(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記一対の電極層と前記圧電体膜と前記振動板とのそれぞれの弾性率が三次元に関して等方であり、かつ電界に対する前記圧電体膜の歪量が該圧電体膜の面内方向において等方であるとしたときにおいて、前記一対の電極層間に一定電界を加え前記圧電体膜に歪を発生させ該歪により前記振動板が撓んだときの該振動板の主面上の最も大きな変位量となる点をＰδMAX、点ＰδMAXを中心とする該振動板の端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最も点ＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点をＰδAとしたとき、前記振動板が、撓んでいないときの該振動板の主面上にあり点ＰδMAXと点ＰδAとを結ぶ直線方向の軸Ａ1を一義的に決定できる形状を有し、前記軸Ａ1と直交し前記振動板の主面上にある軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、前記圧電体膜が、前記軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記振動板が、１本以上の対称軸を持つ円以外の形状を有しており、該振動板の形状を切る最も長い方向の対称軸を軸Ａ1'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ1'に直交する軸を軸Ａ2'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、
前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記振動板が、対称軸を持たず、かつ、対称中心を持つ形状を有しており、該対称中心から最も近い振動板端面上の対となる点を結ぶ直線方向を軸Ａ2'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ2'に直交する軸を軸Ａ1'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、
前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動板が、Ｓｉ又はＳｉを含む材料で構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動板が、ＹＳＺ｛１００｝／Ｓｉ（１００）を含む材料で構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記振動板が、セリア／ＹＳＺ｛１００｝／Ｓｉ（１００）を含む材料で構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記電極層が、｛１００｝単一配向したＡＢＯ3型ペロブスカイト構造を有する酸化物電極層を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記ＡＢＯ3型ペロブスカイト構造を有する酸化物電極層が、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）電極層であることを特徴とする請求項７記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記圧電体膜が、ＰＺＴ系圧電材料から構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電体膜が、リラクサ系圧電材料から構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記リラクサ系圧電材料が、下記のいずれかの式で表されるものであることを特徴とする請求項１０記載の圧電アクチュエータ。
（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （１）
（Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （２）
（Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （３）
（Ｐｂ（Ｉｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （４）
（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （５）
（Ｐｂ（Ｙｂ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （６）
（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｔａ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x    （７）
（上式中、ｘは、０＜ｘ＜１の実数を表す。）
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータを用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータ及びそれを用いた液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータは、２つの電極層に電界を加えると圧電体膜が膜厚方向及び面内方向に伸縮する。この２方向に分離できる圧電体膜の伸縮モードのうち、圧電体膜の面内方向の伸縮により、振動板が撓むことを利用した圧電アクチュエータは、一般にベンディングモード型圧電アクチュエータと呼ばれる。この構成の圧電アクチュエータは、振動板の撓み量を変位として取り出すことができるので、広く利用されている。
【０００３】
また、この構成の圧電アクチュエータの場合、数μｍ程度の膜厚の圧電体膜を用いることで、例えば、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータとして使用することができる。
【０００４】
この程度の厚みの圧電体膜を成膜する方法としては、圧電体膜を構成する圧電材料の前駆体と有機バインダーを含んだ溶液を振動板上にスクリーン印刷法により塗布し、乾燥し、これを焼成して圧電体膜を成膜する方法が一般に利用されている。また、圧電体膜を構成する圧電材料の前駆体と有機バインダーによって構成されたグリーンシートを振動板上に形成し、これを焼成して圧電体膜を成膜する方法なども広く利用されている。
【０００５】
近年、例えば、ベンディングモードの変位を利用する圧電アクチュエータの一例であるインクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンタにおいては、インクジェットヘッドの更なる高速化、高画質化が求められている。
【０００６】
このために、インクジェットヘッドには、精密な変位駆動制御を可能にし、微小液滴のインクを安定して吐出できること、高粘度のインクを吐出可能にするために、さらに吐出口の高密度化のために、より高い変位能を持つことが求められている。
【０００７】
そこで、上述したインクジェットヘッドへの要求性能を達成させるため、結晶構造を制御した、高い圧電性能をもつ圧電体膜の開発がなされている。このような圧電体膜は、一般に薄膜成膜方法として知られている、次に例示する成膜法により成膜される。
・スパッタ成膜法
・ＭＯＣＶＤ（メタルオーガニックケミカルベーパーデポジション）成膜法
・ＰＬＤ（パルスレーザーデポジション）成膜法
・ＭＢＥ（モレキュラービームエピタキシー）成膜法
・ＣＳＤ（ケミカルソリューションデポジション＝ゾル−ゲル法）成膜法
このような製成膜法は、圧電体膜を目的のものに直接成膜できるので、半導体製造プロセスなどを用いた微細な加工に対応することができる。このことから、メムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）などの微細構造体の圧電アクチュエータの製造方法としても有効な製造方法として注目されている。
【０００８】
