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
【課題】応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００は、基板１０と、基板１０の上方に形成された第１電極２０と、第１電極２０の上方に形成された第１圧電体３０と、第１圧電体３０の側方に形成され、第１圧電体３０の密度より小さい密度を有する低密度領域４０と、第１圧電体３０および低密度領域４０を覆って形成された第２圧電体５０と、第２圧電体５０の上方に形成された第２電極６０と、を含む。
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００は、基板１０と、基板１０の上方に形成された第１電極２０と、第１電極２０の上方に形成された第１圧電体３０と、第１圧電体３０の側方に形成され、第１圧電体３０の密度より小さい密度を有する低密度領域４０と、第１圧電体３０および低密度領域４０を覆って形成された第２圧電体５０と、第２圧電体５０の上方に形成された第２電極６０と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧印加によりその形状を変化させる特性を有する素子であり、圧電体を電極で挟んだ構造を有する。圧電素子は、例えばインクジェットプリンターの液滴吐出ヘッド部分や、各種アクチュエーターなど多様な用途に用いられている。
【０００３】
圧電素子は、例えば、下部電極上に第１圧電体を形成し、下部電極および第１圧電体を覆うように第２圧電体を形成して得ることができる。このような圧電素子では、第１圧電体の側面近傍に応力が集中し、圧電体にクラックが生じてしまうことがある。例えば特許文献１には、応力集中を緩和するため、圧電体にイオンを注入して低活性部を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９５３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、第１圧電体の側面近傍の応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電素子を含む圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、並びに、液体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された第１圧電体と、
前記第１圧電体の側方に形成され、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域と、
前記第１圧電体および前記低密度領域を覆って形成された第２圧電体と、
前記第２圧電体の上方に形成された第２電極と、
を含む。
【０００７】
このような圧電素子によれば、前記低密度領域によって、前記第１圧電体層の側面近傍の応力を緩和することができ、高い信頼性を有することができる。
【０００８】
本発明に係る圧電素子において、
前記第１圧電体の側面は、前記基板の上面に対して、第１角度で傾いており、
前記第１電極の側面は、前記基板の上面に対して、第２角度で傾いており、
前記第１角度は、前記第２角度より大きいことができる。
【０００９】
このような圧電素子によれば、前記第１電極における電界集中を緩和することができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子において、
前記低密度領域は、空隙を有することができる。
【００１１】
このような圧電素子によれば、確実に前記低密度領域の密度を前記第１圧電体層の密度より小さくすることができ、いっそう応力を緩和することができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板上に第１電極層を成膜する工程と、
前記第１電極層の上方に第１圧電体層を成膜する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１圧電体層を形成する工程に続いて、前記第１電極層をエッチングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１電極層をパターニングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体および前記第１電極を覆うように、第２前駆体層を成膜する工程と、
熱処理を行い、前記第２前駆体層を結晶化させて第２圧電体層とする工程と、
前記第２圧電体層の上方に第２電極層を成膜する工程と、
前記第２圧電体層および前記第２電極層をパターニングして、前記第１圧電体および前記第１電極を覆う第２圧電体および第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１圧電体を形成する工程では、前記第１圧電体の側面を、前記基板の上面に対して第１角度で傾くように形成し、
前記第１電極を形成する工程では、前記第１電極の側面を、前記基板の上面に対して第２角度で傾くように形成し、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい。
【００１３】
このような圧電素子の製造方法によれば、前記第１圧電体の側方に低密度領域が形成され、前記第１圧電体の側面近傍の応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記熱処理によって、前記第１圧電体の側方には、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域が形成されることができる。
【００１５】
このような圧電素子の製造方法によれば、前記低密度領域が形成されることにより、信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る圧電アクチュエーターは、
本発明に係る圧電素子を含む。
【００１７】
このような圧電アクチュエーターによれば、高い信頼性を有することができる。
【００１８】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電アクチュエーターを含む。
【００１９】
このような液体噴射ヘッドによれば、高い信頼性を有することができる。
【００２０】
本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。
【００２１】
このような液体噴射装置によれば、高い信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図９】本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
１． 圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、圧電素子１００を模式的に示す断面図である。
【００２５】
圧電素子１００は、図１に示すように、基板１０と、第１電極２０と、第１圧電体３０と、低密度領域４０と、第２圧電体５０と、第２電極６０と、を含む。
【００２６】
基板１０の材質としては、例えば、導電体、半導体、絶縁体などを例示することができる。ただし、少なくとも基板１０の上面１２は、基板１０の上面１２に第１電極２０を形成することから、絶縁体であることが好ましい。より具体的には、基板１０としては、例えば、単結晶シリコン基板を用いることができる。
【００２７】
基板１０は、例えば、可撓性を有し、第１圧電体３０および第２圧電体５０の動作によって変形（屈曲）する振動板であってもよい。この場合、圧電素子１００は、振動板と、第１電極２０と、第１圧電体３０と、低密度領域４０と、第２圧電体５０と、第２電極６０と、を含む圧電アクチュエーター１０２となる。したがって、以下の説明においては、圧電素子１００を圧電アクチュエーター１０２と読み替えることもできる。基板１０が振動板である場合は、基板１０の材質としては、例えば、単結晶シリコン上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とを積層したものを用いることができる。
【００２８】
第１電極２０は、基板１０上に形成されている。図示の例では、第１電極２０の側面２２は、基板１０の上面１２に対して第２角度βで傾いている。第２角度βは、鋭角であり、例えば、１５度〜４０度である。第１電極２０の材質としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１電極２０は、前述の例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第１電極２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。第１電極２０は、第１圧電体３０および第２圧電体５０に電圧を印加するための一方の電極である。
【００２９】
