第６の態様は、前記バッファ層は、前記下地層との密着力を高める層を具備することを特徴とする第２又は３の態様に記載のアクチュエータ装置にある。
かかる第６の態様では、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる層を設けることで、振動板としての剛性を保持すると共に圧電体層から鉛（Ｐｂ）が溶出しても、鉛（Ｐｂ）が該バッファ層の下に設けられる層まで拡散するのを防ぐことができ、さらに密着力を高める層を設けることで酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる層と、結晶性が高いランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層との密着力を高めることができる。

本発明の第７の態様は、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、マグネシウム酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体及びリラクサ強誘電体から選択される何れか一種からなる単結晶強誘電体薄膜、又は面内無配向で基板方線方向に配向した多結晶強誘電体薄膜であることを特徴とする第１〜６の何れか一つの態様に記載のアクチュエータ装置にある。
かかる第７の態様では、実用に十分な電界誘起歪みを得ることができる。

本発明の第８の態様は、前記単結晶強誘電体薄膜又は、前記多結晶強誘電体薄膜が点欠陥を有することを特徴とする第７の態様に記載のアクチュエータ装置にある。
かかる第８の態様では、小さな電圧で大きな歪みを得ることができる。

本発明の第９の態様は、前記シリコン単結晶基板は、面方位が（１１０）であることを特徴とする第１〜８の何れか一つの態様に記載のアクチュエータ装置にある。
かかる第９の態様では、基板の面方位が（１１０）であっても、面方位（１００）のランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層を具備することにより、下電極の面方位が（１００）配向となる。

本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れか一つの態様に記載のアクチュエータ装置を、前記基板に形成された圧力発生室に当該圧力発生室内の液体をノズル開口から吐出させるための圧力を発生させる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１０の態様では、圧電特性の優れたアクチュエータ装置を圧力発生手段として備えた液体噴射ヘッドとなる。

本発明の第１１の態様は、第１０の態様に記載の液体噴射ヘッドを有することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第１１の態様では、圧電特性の優れたアクチュエータ装置を圧力発生手段として備えた液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置となる。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１には、本発明の一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概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ’断面図である。

流路形成基板１０は本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶からなり、その一方面には二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。なお、この弾性膜５０は、本実施形態では、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０を熱酸化することにより形成した酸化シリコンからなるアモルファス（非晶質）膜であり、流路形成基板１０の表面状態をそのまま維持した平滑な表面状態を有している。

この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板をその一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１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通されている連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は圧力発生室１２よりも狭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。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とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０がマスク膜５２を介して固着されている。

流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、バッファ層５６、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７、白金（Ｐｔ）からなる下電極６０、圧電体層７０、及び上電極８０が順に形成されている。

ここで、圧電素子３００は、下電極６０、圧電体層７０、及び上電極８０を含む部分からなる。圧電素子３００は、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極８０とから形成されている。一般的には、２つの電極のうちの何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を圧力発生室１２毎にパターニングして圧電素子３００を形成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、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て圧電アクチュエータと称する。

本発明において、バッファ層５６は、圧電素子３００から溶出した金属が弾性膜５０まで拡散するのを有効に防止すると共に振動板として好適に使用できる強度を有しているものを用いればよく、また、下地層５７との密着性が良好なものを用いるのが好ましい。さらに、バッファ層５６上に形成されている下地層５７の結晶配向に影響を与えないことが望ましく、以上の条件を満たせばアモルファス（非晶質）でも結晶でもよい。本実施形態では、バッファ層５６として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を用いた。なお、バッファ層５６は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に限定されるものではなく、上述した機能を有する層であればよい。また、単層に限定されるものではなく、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる層と下地層５７との密着力を高める層とからなる二層構造としてもよい。

本実施形態では、バッファ層５６としての酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が、圧電体層７０から溶出した金属、特に鉛が二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５０まで拡散するのを有効に防止する。

本発明において、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７は、厚さは例えば６０ｎｍであり、下地層５７の厚さは、下地層５７が分極方向に揺らぎがない結晶になる程度であればよい。ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）は、（１１１）配向の結晶上でも自由成長して（１００）配向で成長するという性質を有する。この性質を利用することで、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７は、バッファ層５６が（１１１）配向であっても自由成長し、配向の揺らぎが少ない状態で（１００）配向の結晶となる。なお、弾性膜５０の表面が平滑であればバッファ層５６の表面も平滑になり、バッファ層５６上で自由成長する下地層５７は、配向の揺らぎが著しく少ない結晶となる。

さらにランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）の格子定数は、白金（Ｐｔ）の格子定数３．８６１Åと非常に近く、３．９２３Åである。このため、下地層５７は、この上に形成される白金（Ｐｔ）からなる下電極６０を、結晶が歪みのない状態で成長させることができる。このように下地層５７は、下電極６０を（１００）配向に制御し、揺らぎの少なく、歪みのない結晶を形成するために設けられている。また、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）は導電性を有し、下電極の一部としても機能する。

本実施形態では、下電極６０は白金（Ｐｔ）からなり、配向の揺らぎが著しく少なく且つ格子定数の近い（１００）配向のランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７上で、エピタキシャル成長させる。これにより、下地層５７は、ほぼ完全に（１００）配向に制御され、且つ揺らぎの著しく少なく、歪みのない結晶となる。

このような下電極６０上に形成されている圧電体層７０は、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）としたが、下電極６０の面方位の影響を受けてエピタキシャル成長し、正方晶系、単斜晶系、又は菱面体晶系からなる群から選択される少なくとも一種の結晶系が他の結晶系に優先した結晶系となり、面方位が（１００）に配向する。すなわち、従来技術で挙げたように、下電極上にチタンを介して設けられた圧電体層のように自由成長により形成されたものではなく、下電極６０の面方位の影響を受けて配向制御されたものであるので、配向の揺らぎが著しく少ない状態で（１００）に優先配向したものである。

かかる圧電体層７０としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の他に、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）、マグネシウム酸ニオブ酸鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）との固溶体及びリラクサ強誘電体から選択される何れか一種からなる単結晶強誘電体薄膜又は、面内無配向で基板方線方向（柱状基準方向）に配向した多結晶強誘電体薄膜が挙げられる。ここでいう、単結晶強誘電体薄膜とは、結晶と結晶との間の粒界が無い状態をいい、面内無配向で基板方線方向（柱状基準方向）に配向した多結晶強誘電体薄膜とは、結晶が基板に対して柱状に形成されたものが密に集合し、各結晶は面内無配向で基板方線方向（柱状基準方向）に配向した状態をいう。

ここで、マグネシウム酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体としては、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３〔ＰＭＮ−ＰＴ〕、亜鉛酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３〔ＰＺＮ−ＰＴ〕等を挙げることができる。

また、リラクサ強誘電体とは、室温付近にキュリー温度があり、誘電率がＰＺＴなどの圧電体に比べて大きく（例えば、比誘電率が５０００以上など）、電界誘起歪みがＰＺＴなどの圧電体に比べて大きいものである。例えば、ＰＺＴなどの圧電体は、電界誘起歪みが０．３％程度なのに対し、リラクサ強誘電体は、電界誘起歪みが１．２％程度となる。このような、リラクサ強誘電体としては、例えば、チタン酸鉛を含有するリラクサ強誘電体、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＩＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＳＴ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＳＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＢＳ−ＰＴ（ＢｉＳｃＯ_３−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰＴ等を挙げることができる。

また、上述した圧電セラミック材料として、例えば、ＰＺＴを用いる場合、その構成元素のうちＺｒのモル量ＡとＴｉのモル量Ｂとの関係が所定の条件、例えば、Ａ／（Ａ＋Ｂ）≧０．５５の条件を満たしていることが好ましい。同様に、ＰＭＮ−ＰＴを用いる場合には、ＰＭＮのモル量ＣとＰＴのモル量Ｄとの関係が所定の条件、例えば、０．６５≦Ｃ／（Ｃ＋Ｄ）≦０．７５の条件を満たしていることが好ましい。また、ＰＺＮ−ＰＴを用いる場合には、ＰＺＮのモル量ＥとＰＴのモル量Ｆとの関係が所定の条件、例えば、０．９０≦Ｅ／（Ｅ＋Ｆ）≦０．９６５の条件を満たしていることが好ましい。なお、このような条件を満たした圧電セラミック材料で圧電体層７０を形成することによって、圧電体層７０の結晶構造は菱面体晶系が他の結晶系に優先したものとなり、圧電体層７０の圧電特性が実質的に高められる。

このような圧電体層７０は、例えば、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、更に高温で焼成する、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成される。具体的には、下電極６０の面方位と同じ配向で結晶が成長した圧電体層７０が形成される。勿論、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法やＭＯＤ法等で形成してもよい。

また、圧電体層７０を下地の下電極６０と同じ（１００）配向にエピタキシャル成長させるためには、例えば、その層を下地の結晶構造及び格子面間隔と類似するように所定の条件で形成することが好ましい。また、下地の表面との間に静電相互作用による反発力のない結晶構造となるように形成することが好ましい。