例えば、特許文献１には、インクジェットヘッドの流路を構成する基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電体素子を具備する液体噴射ヘッドが開示されている。この液体噴射ヘッドは、前記基板上に、酸化ジルコニア層と、酸化セリウム層と、イットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる超電導体層とを備えている。さらに、該超電導体層上にルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の上に形成された上電極を備えている。前記下電極上にゾル−ゲル法によりＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）膜を成膜し、ＰＺＴ結晶構造の単結晶化を実現し、（１００）配向した圧電体層とすることによって、最大出力で均一な圧電特性の液体吐出を行うことができることが開示されている。さらに、第２、第３の態様においては、上記構成において圧電体結晶面方位が（１００）配向となるとき、圧電特性を実質的に高めることができることが開示されている。
【０００９】
圧電アクチュエータ、特に薄膜成膜方法を用いた場合のベンディングモードを利用する構成の圧電アクチュエータにおいては、圧電体膜の歪を振動板の撓みに変換する構成となっている。このため、振動板と、２つの電極に挟まれた圧電体膜を有する圧電アクチュエータにおいては、撓み量などの実質的な性能を引き出すためには、圧電体膜の歪性能のみならず、圧電体膜と振動板との相対的関係が非常に重要な構成となっている。即ち、圧電体膜の優れた圧電特性をベンディングモードの圧電アクチュエータとして有効利用するためには、実質的に圧電アクチュエータの性能を決定する圧電体膜と振動板との相対的関係を考慮して、圧電アクチュエータを設計することが重要である。特に圧電アクチュエータの変位量と、圧電アクチュエータの駆動波形に対する応答性とを両立させることが重要な課題となっている。
【特許文献１】特開２００４−０４２２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、微細な構造の圧電アクチュエータとしてＭＥＭＳなどに応用が可能な、大きな変位量かつ駆動波形に対する応答性のよい変位制御性に優れた圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明者らは優れた圧電特性の圧電体膜を有効に利用できる圧電アクチュエータの構成について種々の検討を重ね、本発明を完成するに至った。
【００１２】
上記課題を解決した本発明には以下のものが含まれる。
（１）振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記一対の電極層と前記圧電体膜と前記振動板とのそれぞれの弾性率が三次元に関して等方であり、かつ電界に対する前記圧電体膜の歪量が該圧電体膜の面内方向において等方であるとしたときにおいて、前記一対の電極層間に一定電界を加え前記圧電体膜に歪を発生させ該歪により前記振動板が撓んだときの該振動板の主面上の最も大きな変位量となる点をＰδMAX、点ＰδMAXを中心とする該振動板の端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最も点ＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点をＰδAとしたとき、前記振動板が、撓んでいないときの該振動板の主面上にあり点ＰδMAXと点ＰδAとを結ぶ直線方向の軸Ａ1を一義的に決定できる形状を有し、前記軸Ａ1と直交し前記振動板の主面上にある軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、前記圧電体膜が、前記軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記振動板が、１本以上の対称軸を持つ円以外の形状を有しており、該振動板の形状を切る最も長い方向の対称軸を軸Ａ1'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ1'に直交する軸を軸Ａ2'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、
前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（３）振動板と、圧電体膜と、該圧電体膜を挟む様に設けられた一対の電極層と、を有し、該圧電体膜と該一対の電極層とが該振動板上に設けられている圧電アクチュエータであって、
前記振動板が、対称軸を持たず、かつ、対称中心を持つ形状を有しており、該対称中心から最も近い振動板端面上の対となる点を結ぶ直線方向を軸Ａ2'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ2'に直交する軸を軸Ａ1'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものであり、
前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、大きな変位量、かつ、駆動波形に対する応答性のよい変位制御性に優れた圧電アクチュエータ、これを有効に利用した液体吐出ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態の圧電アクチュエータは、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータであって、前記振動板及び圧電体膜が、下記の（ａ）〜（ｄ）の条件下で（ｅ）〜（ｇ）の要件を満たすものであることを特徴とする。すなわち、
（ａ）前記一対の電極層と前記圧電体膜と前記振動板とのそれぞれの弾性率が三次元に関して等方であるとする。
（ｂ）電界に対する前記圧電体膜の歪量が該圧電体膜の面内方向において等方であるとする。
（ｃ）前記一対の電極層間に一定電界を加え前記圧電体膜に歪を発生させ該歪により前記振動板が撓んだときの該振動板の主面上の最も大きな変位量となる点をＰδMAXとする。（ｄ）点ＰδMAXを中心とする該振動板の端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最も点ＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点をＰδAとする。
（ｅ）前記振動板が、撓んでいないときの該振動板の主面上にあり点ＰδMAXと点ＰδAとを結ぶ直線方向の軸Ａ1を一義的に決定できる形状を有する。
（ｆ）前記軸Ａ1と直交し前記振動板の主面上にある軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものである。
（ｇ）前記圧電体膜が、前記軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜である。
【００１５】
本発明の第２の実施形態の圧電アクチュエータは、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータであって、前記振動板及び圧電体膜が、下記の（ａ）〜（ｃ）の要件を満たすものであることを特徴とする。すなわち、
（ａ）前記振動板が、１本以上の対称軸を持つ円以外の形状を有している。
（ｂ）前記振動板が、該振動板の形状を切る最も長い方向の対称軸を軸Ａ1'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ1'に直交する軸を軸Ａ2'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものである。
（ｃ）前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜である。
【００１６】
本発明の第３の実施形態の圧電アクチュエータは、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータであって、前記振動板及び圧電体膜が、下記の（ａ）〜（ｃ）の要件を満たすものであることを特徴とする。すなわち、