なお、図示はしないが、第１電極２０と基板１０との間には、例えば、第１中間層が形成されていてもよい。第１中間層としては、例えば、チタン層などを用いることができる。第１中間層によって、第１電極２０と基板１０との密着性を向上させることができる。すなわち、第１中間層は、密着層ともいえる。
【００３０】
第１圧電体３０は、第１電極２０上に形成されている。第１圧電体３０の側面３２は、基板１０の上面１２に対して第１角度αで傾いている。第１角度αは、第２角度βより大きな鋭角であり、例えば、４５度〜７５度である。第１圧電体３０としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いることができる。より具体的には、第１圧電体３０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などを用いることができる。第１圧電体３０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００３１】
低密度領域４０は、第１圧電体３０の側方に形成されている。図示はしないが、低密度領域４０は、第１電極２０の側方に形成されていてもよい。図示の例では、低密度領域４０は、第１圧電体３０の側面３２と第１電極２０の側面２２との接続部Ｐに接して形成されている。低密度領域４０の数および形状は、特に限定されない。低密度領域４０の密度は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい。低密度領域４０は、空隙（ボイド）を有し、そのために、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい密度を有していてもよい。低密度領域４０の材質は、特に限定されない。低密度領域４０は、アモルファス状であってもよい。低密度領域４０は、多孔質性（ポーラス状）であってもよい。低密度領域４０の誘電率は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の誘電率より小さくてもよい。低密度領域４０のグレインサイズは、第１圧電体３０および第２圧電体５０のグレインサイズより小さくてもよい。
【００３２】
第２圧電体５０は、第１圧電体３０および低密度領域４０を覆って形成されている。第２圧電体５０の幅（厚み方向と直交する方向の長さ）は、少なくとも、第１圧電体３０の幅より大きい。第２圧電体５０は、例えば、第１圧電体３０と同じ材質であってもよい。第２圧電体５０の厚さは、例えば、第１圧電体３０の厚さより大きく、３００〜３０００ｎｍである。
【００３３】
第１圧電体３０および第２圧電体５０は、電極２０，６０によって電界が印加されることで変形（駆動）することができる。基板１０として振動板を用いる場合、この変形により基板１０は、振動することができる。第１圧電体３０および第２圧電体５０のうち、第１電極２０と第２電極６０とに挟まれている領域（平面視において、第１電極２０と第２電極６０とが重複している領域）は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の実質的な駆動部といえる。したがって、第１圧電体３０の側面３２は、駆動部の端部ともいえる。
【００３４】
なお、図示はしないが、第２圧電体５０と、第１圧電体３０、第１電極２０および基板１０と、の間には、例えば、第２中間層が形成されていてもよい。第２中間層としては、例えば、チタン層などを用いることができる。第２中間層によって、その上に形成される第２圧電体５０の結晶の配向を制御することができる。すなわち、第２中間層は、配向制御層ともいえる。
【００３５】
第２電極６０は、第２圧電体５０上に形成されている。図示の例では、第２電極６０は、第２圧電体５０の上面に形成されているが、さらに、第２圧電体５０の側面および基板１０の上面１２に形成されていてもよい。第２電極６０の材質としては、例えば、上述の第１電極３０として例示した材質を用いることができる。第２電極６０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２電極６０は、第１圧電体３０および第２圧電体５０に電圧を印加するための他方の電極である。
【００３６】
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。
【００３７】
圧電素子１００によれば、第１圧電体３０の側方には、低密度領域４０が形成されている。低密度領域４０の密度は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい。これにより、第１圧電体３０の側面３２近傍の応力を緩和することができる。すなわち、低密度領域４０が形成されない場合は、例えば、実質的な駆動部の端部となる電極２０，６０に挟まれた第１圧電体３０および第２圧電体５０と、電極２０，６０に挟まれていない第２圧電体５０と、の間で応力が集中し、第１圧電体３０および第２圧電体５０にクラックが発生することがあるが、本実施形態によれば、低密度領域４０によって、この応力を緩和することができる。したがって、圧電素子１００では、クラックの発生を抑制でき、高い信頼性を有することができる。
【００３８】
圧電素子１００によれば、低密度領域４０は、空隙を有することができる。これにより、確実に低密度領域４０の密度を第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さくすることができ、いっそう応力を緩和することができる。また、空隙によって低誘電率層ができるため、低密度領域４０の上方の第２圧電体５０にかかる電圧が低下し、実質、駆動量が小さい圧電体となる。すなわち、第１電極２０の側面２２の近傍と第２電極６０に挟まれた、駆動量が小さい第２圧電体５０と、電極２０，６０に挟まれていない、駆動しない第２圧電体５０と、の間の応力集中をより緩和することができる。
【００３９】
圧電素子１００によれば、第２角度βは、第１角度αより小さい。すなわち、第１電極２０の側面２２は、なだらかであるため、第１電極２０の端部における電界集中を緩和することができる。よって、絶縁破壊（焼損）を抑制することができる。
【００４０】
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、図面を参照しながら説明する。図２〜図６は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００４１】
図２に示すように、基板１０上に、第１電極層２０ａを成膜する。第１電極層２０ａは、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成される。次に、第１電極層２０ａ上に、第１圧電体層３０ａを成膜する。第１圧電体層３０ａは、結晶化されていてもよい。第１圧電体層３０ａは、公知の方法で成膜されることができ、例えば、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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る。また、必要に応じて、熱処理を行い、結晶化を行う。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００〜８００度で行われる。また、第１圧電体層３０ａの結晶化は、第１圧電体層３０ａおよび第１電極層２２ａのパターニング後に行っても良い。
【００４２】
図３に示すように、第１圧電体層３０ａをパターニングして、第１圧電体３０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。エッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）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により行うことができる。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。エッチングガスとしては、例えば、塩素系ガスとフロン系ガスとの混合ガス（以下、「第１混合ガス」ともいう）を用いることができる。第１混合ガスを用いると、第１圧電体３０のエッチング速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ以上と大きくすることができ、レジスト選択比を約１．０と大きくすることができる。また、第１圧電体３０は、特に塩素ガスとの反応性が高く、パターニングの際にマスクとなるレジスト（図示せず）は、第１混合ガスに対して後退速度（第１圧電体３０の厚み方向と直交する方向へのエッチング速度）が小さい。そのため、第１混合ガスにおいて、塩素系ガスの流量比を、例えば、４０％〜７０％とすると、第１角度α（第１圧電体３０の側面３２の、基板１０の上面１２に対する傾き角）を、４５度〜７５度とすることができる。
【００４３】