なお、本実施形態では、Ａ／（Ａ＋Ｂ）≧０．５５の条件を満たしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて圧電体層７０を形成した。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、菱面体晶系が他の結晶系に優先している結晶系となると共に、柱状に成長する。これは、下電極６０の立方晶系と界面の格子形状が正方形となり一致し、結晶が成長する初期段階では正方晶系で成長するが、成長が進むにつれて菱面体晶系に変化するためである。また、圧電体層７０を下電極６０の上に容易にエピタキシャル成長させることができるためである。このように結晶をエピタキシャル成長させた圧電体層７０は、下地である面方位（１００）の下電極６０の拘束を受けて結晶化しているため、下電極６０と同様に（１００）配向となっている。ここで、圧電体層を形成するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と、白金（Ｐｔ）のＡ軸の格子定数は、それぞれ４．０３Å、３．９２３Åと非常に近い。このため圧電体層７０も結晶に歪みのない状態で成長することができる。

なお、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、０．５５＞Ａ／（Ａ＋Ｂ）≧０．５０では、単斜晶系と菱面体晶系が他の結晶系に優先している結晶系となり、また、Ａ／（Ａ＋Ｂ）＜０．５０では、正方晶系が他の結晶系に優先している結晶系となるが、本発明ではこれらの条件を選択してもよい。

このように成膜された圧電体層７０は、下電極６０の（１００）配向に拘束された（１００）配向に優先配向し、好ましくは結晶が柱状となっている。なお、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、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。

また、特に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）などの強誘電体材料からなる単結晶強誘電体薄膜又は、面内無配向で基板方線方向に配向した多結晶強誘電体薄膜からなる圧電体層７０は、点欠陥を有してもよく、この点欠陥は、例えば、イオン注入法により形成することができる。すなわち、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンなどのVIIIＢ属から選択される少なくとも一種のイオン、又はＡｒイオンをイオン注入することにより形成された点欠陥を有するものとなる。

かかる圧電体層７０は、イオン注入による点欠陥を有するので、巨大電歪効果を示し、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる。特に、圧電体層７０を面方位が（１００）配向とした単結晶強誘電体薄膜とすると、イオン注入という比較的簡便な方法により点欠陥を比較的容易に形成することができ、これにより巨大電歪を有する圧電体層７０とすることができる。

イオン注入による点欠陥の形成方法は、特に限定されないが、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｒなどのVIIIＢ属の元素をイオン源でイオン化してイオンとし、これに荷電粒子加速器を用いてエネルギーを与えて圧電体層７０の表面をスパッタリングして行う。これにより、イオンが注入効果で圧電体層７０内に侵入し、内部の原子と衝突してエネルギーを失って静止し、ドープされ、点欠陥を形成する。なお、Ａｒイオンのイオン注入ではイオン注入により空孔が形成されることにより点欠陥となり、Ａｒイオンは他の部分に含まれることになる。なお、Ｆｅイオン、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、及びＣｒイオンなどのVIIIＢ属から選択される少なくとも一種のイオンと、Ａｒイオンとを併せてイオン注入してもよい。また、イオン注入されるイオン量は、点欠陥を形成して巨大電歪を得ることができる量であれば、特に限定されず、多すぎると結晶系が変化してしまうので、例えば、０．１％以下と微量な量を注入するのがよい。また、イオン注入は、荷電粒子加速器の駆動を制御することにより、圧電体層７０の全体に、すなわち、面方向及び厚さ方向に均一に注入するのが好ましい。

また、点欠陥を安定な位置に拡散させるためには、圧電体層７０に時効処理を施すのが好ましい。ここで、時効とは、圧電体層７０を一定温度に保持することをいう。

一方、上電極８０には、例えばイリジウム等を用い、この上電極８０には例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極８５がそれぞれ接続されている。このリード電極８５は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上にそれぞれ延設されて後述する駆動ＩＣと接続されている。

なお、このような圧電素子３００が設けられた側の流路形成基板１０上には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に形成されている。また、保護基板３０には、各圧力発生室１２に共通するリザーバ９０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されてリザーバ９０を構成している。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間には、この保護基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３３が設けられてけられており、各圧電素子３００から引き出されたリード電極８５の先端部はこの接続孔３３内に露出されている。また、保護基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側の表面には、各圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ３４が実装されている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極８５は、接続孔３３まで延設されており、図示しないが、例えば、ワイヤボンディング等からなる接続配線を介して駆動ＩＣ３４と接続されている。

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（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなる。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ９０に対向する領域には、厚さ方向に完全に除去された開口部４３が形成され、リザーバ９０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。