（ａ）前記振動板が、対称軸を持たず、かつ、対称中心を持つ形状を有している。
（ｂ）前記振動板が、該対称中心から最も近い振動板端面上の対となる点を結ぶ直線方向を軸Ａ2'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ2'に直交する軸を軸Ａ1'としたとき、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単一配向材料または単結晶材料で構成されたものである。（ｃ）前記圧電体膜が、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単一配向膜または単結晶膜である。
【００１７】
上記第１の実施形態の圧電アクチュエータにおいて規定した、点ＰδMAX、点ＰδA並びに軸Ａ1及び軸Ａ2は、たとえば、次のようにして定めることができる。
【００１８】
例えば、本発明の圧電アクチュエータの実施形態に対応する圧電アクチュエータモデルを想定し、このモデルを構成する各部材の形状、寸法等の設計要素を確定する。また、使用する圧電材料、振動板材料、電極材料等を想定し、これら材料が等方的とみなせるときの弾性率等の物性値を設定する。そして、前記圧電アクチュエータモデルを構成する各材料の弾性項が等方的であり、圧電体膜の歪量が面内方向において等方的であるとして、有限要素法等の数値解析手法により、構造解析を行い、点ＰδMAX及び点ＰδA並びに軸Ａ1及び軸Ａ2等を求める。そして、想定した圧電アクチュエータモデルの振動板が、撓んでいないときの該振動板の平面上にあり点ＰδMAXと点ＰδAとを結ぶ直線方向の軸Ａ1を決定できる形状を有していることを確認すればよい。
【００１９】
前述した、圧電アクチュエータモデルについての構造計算を行うことなく、圧電アクチュエータの振動板等の形状から、点ＰδMAX及び点ＰδA並びに軸Ａ1及び軸Ａ2等を特定することが可能なものもある。
【００２０】
以下に圧電アクチュエータの振動板等の形状から、点ＰδMAX及び点ＰδA並びに軸Ａ1及びＡ2を決定することが可能なものについて図面を用いて説明する。
【００２１】
図１−１〜図１−４に、圧電アクチュエータの振動板の形状の例を示す。
【００２２】
図１−１の（ａ）には、形状が長方形の振動板の例を、（ｂ）には、形状が楕円形の振動板の例を示した。また、図１−２の（ｃ）には、形状が菱形の振動板の例を、（ｄ）には、形状が平行四辺形の振動板の例を、図１−３の（ｅ）には、形状が等脚台形の振動板の例を、（ｆ）には、形状が正方形の振動板の例を示した。更に、図１−４の（ｇ）には、形状が円形の振動板の例を示した。また、振動板が撓み静止したときの、変位量が最大の点ＰδMAX、点ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最もＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点ＰδAを各々の図中に示した。また、振動板が撓んでいないときの該振動板の平面上にあり点ＰδMAXと点ＰδAとを結ぶ直線方向の軸Ａ1を決定できる圧電アクチュエータにおいては、軸Ａ1と直交し該振動板が構成する平面上にある軸Ａ2も示した。
【００２３】
振動板の形状が２つの直交する対称軸を持つときその対称軸の交点が変位量最大の点ＰδMAXとなる。図１−１においては、（ａ）、（ｂ）に示した振動板が、図１−２においては（ｃ）に示した振動板がそれにあたる。この場合点ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最も点ＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点ＰδAは、振動板形状の長手方向の対称軸上に２点存在する。つまり、本発明において規定している、軸Ａ1は振動板の長手方向の対称軸であり、軸Ａ1及び軸Ａ2を一義的に決定することができる。
【００２４】
次に、図１−２の（ｄ）に示した形状が平行四辺形の振動板は、対称中心を持つ形状の例であり、この対称中心が点ＰδMAXとなる。この場合点ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最もＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点ＰδAは、点ＰδMAXを通り平行四辺形の長辺と平行な線上に存在する。つまり本発明において規定している、軸Ａ1はＰδMAXを通り平行四辺形の長辺と平行な線と一致する。このように形状が平行四辺形の振動板においては、軸Ａ1及び軸Ａ2を一義的に決定することができる。
【００２５】
次に、図１−３の（ｅ）に示した形状が等脚台形の振動板は、１つの対称軸を持つ形状の例である。図１−３の（ｅ）に示した形状が等脚台形の振動板は、点ＰδMAX及び点ＰδAはともに、平行である２つの辺の中央線上、即ち、対称軸上に存在する。つまり本発明において規定している、軸Ａ1は振動板の対称軸と一致し、軸Ａ1及び軸Ａ2を一義的に決定することができる。
【００２６】
次に、図１−３の（ｆ）に示した形状が正方形の振動板は、対称中心である正方形の中心がＰδMAXとなる。この場合ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最も点ＰδMAXにおける変位量との差の少ない点ＰδAは、同図に示すように２つの対角線と基準円周とが交わる４つの位置に存在する。このとき、前記２つの対角線は、それぞれ対称軸でもありこれらは等価である。従って、軸Ａ1をどちらの対称軸の方向に決定しても、振動板形状としては等価であるので、軸Ａ1及び軸Ａ2を一義的に決定することができると言える。
【００２７】
次に、図１−４の（ｇ）に示した形状が円形の振動板は、対称中心である円の中心がＰδMAXとなる。この場合ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最もＰδMAXにおける変位量との差の少ない振動板面上の点ＰδAは基準円周上の総ての点となる。つまり、このような場合軸Ａ1及び軸Ａ2は一義的に決定することができない。このため図１−４（ｇ）に示した形状を有する振動板は本発明の実施形態１及び２における圧電アクチュエータの振動板に該当しない。
【００２８】
振動板の形状を上述のごとく規定したとき、該振動板を、軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単結晶材料で構成されたものとすると該振動板の弾性率は、ベンディングモードの変位性能に大きく寄与する。
【００２９】
結晶構造を持つ材料は、各結晶方位ごとの弾性率が異なる。例えば、｛１００｝面を表面にもつＳｉ（１００）ウェハ（又は基板）の場合、その側面には｛１００｝面と｛１１０｝面とが４５°ごとに交互に存在する構成となっている。このとき＜１００＞方向の弾性率が最も小さく、＜１１０＞方向の弾性率が最も大きい。その間の方位では、連続的なその中間の弾性率をもつ。
【００３０】
この最大の弾性率をもつ＜１１０＞方向がベンディングモードの変位性能に大きく寄与する。本発明の第１及び第２の実施形態の圧電アクチュエータにおいては、いずれも、振動板は、軸Ａ2方向に垂直な面が｛１１０｝である単結晶材料で構成される。このようにすることによって、圧電アクチュエータの共振周波数が高くなり、駆動波形に対する応答性が良くなる。このとき、軸Ａ2に垂直な面と該単結晶材料の｛１１０｝とが±５°以下の範囲で面方位がずれていても構わない。
【００３１】
さらに、第１の実施形態の圧電アクチュエータは、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータである。圧電体膜としては、前記軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単結晶圧電体膜である。これによって、高い圧電特性を得ることができるので、弾性率の高い振動板においても、大きな変位量を得ることができる。
【００３２】