図４に示すように、第１電極層２０ａをパターニングして、第１電極２０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。エッチングは、例えば、ＩＣＰ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により行うことができる。エッチングガスとしては、例えば、塩素系ガスとアルゴン系ガスとの混合ガス（以下、「第２混合ガス」ともいう）を用いることができる。エッチングにおいて、レジスト（図示せず）および第１圧電体３０の後退速度を制御することにより、第２角度β（第１電極２０の側面２２の、基板１０の上面１２に対する傾き角）を制御することができる。レジストおよび第１圧電体３０の後退速度が、第１電極層２０ａ（第１電極層２０ａの厚み方向と直交する方向へのエッチング速度）より大きくなるほど、第２角度βは小さくなる。レジストおよび第１圧電体３０の後退速度は、第２混合ガスにおける塩素ガスの流量比や、圧力によって制御することができる。例えば、第２混合ガスの塩素ガスの流量比を６０％〜８０％、圧力を０．３Ｐａ〜１．０Ｐａとすることにより、第２角度βを１５度〜４０度とすることができる。
【００４４】
例えば、第１電極層２０ａとして、Ｐｔ層（下層）と、Ｐｔ層上に形成されたＬＮＯ層（上層）と、の積層体を用いた場合は、ＬＮＯ層は、Ｐｔ層に比べて第２混合ガスに対するエッチング速度が小さいため、後退速度も小さく、それに伴い下層のＰｔ層の後退速度も小さくなる。これにより、第１電極層２０ａの後退速度は、レジストおよび第１圧電体３０の後退速度よりさらに遅くなり、第２角度βをより小さくすることができる。
【００４５】
図５に示すように、第１圧電体３０および第１電極２０を覆うように、第２前駆体層５２ａを成膜する。第２前駆体層５２ａは、例えば、第１圧電体層３０ａと同じ方法で成膜される。このとき、第２前駆体層５２ａは、結晶化されていない、または、一部のみ結晶化されている。
【００４６】
図６に示すように、第２前駆体層５２ａを結晶化させるために、熱処理を行う。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００〜８００度で行われる。これにより、第２前駆体層５２ａは、結晶化して第２圧電体層５０ａとなる。この熱処理工程において、第１圧電体３０の側面３２付近から成長した第２圧電体層５０ａのグレインは、はじめ第１圧電体３０の側面３２と垂直な方向へ成長し、徐々に基板１０に垂直な方向に成長する、柱状構造となる。一方、第１電極２０の側面２２付近から成長した第２圧電体層５０ａのグレインは、はじめ第１電極２０の側面２２と垂直な方向へ成長し、徐々に基板１０に垂直な方向へ成長する、柱状構造となる。このため、これらの部分のグレインは、初期の成長方向が異なるので、ぶつかる部分（衝突部分）が発生し、この衝突部分に低密度領域４０が発生する。例えば、衝突部分（低密度領域４０）では、第２圧電体層５０ａの柱状構造のグレインが大きく成長することができず、小さいグレインとなり、そのためにグレイン同士に隙間が生まれ、結果として第１圧電体３０および第２圧電体層５０ａより密度が小さくなる。また、例えば、衝突部分（低密度領域４０）では、グレインが大きな柱状構造を保とうとし、それを補填するために大きな空隙が形成され、結果として第１圧電体３０および第２圧電体層５０ａより密度が小さくなる。低密度領域４０は、第２圧電体層５０ａのグレインの成長方向（柱状構造の方向）の違いが大きいほど発生しやすい。すなわち、第１角度αと第２角度βとの差が大きいほど発生しやすい。また、熱処理により体積が大きく収縮するゾルゲル法やＭＯＤ法を使用すると、より好適に低密度領域４０を形成できる。
【００４７】
次に、図示はしないが、第２圧電体層５０ａ上に第２電極層を成膜する。第２電極層は、例えば、第１電極層２０ａと同じ方法で形成される。
【００４８】
図１に示すように、第２電極層および第２圧電体層５０ａをパターニングして、第２電極６０および第２圧電体５０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。第２電極層および第２圧電体層５０ａのパターニングは、一括で行われてもよいし、個別に行われてもよい。
【００４９】
なお、第２前駆体層５２ａを結晶化させるために熱処理を行う工程は、第２電極層を成膜する工程の後に行うこともできる。また、パターニングによって第２電極６０および第２圧電体５０を形成する工程の後に行ってもよい。
【００５０】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００５１】
圧電素子１００の製造方法によれば、上述のとおり、低密度領域４０によって、応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００５２】
３． 液体噴射ヘッド
次に、本発明に係る圧電素子が圧電アクチュエーターとして機能している液体噴射ヘッド２００について、図面を参照しながら説明する。図７は、液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。図８は、液体噴射ヘッド２００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。
【００５３】
液体噴射ヘッド２００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下の例では、本発明に係る圧電素子として圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド２００について説明する。なお、上述のとおり、圧電素子１００が圧電アクチュエーター１０２として機能する場合、基板１０は、可撓性を有し、第１圧電体３０および第２圧電体５０の動作によって変形する振動板となることができる。
【００５４】
液体噴射ヘッド２００は、図７および図８に示すように、ノズル孔２１２が形成されたノズル板２１０と、流路２２２を形成するための流路基板２２０と、圧電素子１００（圧電アクチュエーター１０２）と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド２００は、図８に示すように、筐体２３０を有することができる。なお、図８では、圧電素子１００の積層体１１０（第１電極２０、第１圧電体３０、低密度領域４０、第２圧電体５０および第２電極６０を含む積層体１１０）を簡略化して図示している。
【００５５】
ノズル板２１０には、図７および図８に示すように、ノズル孔２１２が形成されている。ノズル孔２１２からは、インクが吐出されることができる。ノズル板２１０には、例えば、多数のノズル孔２１２が一列に設けられている。ノズル板２２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを列挙することができる。
【００５６】
流路基板２２０は、ノズル板２１０上（図８の例では下）に設けられている。流路基板２２０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。流路基板２２０がノズル板２１０と基板１０との間の空間を区画することにより、図８に示すように、マニホールド（例えば液体貯留部ともいえる）２２４と、マニホールドと連通する流路２２２（例えば圧力室ともいえる）と、が設けられている。すなわち、マニホールド２２４および流路２２２は、ノズル板２１０と流路基板２２０と基板１０とによって区画されている。例えば、図８に示すように、マニホールド２２４と流路２２２とは、供給口２２６を介して、連通していてもよい。マニホールド２２４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２２８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。マニホールド２２４内のインクは、流路２２２に供給されることができる。流路２２２は、基板１０の変形により容積が変化する。流路２２２はノズル孔２１２と連通しており、圧力室２２２の容積変化によって、ノズル孔２１２からインクが吐出される。流路２２２は、圧電素子１００に対応して設けられていることができる。
【００５７】
圧電素子１００は、流路基板２２０上（図８の例では下）に設けられている。積層体１１０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、積層体１１０（第１圧電体３０および第２圧電体５０）の動作によって変形し、流路２２２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００５８】
筐体２３０は、図８に示すように、ノズル板２１０、流路基板２２０および圧電素子１００を収納することができる。筐体２３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを列挙することができる。
【００５９】
液体噴射ヘッド２００によれば、圧電素子１００を有することができる。そのため、液体噴射ヘッド２００は、高い信頼性を有することができる。
【００６０】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体噴射ヘッドは、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。
【００６１】