なお、このようなインクジェット式記録ヘッドは、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９０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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極６０と上電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、バッファ層５６、下地層５７、下電極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から液滴が吐出する。

ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０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５１を形成する。なお、上述したように、この二酸化シリコン膜５１は、アモルファス膜である。また、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。

次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上にバッファ層５６を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、スパッタリング法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、５００〜１２００℃程度の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなるバッファ層５６を形成している。なお、このバッファ層５６の厚さは特に限定されないが、本実施形態では、振動板の剛性に合わせて２０〜５００ｎｍ程度で調整することとしている。

図３（ｃ）に示すように、形成したバッファ層５６上にスパッタリング法により、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７を、６０ｎｍ程度の厚さで形成する。このランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）からなる下地層５７は、バッファ層５６の表面が平滑であれば、配向の揺らぎが著しく少ない状態で（１００）配向で自由成長し、（１００）配向となる。

次いで、図３（ｄ）に示すように、下地層５７上に下電極６０を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、スパッタリング法によって白金（Ｐｔ）層６１を形成し、その後、この白金（Ｐｔ）層６１を所定形状にパターニングすることによって下電極６０を形成した。このように形成された下電極６０は、上述したように下地層５７の上でエピタキシャル成長することで、配向制御されて（１００）配向となり、且つ分極方向に揺らぎが著しく少ない状態で結晶が形成される。

次いで、図４（ａ）に示すように、この下電極６０上に、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。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を形成した。ここで、圧電体層７０は下電極６０の拘束を受けて結晶化する。形成された圧電体層７０の結晶は、下電極６０と同様に、面方位（１００）に配向し、且つ分極方向に揺らぎが著しく少ない状態で形成される。

なお、本実施形態では、圧電体層７０をゾル−ゲル法によって成膜するようにしたが、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＯＤ法等であってもよい。

また、このように圧電体層７０を形成した後は、図４（ｂ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極８０を各圧力発生室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。

次いで、図５（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層８６を形成し、その後、この金属層８６を圧電素子３００毎にパターニングすることによりリード電極８５を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、例えば、厚さが４００μｍ程度のシリコンウェハからなり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接合する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。

次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。

なお、その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ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１１０の保護基板用ウェハ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インクジェット式記録ヘッドとする。

また、このようなインクジェット式記録ヘッドは、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に搭載される。図７は、そのインクジェット式記録装置の概略斜視図である。

図７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上に搬送されるようになっている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク滴以外の液滴を吐出する液体噴射ヘッド、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）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にも適用することができる。勿論、このような液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置も特に限定されるものではない。さらに、本発明は、液体噴射ヘッドに利用されるアクチュエータ装置に限定されず、他のあらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置にも適用できる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。

一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。 一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図。 一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。 一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。 一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。 一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。 一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １１ 隔壁、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５６ バッファ層、 ５７ 下地層、 ６０ 下電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極、 ８５ リード電極、 ９０ リザーバ、 ３００ 圧電素子

Claims (11)

1. 面方位が（１００）のランタンニッケルオキサイドからなる下地層と、
   前記下地層上に設けられ、面方位が（１００）の白金からなる下電極と、前記下電極上に設けられ、面方位が（１００）配向の強誘電体層からなる圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上電極とからなる圧電素子と、
   を具備することを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 少なくとも酸化ジルコニウムからなる層を有するバッファ層をさらに備え、前記下地層は前記バッファ層上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
3. シリコン単結晶基板と、前記シリコン単結晶基板上に設けられた二酸化シリコンからなる層とをさらに備え、前記バッファ層は前記二酸化シリコンからなる層上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ装置。
4. 前記圧電体層は、エピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
5. 前記圧電体層は正方晶系、単斜晶系、及び菱面体晶系からなる群から選択される少なくとも一種の結晶系が他の結晶系に優先している結晶系を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
6. 前記バッファ層は、前記下地層との密着力を高める層を具備することを特徴とする請求項２又は３に記載のアクチュエータ装置。
7. 前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、マグネシウム酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体及びリラクサ強誘電体から選択される何れか一種からなる単結晶強誘電体薄膜、又は面内無配向で基板方線方向に配向した多結晶強誘電体薄膜であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
8. 前記単結晶強誘電体薄膜又は、前記多結晶強誘電体薄膜が点欠陥を有することを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ装置。
9. 前記シリコン単結晶基板は、面方位が（１１０）であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載のアクチュエータ装置を、前記基板に形成された圧力発生室に当該圧力発生室内の液体をノズル開口から吐出させるための圧力を発生させる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
11. 請求項１０に記載の液体噴射ヘッドを有することを特徴とする液体噴射装置。

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