圧電体膜を単結晶圧電体膜とすることによって、ベンディングモードの変位性能に大きく寄与する振動板の方位に対して、圧電体膜の方位を選ぶことができる。前述した軸Ａ2に垂直な面に圧電体膜の｛１００｝面を一致させることによって、さらに高い変位性能を得ることができる。
【００３３】
また、本発明の第２の実施形態の圧電アクチュエータも、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータである。本実施形態においては、前記振動板は、１本以上の対称軸を持つ円以外の形状を有している。該振動板の形状を切る最も長い方向の対称軸を、軸Ａ1'、該振動板の平面上にあって、前記軸Ａ1'に直交する軸を軸Ａ2'としたとき、該振動板は、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単結晶材料で構成されている。また、前記圧電体膜は、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単結晶圧電体膜である。
【００３４】
また、本発明の第３の実施形態の圧電アクチュエータも、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータである。この実施形態における前記振動板は、対称軸を持たず、かつ、対称中心を持つ形状を有している。該対称中心から最も近い振動板端面上の対となる点を結ぶ直線方向を軸Ａ2'とし、該振動板の平面上にあって軸Ａ2'に直交する軸Ａ1'とする。このとき、該振動板は、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１１０｝である単結晶材料で構成されている。また、前記圧電体膜は、前記軸Ａ2'に垂直な面が｛１００｝である単結晶圧電体膜である。
【００３５】
本発明の第２及び第３の実施形態の圧電アクチュエータは、前記第１の実施形態のうち、振動板の形状が１本以上の対称軸を持つ円以外の形状又は対称中心を有するものに該当する。
【００３６】
上記の第１から第３の実施形態の圧電アクチュエータにおける好ましい構成として、更に以下の構成を挙げることができる。
【００３７】
すなわち、前記第１から第３のいずれかの実施形態の圧電アクチュエータであって、前記振動板が、Ｓｉ又はＳｉを含む材料で構成されたものであることを特徴とする圧電アクチュエータである。Ｓｉ又はＳｉを含む材料は、半導体プロセスにおけるフォトリソグラフィ技術などによる微細加工の技術が確立しているため、ＭＥＭＳなど、微細構造の圧電アクチュエータを製造するのに適している。
【００３８】
また、前記圧電アクチュエータは、前記振動板が、ＹＳＺ｛１００｝／Ｓｉ（１００）又は、セリア／ＹＳＺ｛１００｝／Ｓｉ（１００）を含む材料で構成されたものであることが好ましい。このような材料を用いることにより、本発明の第１の実施形態の発明を容易に実施することができる。前記振動板が、ＹＳＺ｛１００｝を含むとより弾性率が大きく、駆動制御性に優れた圧電アクチュエータとすることが可能となる。
【００３９】
さらに、前記圧電アクチュエータは、前記電極層が、｛１００｝単一配向したＡＢＯ3型ペロブスカイト構造を有する酸化物電極層を含むことが好ましい。電極層が、｛１００｝単一配向したＡＢＯ3型ペロブスカイト構造を有する酸化物電極層を含むと電極層として充分な導電性を確保することができる。さらに、上層に積む単結晶又は単一配向の圧電体膜を結晶性の高い膜として成膜できる。前記ＡＢＯ3型ペロブスカイト構造を有する酸化物電極層としては、特に、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3：ルテニウム酸ストロンチウム）電極層が好適である。
【００４０】
また、前記圧電体膜は、ＰＺＴ系圧電材料から構成されたものが好ましい。また、前記圧電体膜は、リラクサ系圧電材料から構成されたものが好ましい。これらのものを用いることにより、高い圧電特性を有する、大きな変位量の圧電アクチュエータを得ることが可能となる。リラクサ系圧電材料としては、下記のいずれかの式で表されるリラクサ系圧電材料が好ましく用いられる。
（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （１）
（Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （２）
（Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （３）
（Ｐｂ（Ｉｎ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （４）
（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （５）
（Ｐｂ（Ｙｂ，Ｎｂ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （６）
（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｔａ）Ｏ3）1-x−（ＰｂＴｉＯ3）x      （７）
（上式中、ｘは、０＜ｘ＜１の実数を表す。）
なお、上記一般式（１）〜（４）のリラクサ系圧電材料は、夫々、ＰＭＮ−ＰＴ（一般式（１））、ＰＺＮ−ＰＴ（一般式（２））、ＰＮＮ−ＰＴ（一般式（３））、ＰＩＮ−ＰＴ（一般式（４））と表される。更に、上記一般式（５）〜（７）のリラクサ系圧電材料は、夫々、ＰＳＮ−ＰＴ（一般式（５））、ＰＹＮ−ＰＴ（一般式（６））、ＰＳＴ−ＰＴ（一般式（７））と表される。
【００４１】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記いずれかに記載の圧電アクチュエータを用いたことを特徴とする液体吐出ヘッドである。前記本発明の圧電アクチュエータを用いることによりその効果を有効に利用できる。
【００４２】
さらに、本発明の圧電アクチュエータについて説明する。
【００４３】
［圧電アクチュエータ］
本発明のベンディングモードを利用する圧電アクチュエータについて、図を用いて説明する。
【００４４】
本発明の圧電アクチュエータは、２つの電極層に挟まれた圧電体膜と振動板とを有する圧電アクチュエータである。この圧電アクチュエータは、圧電体膜に駆動電圧を印加するための二つの電極層とこれらの間に挟まれた圧電体膜を備える歪み・応力発生部を有している。
【００４５】
図２の（Ａ−１）及び（Ａ−２）に、圧電体膜のベンディングモードを利用した本発明の圧電アクチュエータの一例であるユニモルフ型カンチレバー（片持ちばり）の基本構成を示す。（Ａ−１）は側面図であり、（Ａ−２）は、上視図である。（Ａ−１）又は（Ａ−２）中の２０１は振動板、２０２は下部電極層、２０３は圧電体膜、２０４は上部電極層、２０５はカンチレバー固定部である。上部電極層２０４と下部電極層２０２に電圧を加えたとき、圧電体膜２０３が面内方向に伸縮することで、カンチレバーの開放端が上下に振動運動する。このような圧電アクチュエータ（ユニモルフ型カンチレバー）は、例えば、光スキャナーのミラー駆動に利用される。
【００４６】
図２（Ｂ−１）及び（Ｂ−２）に、圧電体膜のベンディングモードを利用した本発明の圧電アクチュエータの他の一例であるユニモルフ型アクチュエータの基本構成を示す。（Ｂ−１）は側面図であり、（Ｂ−２）は、上視図である。（Ｂ−１）又は（Ｂ−２）中の２１１は振動板、２１２は下部電極層、２１３は圧電体膜、２１４は上部電極層、２１５はアクチュエータ保持基体である。上部電極層２１４と下部電極層２１２に電圧を加えたとき、圧電体膜２１３が面内方向に伸縮することで、振動板２１１がアクチュエータ中央部を最大変位とした上下に振動運動する。このような圧電アクチュエータは、例えば、液体吐出ヘッドに利用される。
【００４７】
次に、本発明の圧電アクチュエータに関わる構成要素、本発明の圧電アクチュエータが好適に適用できる液体吐出ヘッド、これを用いたインクジェットプリンタの一例について説明する。
【００４８】
［圧電体膜］
本発明における圧電体膜は、通常、一般に薄膜形成手段といわれる、例えば、下記成膜法によって成膜することができる。