４． 液体噴射装置
次に、本実施形態に係る液体噴射装置３００について、図面を参照しながら説明する。図９は、液体噴射装置３００を模式的に示す斜視図である。液体噴射装置３００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、液体噴射装置３００が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。
【００６２】
液体噴射装置３００は、図９に示すように、ヘッドユニット３３０と、駆動部３１０と、制御部３６０と、を含む。さらに、液体噴射装置３００は、装置本体３２０と、給紙部３５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ３２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口３２２と、装置本体３２０の上面に配置された操作パネル３７０と、を含むことができる。
【００６３】
ヘッドユニット３３０は、例えば、上述した液体噴射ヘッド２００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３３０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３３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ３３１を搭載した運搬部（キャリッジ）３３２と、を備える。
【００６４】
駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０を往復動させることができる。駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０の駆動源となるキャリッジモーター３４１と、キャリッジモーター３４１の回転を受けて、ヘッドユニット３３０を往復動させる往復動機構３４２と、を有する。
【００６５】
往復動機構３４２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３４４と、キャリッジガイド軸３４４と平行に延在するタイミングベルト３４３と、を備える。キャリッジガイド軸３４４は、キャリッジ３３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ３３２を支持している。さらに、キャリッジ３３２は、タイミングベルト３４３の一部に固定されている。キャリッジモーター３４１の作動により、タイミングベルト３４３を走行させると、キャリッジガイド軸３４４に導かれて、ヘッドユニット３３０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。
【００６６】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体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。
【００６７】
制御部３６０は、ヘッドユニット３３０、駆動部３１０および給紙部３５０を制御することができる。
【００６８】
給紙部３５０は、記録用紙Ｐをトレイ３２１からヘッドユニット３３０側へ送り込むことができる。給紙部３５０は、その駆動源となる給紙モーター３５１と、給紙モーター３５１の作動により回転する給紙ローラー３５２と、を備える。給紙ローラー３５２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３５２ａおよび駆動ローラー３５２ｂを備える。駆動ローラー３５２ｂは、給紙モーター３５１に連結されている。制御部３６０によって供紙部３５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット３３０の下方を通過するように送られる。
【００６９】
ヘッドユニット３３０、駆動部３１０、制御部３６０および給紙部３５０は、装置本体３２０の内部に設けられている。
【００７０】
液体噴射装置３００によれば、液体噴射ヘッド２００を有することができる。そのため、液体噴射装置３００は、高い信頼性を有することができる。
【００７１】
なお、上記例示した液体噴射装置は、１つの液体噴射ヘッドを有し、この液体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、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体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。
【００７２】
以上、本発明にかかる液体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を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、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（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。本発明の液体噴射装置は、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。
【００７３】
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。したがって、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。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 基板、１２ 基板の上面、２０ 第１電極、２０ａ 第１電極層、
２２ 第１電極の側面、３０ 第１圧電体、３２ 第１圧電体の側面、
４０ 低密度領域、５０ 第２圧電体、５０ａ 第２圧電体層、５２ａ 第２前駆体層、
６０ 第２電極、１００ 圧電素子、１０２ 圧電アクチュエーター、１１０ 積層体、
２００ 液体噴射ヘッド、２１０ ノズル板、２１２ ノズル孔、２２０ 流路基板、
２２２ 流路、２２４ マニホールド、２２６ 供給口、２２８ 貫通孔、
２３０ 筐体、３００ 液体噴射装置、３１０ 駆動部、３２０ 装置本体、
３２１ トレイ、３２２ 排出口、３３０ ヘッドユニット、
３３１ インクカートリッジ、３３２ キャリッジ、３４１ キャリッジモーター、
３４２ 往復動機構、３４３ タイミングベルト、３４４ キャリッジガイド軸、
３５０ 給紙部、３５１ 給紙モーター、３５２ 給紙ローラー、
３５２ａ 従動ローラー、３５２ｂ 駆動ローラー、３６０ 制御部、
３７０ 操作パネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧印加によりその形状を変化させる特性を有する素子であり、圧電体を電極で挟んだ構造を有する。圧電素子は、例えばインクジェットプリンターの液滴吐出ヘッド部分や、各種アクチュエーターなど多様な用途に用いられている。
【０００３】
圧電素子は、例えば、下部電極上に第１圧電体を形成し、下部電極および第１圧電体を覆うように第２圧電体を形成して得ることができる。このような圧電素子では、第１圧電体の側面近傍に応力が集中し、圧電体にクラックが生じてしまうことがある。例えば特許文献１には、応力集中を緩和するため、圧電体にイオンを注入して低活性部を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９５３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、第１圧電体の側面近傍の応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電素子を含む圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド、並びに、液体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された第１圧電体と、
前記第１圧電体の側方に形成され、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域と、
前記第１圧電体および前記低密度領域を覆って形成された第２圧電体と、
前記第２圧電体の上方に形成された第２電極と、
を含む。
【０００７】
このような圧電素子によれば、前記低密度領域によって、前記第１圧電体層の側面近傍の応力を緩和することができ、高い信頼性を有することができる。
【０００８】
本発明に係る圧電素子において、
前記第１圧電体の側面は、前記基板の上面に対して、第１角度で傾いており、
前記第１電極の側面は、前記基板の上面に対して、第２角度で傾いており、
前記第１角度は、前記第２角度より大きいことができる。
【０００９】
このような圧電素子によれば、前記第１電極における電界集中を緩和することができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子において、
前記低密度領域は、空隙を有することができる。
【００１１】
このような圧電素子によれば、確実に前記低密度領域の密度を前記第１圧電体層の密度より小さくすることができ、いっそう応力を緩和することができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板上に第１電極層を成膜する工程と、
前記第１電極層の上方に第１圧電体層を成膜する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１圧電体層を形成する工程に続いて、前記第１電極層をエッチングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１電極層をパターニングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体および前記第１電極を覆うように、第２前駆体層を成膜する工程と、
熱処理を行い、前記第２前駆体層を結晶化させて第２圧電体層とする工程と、
前記第２圧電体層の上方に第２電極層を成膜する工程と、
前記第２圧電体層および前記第２電極層をパターニングして、前記第１圧電体および前記第１電極を覆う第２圧電体および第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１圧電体を形成する工程では、前記第１圧電体の側面を、前記基板の上面に対して第１角度で傾くように形成し、
前記第１電極を形成する工程では、前記第１電極の側面を、前記基板の上面に対して第２角度で傾くように形成し、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい。
【００１３】
このような圧電素子の製造方法によれば、前記第１圧電体の側方に低密度領域が形成され、前記第１圧電体の側面近傍の応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記熱処理によって、前記第１圧電体の側方には、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域が形成されることができる。
【００１５】
このような圧電素子の製造方法によれば、前記低密度領域が形成されることにより、信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る圧電アクチュエーターは、
本発明に係る圧電素子を含む。
【００１７】
このような圧電アクチュエーターによれば、高い信頼性を有することができる。
【００１８】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電アクチュエーターを含む。
【００１９】
このような液体噴射ヘッドによれば、高い信頼性を有することができる。
【００２０】
本発明に係る液体噴射装置は、
本発明に係る液体噴射ヘッドを含む。
【００２１】
このような液体噴射装置によれば、高い信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図９】本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
１． 圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、圧電素子１００を模式的に示す断面図である。
【００２５】
圧電素子１００は、図１に示すように、基板１０と、第１電極２０と、第１圧電体３０と、低密度領域４０と、第２圧電体５０と、第２電極６０と、を含む。
【００２６】
基板１０の材質としては、例えば、導電体、半導体、絶縁体などを例示することができる。ただし、少なくとも基板１０の上面１２は、基板１０の上面１２に第１電極２０を形成することから、絶縁体であることが好ましい。より具体的には、基板１０としては、例えば、単結晶シリコン基板を用いることができる。
【００２７】
基板１０は、例えば、可撓性を有し、第１圧電体３０および第２圧電体５０の動作によって変形（屈曲）する振動板であってもよい。この場合、圧電素子１００は、振動板と、第１電極２０と、第１圧電体３０と、低密度領域４０と、第２圧電体５０と、第２電極６０と、を含む圧電アクチュエーター１０２となる。したがって、以下の説明においては、圧電素子１００を圧電アクチュエーター１０２と読み替えることもできる。基板１０が振動板である場合は、基板１０の材質としては、例えば、単結晶シリコン上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とを積層したものを用いることができる。
【００２８】
第１電極２０は、基板１０上に形成されている。図示の例では、第１電極２０の側面２２は、基板１０の上面１２に対して第２角度βで傾いている。第２角度βは、鋭角であり、例えば、１５度〜４０度である。第１電極２０の材質としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１電極２０は、前述の例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第１電極２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。第１電極２０は、第１圧電体３０および第２圧電体５０に電圧を印加するための一方の電極である。
【００２９】
なお、図示はしないが、第１電極２０と基板１０との間には、例えば、第１中間層が形成されていてもよい。第１中間層としては、例えば、チタン層などを用いることができる。第１中間層によって、第１電極２０と基板１０との密着性を向上させることができる。すなわち、第１中間層は、密着層ともいえる。
【００３０】
第１圧電体３０は、第１電極２０上に形成されている。第１圧電体３０の側面３２は、基板１０の上面１２に対して第１角度αで傾いている。第１角度αは、第２角度βより大きな鋭角であり、例えば、４５度〜７５度である。第１圧電体３０としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いることができる。より具体的には、第１圧電体３０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などを用いることができる。第１圧電体３０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００３１】
低密度領域４０は、第１圧電体３０の側方に形成されている。図示はしないが、低密度領域４０は、第１電極２０の側方に形成されていてもよい。図示の例では、低密度領域４０は、第１圧電体３０の側面３２と第１電極２０の側面２２との接続部Ｐに接して形成されている。低密度領域４０の数および形状は、特に限定されない。低密度領域４０の密度は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい。低密度領域４０は、空隙（ボイド）を有し、そのために、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい密度を有していてもよい。低密度領域４０の材質は、特に限定されない。低密度領域４０は、アモルファス状であってもよい。低密度領域４０は、多孔質性（ポーラス状）であってもよい。低密度領域４０の誘電率は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の誘電率より小さくてもよい。低密度領域４０のグレインサイズは、第１圧電体３０および第２圧電体５０のグレインサイズより小さくてもよい。
【００３２】
第２圧電体５０は、第１圧電体３０および低密度領域４０を覆って形成されている。第２圧電体５０の幅（厚み方向と直交する方向の長さ）は、少なくとも、第１圧電体３０の幅より大きい。第２圧電体５０は、例えば、第１圧電体３０と同じ材質であってもよい。第２圧電体５０の厚さは、例えば、第１圧電体３０の厚さより大きく、３００〜３０００ｎｍである。
【００３３】
第１圧電体３０および第２圧電体５０は、電極２０，６０によって電界が印加されることで変形（駆動）することができる。基板１０として振動板を用いる場合、この変形により基板１０は、振動することができる。第１圧電体３０および第２圧電体５０のうち、第１電極２０と第２電極６０とに挟まれている領域（平面視において、第１電極２０と第２電極６０とが重複している領域）は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の実質的な駆動部といえる。したがって、第１圧電体３０の側面３２は、駆動部の端部ともいえる。
【００３４】
なお、図示はしないが、第２圧電体５０と、第１圧電体３０、第１電極２０および基板１０と、の間には、例えば、第２中間層が形成されていてもよい。第２中間層としては、例えば、チタン層などを用いることができる。第２中間層によって、その上に形成される第２圧電体５０の結晶の配向を制御することができる。すなわち、第２中間層は、配向制御層ともいえる。
【００３５】