・スパッタ成膜法
・ＭＯＣＶＤ（メタルオーガニックケミカルベーパーデポジション）成膜法
・ＰＬＤ（パルスレーザーデポジション）成膜法
・ＭＢＥ（モレキュラービームエピタキシー）成膜法
・ＣＳＤ（ケミカルソリューションデポジション）成膜法
上述した、成膜方法の中で好ましい成膜方法は、スパッタ成膜法である。
【００４９】
圧電体膜は、電界を加えるとその結晶構造に歪みが生じ変位を生じる一般に逆圧電効果と呼ばれる効果を示し、逆に、力学的な歪を加えると電気分極により内部電界を生じる一般に圧電効果と呼ばれる効果を示す材料からなる膜である。
【００５０】
本発明における圧電体膜は、｛１００｝単一配向膜、又は、前記軸Ａ2又はＡ2'に垂直な面が｛１００｝である単結晶圧電体膜である。
【００５１】
［圧電材料］
本発明においては、特にリラクサ系圧電材料と呼ばれる材料などの、ペロブスカイト構造を有する強誘電体材料群を好適に利用できる。また一般にＰＺＴ系圧電材料と呼ばれる材料も有効である。
【００５２】
［ＰＺＴ系圧電材料］
本発明において用いることのできるＰＺＴ系圧電材料は、下記一般式（８）で表される化合物からなる圧電材料である。
【００５３】
Ｐｂ（Ｚｒx，Ｔｉ  1‐x）Ｏ3      （８）
（式中、ｘは、０＜ｘ＜１の実数を表す。）
前記一般式で表される主成分に対して、適宜、Ｐｂ、Ｚｒ又はＴｉを置換する元素が添加されていても構わない。添加される元素としては、Ｌａ、Ｃａ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｐｂなどが挙げられる。
【００５４】
［リラクサ系圧電体材料］
リラクサ系圧電材料は強誘電材料群である。一般に誘電率の温度依存性がブロードな形状を示す事からこのように呼称されている。本発明において用いられるリラクサ系圧電材料としては、例えば、前述した、一般式（１）〜（７）で表されるＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＮＮ−ＰＴ、ＰＩＮ−ＰＴ、ＰＳＮ−ＰＴ、ＰＹＮ−ＰＴ及びＰＳＴ−ＰＴを挙げることができる。
【００５５】
［単一配向・単結晶］
本発明において単一配向とは、膜厚方向に単一の結晶方位をもつことを指し、膜面内方位は特には問わない。例えば、｛１００｝単一配向膜とは、膜厚方向の結晶方位が＜１００＞のみの結晶により構成された膜を指す。膜が単一配向膜であるか否かはＸ線回折を用いて確認することができる。例えば、｛１００｝単一配向したＰＺＴペロブスカイト型構造の圧電体膜の場合、Ｘ線回折の２θ／θ測定での膜に起因するピークは｛１００｝、｛２００｝等の（Ｌ００）面（Ｌ＝１，２，３・・・ｎ：ｎは整数）のピークのみが検出される。かつ、｛１１０｝非対称面の極点測定をした際には、図３（Ａ）に示すように、中心から約４５°の傾きを表す同じ半径位置にリング状のパターンが得られる。
【００５６】
本発明において単結晶膜とは、膜厚方向及び膜面内方向に単一の結晶方位を持つ結晶からなる膜を指す。例えば｛１００｝単結晶膜とは、膜厚方向が＜１００＞方位のみとなり、かつ、膜面内方向のある一方向が、特定の結晶方位、例えば、＜１１０＞方位のみの結晶により構成された膜を指す。
【００５７】
膜が単結晶膜であるか否かはＸ線回折を用いて確認することができる。例えば、ＰＺＴペロブスカイト型構造の｛１００｝単結晶膜の場合、Ｘ線回折の２θ／θ測定で｛１００｝、｛２００｝等の｛Ｌ００｝面（Ｌ＝１、２、３、・・・、ｎ：ｎは整数）のピークのみが検出される。かつ、｛１１０｝非対称面の極点測定をした際には、図３（Ｂ）に示すように中心から約４５°の傾きを表す同じ半径位置に９０°毎に４回対称のスポット状のパターンが得られる。
【００５８】
また、例えば、ＰＺＴペロブスカイト型構造の圧電体膜で、｛１１０｝非対称面の極点測定をした際に、中心から約４５°の傾きを表す同じ半径位置に８回対称や１２回対称のパターンが得られる膜、又は、パターンがスポットではなく楕円となる膜がある。これらの膜は、単結晶膜と単一配向膜との中間の対称性を有する膜である。本発明においては、前者は単結晶膜に近いものであるため、広義に、単結晶膜であるとみなし、後者は単一配向膜に近いものであるため、単一配向膜とみなす。同様に、例えば単斜晶と正方晶、単斜晶と菱面体晶、正方晶と菱面体晶、そのすべてなどの複数結晶相が混在（混相）する場合、双晶に起因する結晶が混在する場合、転位や欠陥等がある場合も、前記パターンを示すときは広義に単結晶膜又は単一配向膜とみなす。
【００５９】
なお、本発明においてエピタキシャル成長とは、薄膜形成手段により成膜する材料が、成膜する過程において、基板の結晶構造に起因する膜の成長を示す、膜の成長過程をいう。更に、その結果、成膜された膜が、前述した単一配向膜又は単結晶膜となる場合の成長過程をいう。
【００６０】
［電極層］
本発明における圧電アクチュエータの電極層は、その構成上、本発明の圧電アクチュエータの振動板と圧電体膜との間に構成されている下部電極層と、該下部電極層と圧電体膜を挟んで対向した位置にある上部電極層に分けることができる。
【００６１】
電極材料は、下部電極層及び上部電極層により、圧電体膜に実効的に電界を加えることができる導電性を有する材料であれば特に限定されずどのような材料であってもよい。本発明に用いることのできる電極材料としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属材料や、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2などの金属酸化物材料などを挙げることができる。さらに下部電極層及び上部電極層が多層構成であっても構わないが、下部電極層又は上部電極層が、導電性酸化物層を含む構成となっていることが好ましい。
【００６２】
また、下部電極層及び上部電極層の最小厚みは、電極として圧電体膜に実効的に電界を加えるために必要な導電性を持つための最小厚みから決定される。この最小厚みは、電極材料の導電率、圧電アクチュエータのディメンジョンなどから決定することができる。
【００６３】
最大厚みについては、下部電極層は、ベンディングモード型圧電アクチュエータの振動板としての機能を兼ねるに必要とされる厚みとすることが可能である。上部電極層については、横振動モードの負荷としかならないので、なるべく薄いことが好ましい。
【００６４】
下部電極層に振動板機能を兼ねさせない場合においては、下部電極層及び上部電極層共に、１０ｎｍ〜数μｍの範囲の厚みとすることが好ましい。
【００６５】
また、圧電アクチュエータの圧電体膜を｛１００｝単一配向膜としたり、軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単結晶圧電体膜とするよう制御する本発明においては、下部電極層の結晶構造が重要となってくる。具体的には、圧電アクチュエータを、振動板、下部電極層、圧電体膜、上部電極層の順で形成していく場合には、下部電極層の結晶構造が重要となってくる。また、振動板、バッファ層、下部電極層、圧電体膜、上部電極層の順に形成していく場合においても、圧電体膜の結晶状態を上記のように制御するために、下部電極層の結晶構造が重要となってくる。
【００６６】
このとき、下部電極層の形成に好適に使用できる材料としては、ＬａあるいはＮｂでドープされたＳｒＴｉＯ3、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）、ＢａＰｂＯ3、ＬａＮｉＯ3、Ｐｂ2Ｉｒ2Ｏ7等の金属酸化物材料を挙げることできる。その中でも、特にＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）が好適に使用できる。
【００６７】
また、転写法を用い、上部電極層、圧電体膜、下部電極層の順に形成していく場合においては、上部電極層の結晶構造が重要となり、下部電極層の形成に上記金属酸化物が好適に使用できる。
【００６８】
［振動板］
振動板は、本発明の圧電アクチュエータを、圧電体膜の横振動モードの変位を有効に取り出すベンディングモード型圧電アクチュエータとして機能させる上で必須の構成要素である。
【００６９】
振動板として用いられる主な材料として、ＳｃおよびＹを含む希土類元素でドープされたＺｒＯ2、ＢａＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4等の酸化物及びＳｉを挙げることができる。ＳｉはＢのようなドーパント元素を含んでいても良い。
【００７０】
［バッファ層］
本発明において、圧電体膜を｛１００｝単一配向膜、又は、軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単結晶圧電体膜とするよう制御する。このとき、振動板と下部電極層との間に、バッファ層を形成しても良い。バッファ層は、振動板としての機能を有するものであってもよいし、複数の層から構成されているものであっても構わない。
【００７１】
バッファ層の材料としては、格子定数が基板の格子定数と８％以下の違いの範囲で合致する材料が好ましい。また、バッファ層の材料としては、スパッタ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法で成膜できる酸化物が好ましく、さらに、立方晶又は擬似立法晶で格子定数が３．６Åから６．０Åの結晶構造を有するものが好ましい。
【００７２】
具体的には、バッファ層を構成する材料として、例えば、次のものを挙げることができる。
・１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（１００）／Ｓｉ（１００）
・１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（１１１）／Ｓｉ（１１１）
・ＳｒＴｉＯ3（１００）／ＭｇＯ（１００）
・ＭｇＡｌ2Ｏ4（１００）／ＭｇＯ（１００）
・ＢａＴｉＯ3（００１）／ＭｇＯ（１００）
ここで、前記材料の格子定数は次の通りである。
１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2   ：５．１６Å
ＳｒＴｉＯ3              ：３．９１Å
ＭｇＯ                   ：４．２１Å
ＭｇＡｌ2Ｏ4            ：４．０４Å
ＢａＴｉＯ3              ：３．９９Å
Ｓｉ                     ：５．４３Å
例えば、１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（１１１）／Ｓｉ（１１１）を例に採り格子定数の整合性を評価すると次のようになる。即ち、１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（１１１）の格子定数は、５．１６×√２＝７．３０Å、Ｓｉ（１１１）の格子定数は、５．４３×√２＝７．６８Åである。従って、Ｓｉ（１１１）と１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（１１１）の格子定数の違いは、１００×[（７．６８−７．３０）／７．６８]＝４．９％となり、これらの格子定数の整合性は良好であることが判る。
【００７３】
［液体吐出ヘッド］
次に、本発明の圧電アクチュエータを用いた本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の一例の概略図を図４に示す。図４に示した、液体吐出ヘッドにおいて、４０１は吐出口、４０２は、個別液室４０３と吐出口４０１とをつなぐ連通孔、４０４は共通液室、４０５は、個別液室４０３と共通液室４０４とのインク流を制限する絞り部である。また、４０７は振動板、４０８は下部電極層、４０９は圧電体膜、４１０は上部電極層である。これらの形状は図４に記載された形状に限定されるものではない。なお、この例における圧電アクチュエータは、振動板４０７と、下部電極層４０８及び上部電極層４１０で挟まれた圧電体膜４０９とを有するものである。
【００７４】
本発明における圧電体膜４０９に係わる部分について、更に詳細に図５を用い説明する。図５は、図４に示した液体吐出ヘッドの圧電体膜４０９の幅方向での断面図である。４０７は振動板、４０８は下部電極層である。液体吐出ヘッドは、振動板４０７と下部電極層４０８との間に、例えば結晶性を制御する機能を有するバッファ層４１４を有していてもよい。また、バッファ層４１４は、振動板としての機能を有するものであってもよいし、複数の層構造を有していてもかまわない。また下部電極層４０８、上部電極層４１０も、密着性改善のための層などの機能を持った複数の層構造を有していてもかまわない。圧電体膜４０９の断面形状は矩形で表示されているが、断面形状についてもこれに限定されるものではない。
【００７５】
下部電極層４０８は圧電体膜４０９が存在しない部分まで引き出されており、上部電極層４１０は、下部電極層４０８と反対側（不図示）に引き出され駆動電源に繋がれる。図４及び図５では下部電極層はパターニングされた状態を示しているが、圧電体膜がない部分にも存在するものであっても良い。
【００７６】
本発明の液体吐出ヘッドの振動板４０７の厚みは１．０〜１０μｍが好ましく、より好ましくは１．０〜６．０μｍである。この厚みには、上記バッファ層４１４がある場合は、バッファ層４１４の厚みも含まれるものとする。下部電極層４０８、上部電極層４１０の膜厚は０．０５〜０．４μｍが好ましく、より好ましくは０．０８〜０．２μｍである。
【００７７】
図６は、本発明の液体吐出ヘッドの１ユニットの構造を示す図である。個別液室４０３の幅Ｗａは、３０〜１８０μｍが好ましい。個別液室４０３の長さＷｂは、吐出液滴量にもよるが、０．３〜６．０ｍｍが好ましい。吐出口４０１の形は、円形が好ましく、径は、７〜３０μｍが好ましい。吐出口４０１は、連通孔４０２方向に拡大されたテーパー形状を有するのが、好ましい（図４を参照。）。連通孔４０２の長さは、０．０５ｍｍから０．５ｍｍが好ましい。これ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、これ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。
【００７８】
［インクジェット記録装置］
本発明の液体吐出ヘッドを好適に利用できるインクジェット記録装置について説明する。
【００７９】
図７に本発明の液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置の概略図を示す。また、図７のインクジェット記録装置の外装をはずした動作機構部概略図を図８に示す。
【００８０】
図７及び８に示されているように、該インクジェット記録装置は、自動給送部７０１、搬送部７０３、記録部、回復部７０４及びキャリッジ７０５を備えている。記録媒体としての記録紙は、自動給送部７０１により装置本体内へ自動給送される。自動給送部７０１から送出される記録紙は、搬送部７０３により、所定の記録位置へと導かれ、記録部において記録紙に記録されたのちに、記録位置から排出口７０２へと搬送される。記録部に対する回復処理は、回復部７０４により行われる。本発明の液体吐出ヘッドは、キャリッジ７０５に配置され使用される。
【００８１】
本発明の液体吐出ヘッドを好適に利用できる装置としてインクジェット記録装置を例示したが、本発明の液体吐出ヘッドは、Ｆａｘや複合機、複写機、産業用吐出装置に使用することができる。
【実施例】
【００８２】
以下に、実施例及び比較例を挙げ、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００８３】
［実施例１］
本発明の圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドの製造プロセスについて、図を用いて説明する。図９−１〜図９−７は、本発明の圧電アクチュエータ及び液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図である。
【００８４】
ＳＯＩ基板９０１は、６インチＳＯＩ基板であり、２００μｍのＳｉ（１００）層９０２、０．３μｍの層厚を有するＳｉＯ2層９０３及び３μｍの層厚を有するＳｉ（１００）層９０４から構成されている。オリフラ面がＳｉ（１００）層９０４のＳｉ｛１１０｝となっているものを用いた（図９−１参照。）。