第２電極６０は、第２圧電体５０上に形成されている。図示の例では、第２電極６０は、第２圧電体５０の上面に形成されているが、さらに、第２圧電体５０の側面および基板１０の上面１２に形成されていてもよい。第２電極６０の材質としては、例えば、上述の第１電極３０として例示した材質を用いることができる。第２電極６０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２電極６０は、第１圧電体３０および第２圧電体５０に電圧を印加するための他方の電極である。
【００３６】
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。
【００３７】
圧電素子１００によれば、第１圧電体３０の側方には、低密度領域４０が形成されている。低密度領域４０の密度は、第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さい。これにより、第１圧電体３０の側面３２近傍の応力を緩和することができる。すなわち、低密度領域４０が形成されない場合は、例えば、実質的な駆動部の端部となる電極２０，６０に挟まれた第１圧電体３０および第２圧電体５０と、電極２０，６０に挟まれていない第２圧電体５０と、の間で応力が集中し、第１圧電体３０および第２圧電体５０にクラックが発生することがあるが、本実施形態によれば、低密度領域４０によって、この応力を緩和することができる。したがって、圧電素子１００では、クラックの発生を抑制でき、高い信頼性を有することができる。
【００３８】
圧電素子１００によれば、低密度領域４０は、空隙を有することができる。これにより、確実に低密度領域４０の密度を第１圧電体３０および第２圧電体５０の密度より小さくすることができ、いっそう応力を緩和することができる。また、空隙によって低誘電率層ができるため、低密度領域４０の上方の第２圧電体５０にかかる電圧が低下し、実質、駆動量が小さい圧電体となる。すなわち、第１電極２０の側面２２の近傍と第２電極６０に挟まれた、駆動量が小さい第２圧電体５０と、電極２０，６０に挟まれていない、駆動しない第２圧電体５０と、の間の応力集中をより緩和することができる。
【００３９】
圧電素子１００によれば、第２角度βは、第１角度αより小さい。すなわち、第１電極２０の側面２２は、なだらかであるため、第１電極２０の端部における電界集中を緩和することができる。よって、絶縁破壊（焼損）を抑制することができる。
【００４０】
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、図面を参照しながら説明する。図２〜図６は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００４１】
図２に示すように、基板１０上に、第１電極層２０ａを成膜する。第１電極層２０ａは、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成される。次に、第１電極層２０ａ上に、第１圧電体層３０ａを成膜する。第１圧電体層３０ａは、結晶化されていてもよい。第１圧電体層３０ａは、公知の方法で成膜されることができ、例えば、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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る。また、必要に応じて、熱処理を行い、結晶化を行う。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００〜８００度で行われる。また、第１圧電体層３０ａの結晶化は、第１圧電体層３０ａおよび第１電極層２２ａのパターニング後に行っても良い。
【００４２】
図３に示すように、第１圧電体層３０ａをパターニングして、第１圧電体３０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。エッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）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により行うことができる。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。エッチングガスとしては、例えば、塩素系ガスとフロン系ガスとの混合ガス（以下、「第１混合ガス」ともいう）を用いることができる。第１混合ガスを用いると、第１圧電体３０のエッチング速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ以上と大きくすることができ、レジスト選択比を約１．０と大きくすることができる。また、第１圧電体３０は、特に塩素ガスとの反応性が高く、パターニングの際にマスクとなるレジスト（図示せず）は、第１混合ガスに対して後退速度（第１圧電体３０の厚み方向と直交する方向へのエッチング速度）が小さい。そのため、第１混合ガスにおいて、塩素系ガスの流量比を、例えば、４０％〜７０％とすると、第１角度α（第１圧電体３０の側面３２の、基板１０の上面１２に対する傾き角）を、４５度〜７５度とすることができる。
【００４３】
図４に示すように、第１電極層２０ａをパターニングして、第１電極２０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。エッチングは、例えば、ＩＣＰ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により行うことができる。エッチングガスとしては、例えば、塩素系ガスとアルゴン系ガスとの混合ガス（以下、「第２混合ガス」ともいう）を用いることができる。エッチングにおいて、レジスト（図示せず）および第１圧電体３０の後退速度を制御することにより、第２角度β（第１電極２０の側面２２の、基板１０の上面１２に対する傾き角）を制御することができる。レジストおよび第１圧電体３０の後退速度が、第１電極層２０ａ（第１電極層２０ａの厚み方向と直交する方向へのエッチング速度）より大きくなるほど、第２角度βは小さくなる。レジストおよび第１圧電体３０の後退速度は、第２混合ガスにおける塩素ガスの流量比や、圧力によって制御することができる。例えば、第２混合ガスの塩素ガスの流量比を６０％〜８０％、圧力を０．３Ｐａ〜１．０Ｐａとすることにより、第２角度βを１５度〜４０度とすることができる。
【００４４】
例えば、第１電極層２０ａとして、Ｐｔ層（下層）と、Ｐｔ層上に形成されたＬＮＯ層（上層）と、の積層体を用いた場合は、ＬＮＯ層は、Ｐｔ層に比べて第２混合ガスに対するエッチング速度が小さいため、後退速度も小さく、それに伴い下層のＰｔ層の後退速度も小さくなる。これにより、第１電極層２０ａの後退速度は、レジストおよび第１圧電体３０の後退速度よりさらに遅くなり、第２角度βをより小さくすることができる。
【００４５】
図５に示すように、第１圧電体３０および第１電極２０を覆うように、第２前駆体層５２ａを成膜する。第２前駆体層５２ａは、例えば、第１圧電体層３０ａと同じ方法で成膜される。このとき、第２前駆体層５２ａは、結晶化されていない、または、一部のみ結晶化されている。
【００４６】
図６に示すように、第２前駆体層５２ａを結晶化させるために、熱処理を行う。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００〜８００度で行われる。これにより、第２前駆体層５２ａは、結晶化して第２圧電体層５０ａとなる。この熱処理工程において、第１圧電体３０の側面３２付近から成長した第２圧電体層５０ａのグレインは、はじめ第１圧電体３０の側面３２と垂直な方向へ成長し、徐々に基板１０に垂直な方向に成長する、柱状構造となる。一方、第１電極２０の側面２２付近から成長した第２圧電体層５０ａのグレインは、はじめ第１電極２０の側面２２と垂直な方向へ成長し、徐々に基板１０に垂直な方向へ成長する、柱状構造となる。このため、これらの部分のグレインは、初期の成長方向が異なるので、ぶつかる部分（衝突部分）が発生し、この衝突部分に低密度領域４０が発生する。例えば、衝突部分（低密度領域４０）では、第２圧電体層５０ａの柱状構造のグレインが大きく成長することができず、小さいグレインとなり、そのためにグレイン同士に隙間が生まれ、結果として第１圧電体３０および第２圧電体層５０ａより密度が小さくなる。また、例えば、衝突部分（低密度領域４０）では、グレインが大きな柱状構造を保とうとし、それを補填するために大きな空隙が形成され、結果として第１圧電体３０および第２圧電体層５０ａより密度が小さくなる。低密度領域４０は、第２圧電体層５０ａのグレインの成長方向（柱状構造の方向）の違いが大きいほど発生しやすい。すなわち、第１角度αと第２角度βとの差が大きいほど発生しやすい。また、熱処理により体積が大きく収縮するゾルゲル法やＭＯＤ法を使用すると、より好適に低密度領域４０を形成できる。
【００４７】
次に、図示はしないが、第２圧電体層５０ａ上に第２電極層を成膜する。第２電極層は、例えば、第１電極層２０ａと同じ方法で形成される。
【００４８】