【００８５】
ＳＯＩ基板９０１のＳｉ（１００）層９０４上に、基板温度２００℃でＤＣスパッタ成膜を行い、０．１５μｍのＰｔ｛１１１｝単一配向膜を成膜し、第１の下部電極層９０５を形成した。次に、第１の下部電極層９０５上に、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ3）をＡｒ／Ｏ2雰囲気中、基板温度５００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、０．１μｍのＬＮＯ｛１００｝単一配向膜を成膜し、第２の下部電極層９０６を形成した（図９−２参照。）。
【００８６】
次に、ターゲット組成（原子数比）がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５４：４６となる焼成ターゲットを用意した。この焼成ターゲットを用い、基板温度６００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、圧電体膜９０７として３．０μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）｛１００｝単一配向膜を成膜した（図９−３参照。）。
【００８７】
得られた圧電体膜９０７のＸ線構造解析を行ったところ、圧電体膜９０７は、ＰＺＴ｛１００｝単一配向膜であることが確認された。
【００８８】
次に、このＳＯＩ基板９０１上に、下部電極層９０５、９０６及び圧電体膜９０７を成膜して得られた積層構造の基体を用いて、液体吐出ヘッドを製造するプロセスについて説明する。
【００８９】
上記積層構造の基体の圧電体膜９０７の上に、液体吐出ヘッドの各個別液室及び振動板形状に対応する、０．３ｍｍ×５ｍｍにパターニングされた上部電極層９０８として、Ａｕを２００ｎｍの厚みでＤＣスパッタ法により成膜した（図９−４参照。）。
【００９０】
次に、パターニングされた上部電極層９０８をマスクとして、ドライエッチングプロセスにより、上部電極層９０８が成膜されていない部位の圧電体膜９０７を除去した（図９−５参照。）。
【００９１】
次に、ドライエッチングプロセスにより、ＳＯＩ基板９０１のＳｉ（１００）基板９０２を２段階エッチングし個別液室９１１、絞り部９１２、共通液室９１３を形成した（図９−６参照。）。
【００９２】
次に、別途、３０μｍφの吐出口９１４を持つノズルプレート９１５を５０μｍ厚のSUSを用いて作成した。このノズルプレート９１５を有機接着剤を用いてＳＯＩ基板９０１と張り合わせ、液体吐出ヘッドを作製した（図９−７参照。）。
【００９３】
このとき、ＳｉＯ2層９０３及び３μｍの層厚を有するＳｉ（１００）層９０４が圧電アクチュエータの振動板となる。
【００９４】
このときの、ＳＯＩ基板９０１と作製した圧電アクチュエータの振動板形状との関係を図１０に示す。図１０の（１０−１）は、用いたＳＯＩ基板９０１に対して、作製した液体吐出ヘッドのチップの切り出し方、振動板の形状とを示す図であり、上部電極層側から見た図である。１０ａはＳＯＩ基板９０１のオリフラ面を示し、その面方位は｛１１０｝である。１０ｂは作製した液体吐出ヘッドを示し、長方形に切り出した液体吐出ヘッドの４辺は振動板となるＳｉ（１００）層９０４の｛１１０｝面と一致している。
【００９５】
図１０の（１０−２）は、作製した液体吐出ヘッド１０ｂの各圧電アクチュエータの振動板１０ｃの形状と配置を示す図であり、上部電極層側から見た図である。１０ｂは作製した液体吐出ヘッドを示し、１０ｃは圧電アクチュエータ１０ｂの振動板の形状を示す。長方形（０．３ｍｍ×５ｍｍ）の圧電アクチュエータ１０ｂの振動板１０ｃの４辺は振動板となるＳｉ（１００）層９０４の｛１１０｝面と一致している。
【００９６】
図１０の（１０−３）は、本実施例において作製した圧電アクチュエータの振動板１０ｃの形状と、本発明において規定した軸Ａ1及びＡ2との関係を示す図である。（１０−３）は、振動板１０ｃを上部電極層側から見たときの形状を示したものである。振動板１０ｃは、圧電体膜の側壁面を下方へ延長したとき、該側壁面により切り取られる、第２の下部電極層から、第１の下部電極層、Ｓｉ（１００）層及びＳｉＯ2層までの部分をいう（図９−７を参照。）。振動板１０ｃの形状は、この場合、圧電体膜と接触する面における第２の下部電極層の形状をいう。この圧電アクチュエータの振動板１０ｃの形状は、長方形であるので、この長方形の２つの対称軸の交点が、本発明において規定したＰδMAXにあたり、点ＰδAは、振動板の形状の長手方向の対称軸上に２点存在する。このことから、本実施例の圧電アクチュエータについては、振動板形状と軸Ａ1及びＡ2との関係が図１０の（１０−３）に示すとおりとなる。即ち、振動板１０ｃは、軸Ａ1と直交し該振動板が構成する平面上にある軸Ａ2に垂直な面が｛１１０｝である単結晶Ｓｉで構成されている。また、圧電体膜は、前述したとおり、｛１００｝単一配向膜である。したがって、本実施例で作製した圧電アクチュエータは、本発明の第１の実施形態の圧電アクチュエータである。
【００９７】
本実施例で作製した液体吐出ヘッドの性能について、３０Ｖ印加時の変位量測定をフリンジカウンタにより測定し、液体吐出ヘッドの共振周波数をインピーダンスアナライザーにより測定した。結果を表１に示す。
【００９８】
［実施例２］
実施例１と同様のＳＯＩ基板９０１を用意した。Ｓｉ（１００）層９０４上に、安定化ジルコニア（ＹＳＺ：１０％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2）をＡｒ／Ｏ2雰囲気中、基板温度８００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、第１のバッファ層として０．１μｍのＹＳＺ｛１００｝単結晶膜１２０１を成膜した。その後、第２のバッファ層としてセリア（ＣｅＯ2）をＡｒ／Ｏ2雰囲気中、基板温度５００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、０．１μｍのセリア｛１００｝単結晶膜１２０２を成膜した。次に、第１の下部電極層としてＬＮＯをＡｒ／Ｏ2雰囲気中、基板温度５００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、０．１μｍのＬＮＯ｛１００｝単結晶膜１２０３を成膜した。次に第２の下部電極層として、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）をＡｒ／Ｏ2雰囲気中、基板温度６００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、０．２μｍのＳＲＯ｛１００｝単結晶膜１２０４を成膜した。
【００９９】
次に、ターゲット組成（原子数比）がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５４：４６となる焼成ターゲットを用意した。この焼成ターゲットを用い、基板温度６００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、圧電体膜として３．０μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）｛１００｝単結晶圧電体膜１２０５を成膜した。
【０１００】
得られた圧電体膜を含む積層構造の基体のＸ線回折測定（φスキャン）を行った。Ｓｉ（１００）層９０４上に成膜されたＹＳＺ｛１００｝単結晶膜１２０１及びセリア｛１００｝単結晶膜１２０２は４回対称をもっていることが確認された。また、ＬＮＯ｛１００｝単結晶膜１２０３、ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜１２０４及びＰＺＴ｛１００｝単結晶圧電体膜１２０５も４回対称をもっていることが確認された。これにより上記各層がエピタキシャル成長した単結晶膜であることが確認された。さらにＳｉ（１００）層９０４、ＹＳＺ｛１００｝単結晶膜及びセリア｛１００｝単結晶膜の組とＬＮＯ｛１００｝単結晶膜、ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜及びＰＺＴ｛１００｝単結晶圧電体膜の組とではピーク発現角度が４５°ずれていることが確認された。これはセリア｛１００｝単結晶膜１２０２とＬＮＯ｛１００｝単結晶膜１２０３との間で図１１に示すとおり、セリア｛１００｝単結晶膜１２０２上にＬＮＯ｛１００｝単結晶膜１２０３が４５°面内回転しエピタキシャル成長していることに起因している。