図１に示すように、第２電極層および第２圧電体層５０ａをパターニングして、第２電極６０および第２圧電体５０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。第２電極層および第２圧電体層５０ａのパターニングは、一括で行われてもよいし、個別に行われてもよい。
【００４９】
なお、第２前駆体層５２ａを結晶化させるために熱処理を行う工程は、第２電極層を成膜する工程の後に行うこともできる。また、パターニングによって第２電極６０および第２圧電体５０を形成する工程の後に行ってもよい。
【００５０】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００５１】
圧電素子１００の製造方法によれば、上述のとおり、低密度領域４０によって、応力を緩和することができる信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００５２】
３． 液体噴射ヘッド
次に、本発明に係る圧電素子が圧電アクチュエーターとして機能している液体噴射ヘッド２００について、図面を参照しながら説明する。図７は、液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。図８は、液体噴射ヘッド２００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。
【００５３】
液体噴射ヘッド２００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下の例では、本発明に係る圧電素子として圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド２００について説明する。なお、上述のとおり、圧電素子１００が圧電アクチュエーター１０２として機能する場合、基板１０は、可撓性を有し、第１圧電体３０および第２圧電体５０の動作によって変形する振動板となることができる。
【００５４】
液体噴射ヘッド２００は、図７および図８に示すように、ノズル孔２１２が形成されたノズル板２１０と、流路２２２を形成するための流路基板２２０と、圧電素子１００（圧電アクチュエーター１０２）と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド２００は、図８に示すように、筐体２３０を有することができる。なお、図８では、圧電素子１００の積層体１１０（第１電極２０、第１圧電体３０、低密度領域４０、第２圧電体５０および第２電極６０を含む積層体１１０）を簡略化して図示している。
【００５５】
ノズル板２１０には、図７および図８に示すように、ノズル孔２１２が形成されている。ノズル孔２１２からは、インクが吐出されることができる。ノズル板２１０には、例えば、多数のノズル孔２１２が一列に設けられている。ノズル板２２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを列挙することができる。
【００５６】
流路基板２２０は、ノズル板２１０上（図８の例では下）に設けられている。流路基板２２０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。流路基板２２０がノズル板２１０と基板１０との間の空間を区画することにより、図８に示すように、マニホールド（例えば液体貯留部ともいえる）２２４と、マニホールドと連通する流路２２２（例えば圧力室ともいえる）と、が設けられている。すなわち、マニホールド２２４および流路２２２は、ノズル板２１０と流路基板２２０と基板１０とによって区画されている。例えば、図８に示すように、マニホールド２２４と流路２２２とは、供給口２２６を介して、連通していてもよい。マニホールド２２４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２２８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。マニホールド２２４内のインクは、流路２２２に供給されることができる。流路２２２は、基板１０の変形により容積が変化する。流路２２２はノズル孔２１２と連通しており、圧力室２２２の容積変化によって、ノズル孔２１２からインクが吐出される。流路２２２は、圧電素子１００に対応して設けられていることができる。
【００５７】
圧電素子１００は、流路基板２２０上（図８の例では下）に設けられている。積層体１１０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、積層体１１０（第１圧電体３０および第２圧電体５０）の動作によって変形し、流路２２２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００５８】
筐体２３０は、図８に示すように、ノズル板２１０、流路基板２２０および圧電素子１００を収納することができる。筐体２３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを列挙することができる。
【００５９】
液体噴射ヘッド２００によれば、圧電素子１００を有することができる。そのため、液体噴射ヘッド２００は、高い信頼性を有することができる。
【００６０】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体噴射ヘッドは、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。
【００６１】
４． 液体噴射装置
次に、本実施形態に係る液体噴射装置３００について、図面を参照しながら説明する。図９は、液体噴射装置３００を模式的に示す斜視図である。液体噴射装置３００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、液体噴射装置３００が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。
【００６２】
液体噴射装置３００は、図９に示すように、ヘッドユニット３３０と、駆動部３１０と、制御部３６０と、を含む。さらに、液体噴射装置３００は、装置本体３２０と、給紙部３５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ３２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口３２２と、装置本体３２０の上面に配置された操作パネル３７０と、を含むことができる。
【００６３】
ヘッドユニット３３０は、例えば、上述した液体噴射ヘッド２００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３３０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３３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ３３１を搭載した運搬部（キャリッジ）３３２と、を備える。
【００６４】
駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０を往復動させることができる。駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０の駆動源となるキャリッジモーター３４１と、キャリッジモーター３４１の回転を受けて、ヘッドユニット３３０を往復動させる往復動機構３４２と、を有する。
【００６５】
往復動機構３４２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３４４と、キャリッジガイド軸３４４と平行に延在するタイミングベルト３４３と、を備える。キャリッジガイド軸３４４は、キャリッジ３３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ３３２を支持している。さらに、キャリッジ３３２は、タイミングベルト３４３の一部に固定されている。キャリッジモーター３４１の作動により、タイミングベルト３４３を走行させると、キャリッジガイド軸３４４に導かれて、ヘッドユニット３３０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。
【００６６】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド２００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、本発明の液体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。
【００６７】
制御部３６０は、ヘッドユニット３３０、駆動部３１０および給紙部３５０を制御することができる。
【００６８】
給紙部３５０は、記録用紙Ｐをトレイ３２１からヘッドユニット３３０側へ送り込むことができる。給紙部３５０は、その駆動源となる給紙モーター３５１と、給紙モーター３５１の作動により回転する給紙ローラー３５２と、を備える。給紙ローラー３５２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３５２ａおよび駆動ローラー３５２ｂを備える。駆動ローラー３５２ｂは、給紙モーター３５１に連結されている。制御部３６０によって供紙部３５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット３３０の下方を通過するように送られる。
【００６９】
ヘッドユニット３３０、駆動部３１０、制御部３６０および給紙部３５０は、装置本体３２０の内部に設けられている。
【００７０】
液体噴射装置３００によれば、液体噴射ヘッド２００を有することができる。そのため、液体噴射装置３００は、高い信頼性を有することができる。
【００７１】
なお、上記例示した液体噴射装置は、１つの液体噴射ヘッドを有し、この液体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、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体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。
【００７２】
以上、本発明にかかる液体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を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、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（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。本発明の液体噴射装置は、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。
【００７３】
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。したがって、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。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 基板、１２ 基板の上面、２０ 第１電極、２０ａ 第１電極層、
２２ 第１電極の側面、３０ 第１圧電体、３２ 第１圧電体の側面、
４０ 低密度領域、５０ 第２圧電体、５０ａ 第２圧電体層、５２ａ 第２前駆体層、
６０ 第２電極、１００ 圧電素子、１０２ 圧電アクチュエーター、１１０ 積層体、
２００ 液体噴射ヘッド、２１０ ノズル板、２１２ ノズル孔、２２０ 流路基板、
２２２ 流路、２２４ マニホールド、２２６ 供給口、２２８ 貫通孔、
２３０ 筐体、３００ 液体噴射装置、３１０ 駆動部、３２０ 装置本体、
３２１ トレイ、３２２ 排出口、３３０ ヘッドユニット、
３３１ インクカートリッジ、３３２ キャリッジ、３４１ キャリッジモーター、
３４２ 往復動機構、３４３ タイミングベルト、３４４ キャリッジガイド軸、
３５０ 給紙部、３５１ 給紙モーター、３５２ 給紙ローラー、
３５２ａ 従動ローラー、３５２ｂ 駆動ローラー、３６０ 制御部、
３７０ 操作パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された第１圧電体と、
前記第１圧電体の側方に形成され、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域と、
前記第１圧電体および前記低密度領域を覆って形成された第２圧電体と、
前記第２圧電体の上方に形成された第２電極と、
を含む、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１圧電体の側面は、前記基板の上面に対して、第１角度で傾いており、
前記第１電極の側面は、前記基板の上面に対して、第２角度で傾いており、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記低密度領域は、空隙を有する、圧電素子。
【請求項４】
基板上に第１電極層を成膜する工程と、
前記第１電極層の上方に第１圧電体層を成膜する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１圧電体層を形成する工程に続いて、前記第１電極層をエッチングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体および前記第１電極を覆うように、第２前駆体層を成膜する工程と、
熱処理を行い、前記第２前駆体層を結晶化させて第２圧電体層とする工程と、
前記第２圧電体層の上方に第２電極層を成膜する工程と、
前記第２圧電体層および前記第２電極層をパターニングして、前記第１圧電体および前記第１電極を覆う第２圧電体および第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１圧電体を形成する工程では、前記第１圧電体の側面を、前記基板の上面に対して第１角度で傾くように形成し、
前記第１電極を形成する工程では、前記第１電極の側面を、前記基板の上面に対して第２角度で傾くように形成し、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記熱処理によって、前記第１圧電体の側方には、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域が形成される、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電素子を含む、圧電アクチュエーター。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電アクチュエーターを含む、液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された第１圧電体と、
前記第１圧電体の側方に形成され、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域と、
前記第１圧電体および前記低密度領域を覆って形成された第２圧電体と、
前記第２圧電体の上方に形成された第２電極と、
を含む、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１圧電体の側面は、前記基板の上面に対して、第１角度で傾いており、
前記第１電極の側面は、前記基板の上面に対して、第２角度で傾いており、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記低密度領域は、空隙を有する、圧電素子。
【請求項４】
基板上に第１電極層を成膜する工程と、
前記第１電極層の上方に第１圧電体層を成膜する工程と、
前記第１圧電体層をパターニングして、第１圧電体を形成する工程と、
前記第１圧電体層を形成する工程に続いて、前記第１電極層をエッチングして、第１電極を形成する工程と、
前記第１圧電体および前記第１電極を覆うように、第２前駆体層を成膜する工程と、
熱処理を行い、前記第２前駆体層を結晶化させて第２圧電体層とする工程と、
前記第２圧電体層の上方に第２電極層を成膜する工程と、
前記第２圧電体層および前記第２電極層をパターニングして、前記第１圧電体および前記第１電極を覆う第２圧電体および第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１圧電体を形成する工程では、前記第１圧電体の側面を、前記基板の上面に対して第１角度で傾くように形成し、
前記第１電極を形成する工程では、前記第１電極の側面を、前記基板の上面に対して第２角度で傾くように形成し、
前記第１角度は、前記第２角度より大きい、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記熱処理によって、前記第１圧電体の側方には、前記第１圧電体の密度より小さい密度を有する低密度領域が形成される、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電素子を含む、圧電アクチュエーター。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電アクチュエーターを含む、液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液体噴射ヘッドを含む、液体噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１２１１７９（Ｐ２０１１−１２１１７９Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８２６７（Ｐ２００９−２７８２６７）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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