【０１０１】
これ以降は、実施例１と同様にして、液体吐出ヘッドを作製した。本実施例において作製した液体吐出ヘッドの構成断面図を図１２に示す。
【０１０２】
作製した液体吐出ヘッドについて、実施例１と同様にして性能評価を行った。結果を表１に示す。
【０１０３】
［実施例３］
ターゲット組成（原子数比）がＰｂ：Ｍｇ：Ｎｂ：Ｔｉ＝１１０：２２：４４：３３となる焼成ターゲットを用意した。この焼成ターゲットを用い、圧電体膜としてＰＭＮ−ＰＴ（（Ｐｂ（Ｍｎ0.33，Ｎｂ0.67）Ｏ3）0.67−（ＰｂＴｉＯ3）0.33）｛１００｝単結晶圧電体膜１２０５を成膜したこと以外は、実施例２と同様にして、液体吐出ヘッドを作製し評価した。結果を表１に示す。
【０１０４】
［実施例４］
図１０、１０ｃで示した、振動板の形状を、図１−２、（d）に示した、平行四辺形の形状にした以外は、実施例２と同様にして、液体吐出ヘッドを作成し評価した。結果を表１に示す。本実施例で採用した、平行四辺形の振動板は、対称中心を持つ形状の例であり、この対称中心が点ＰδMAXとなる。この場合点ＰδMAXを中心とする該振動板端部までの距離よりも小さな半径の基準円周上に位置し最もＰδMAXにおける変位量との差の少ない該振動板面上の点ＰδAは、点ＰδMAXを通り平行四辺形の長辺と平行な線上に存在する。つまり本発明において規定している、軸Ａ1はＰδMAXを通り平行四辺形の長辺と平行な線と一致する。
【０１０５】
［比較例１］
基板として、６インチ、２００μｍ厚、オリフラ面が｛１１０｝のＳｉ（１００）基板１３０１を用意した。基板温度を６００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、振動板となる２μｍのＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3：チタン酸ストロンチウム）｛１００｝単結晶膜１３０２を成膜した。次にＳＴＯ｛１００｝単結晶膜１３０２上にＲＦ反応性スパッタにより、下部電極層となる０．２μｍのＳＲＯ｛１００｝単結晶膜１３０３を成膜した。
【０１０６】
次に、ターゲット組成（原子数比）がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５４：４６となる焼成ターゲットを用意した。この焼成ターゲットを用い、基板温度６００℃でＲＦ反応性スパッタ成膜を行い、圧電体膜として３．０μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）｛１００｝単結晶圧電体膜１３０４を成膜した。
【０１０７】
得られた圧電体膜を含む積層構造の基体をＸ線回折測定（φスキャン）を行った。Ｓｉ（１００）基板１３０１上に成膜されたＳＴＯ｛１００｝単結晶膜１３０２、ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜１３０３及びＰＺＴ｛１００｝単結晶圧電体膜１３０４は４回対称をもっていることが確認された。これにより、上記各層がエピタキシャル成長した単結晶膜であることが確認された。さらにＳｉ（１００）基板１３０１と、ＳＴＯ｛１００｝単結晶膜１３０２、ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜１３０３及びＰＺＴ｛１００｝単結晶圧電体膜１３０４の組とでピーク発現角度が４５°ずれていることが確認された。これは、Ｓｉ（１００）基板１３０１上にＳＴＯ｛１００｝単結晶膜が４５°面内回転しエピタキシャル成長していることに起因している。
【０１０８】
これ以降、図１４の（１４−１）に示すように、Ｓｉ基板のオリフラ面｛１１０｝１４ａと該Ｓｉ基板の表面との交線に対して、４５°の角度を持って、液体吐出ヘッド１４ｂを切り出したこと以外は実施例２と同様にして液体吐出ヘッドを作製し、評価した。結果を表１に示す。図１４の（１４−２）は、作製した液体吐出ヘッドの各圧電アクチュエータの振動板の形状と配置とを示す図である。また、図１４の（１４−３）は、圧電アクチュエータの振動板の形状と軸Ａ1及びＡ2との関係を示す図である。更に、作製した液体吐出ヘッドの構成断面図を図１３に示す。
【０１０９】
図１４の（１４−１）に示したように液体吐出ヘッド１４ｂを切り出すことによりＳＴＯ｛１００｝単結晶で構成された圧電アクチュエータの振動板は、軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝となり、軸Ａ2に垂直な面が｛１００｝である単結晶圧電体膜となる。
【０１１０】
【表１】
0005448320.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１−１】圧電アクチュエータの振動板の形状例を示す図である。
【図１−２】圧電アクチュエータの振動板の形状例を示す図である。
【図１−３】圧電アクチュエータの振動板の形状例を示す図である。
【図１−４】圧電アクチュエータの振動板の形状例を示す図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの実施形態の一例のユニモルフ型圧電アクチュエータの基本構成を示す図である。
【図３】単一配向膜及び単結晶膜中の結晶配向およびX線回折により得られる極点図を模式的に示した図である。
【図４】本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の一例の概略図である。
【図５】本発明の液体吐出ヘッドの圧電体膜幅方向断面を模式的に示す図である。
【図６】本発明の液体吐出ヘッドの１ユニットの構造を模式的に示す図である。
【図７】本発明の液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置の一例の概略図である。
【図８】図７に示したインクジェット記録装置の動作機構部の概略を示す図である。
【図９−１】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、ＳＯＩ基板の一例の構成断面図を示す。
【図９−２】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、ＳＯＩ基板上に第１及び第２の下部電極層を設けた状態を示す。
【図９−３】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、下部電極層上に圧電体膜を設けた状態を示す。
【図９−４】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、圧電体膜上に上部電極層を設けた状態を示す。
【図９−５】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、ドライエッチングプロセスにより、上部電極層によりマスクされてない圧電体膜を除去した状態を示す。
【図９−６】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、ＳＯＩ基板に個別液室、絞り部及び共通液室を設けた状態を示す。
【図９−７】本発明の液体吐出ヘッドの製造プロセスを示す構成断面図であり、個別液室、絞り部及び共通液室を設けたＳＯＩ基板にノズルプレートを接着した状態を示す。
【図１０】ＳＯＩ基板と作製した本発明の圧電アクチュエータの振動板形状との関係を示す図である。（１０−１）は、液体吐出ヘッドのチップの切り出し方を示す図である。（１０−２）は、作製した液体吐出ヘッドの各圧電アクチュエータの振動板の形状と配置とを示す図である。（１０−３）は、圧電アクチュエータの振動板の形状と軸Ａ1及びＡ2との関係を示す図である。
【図１１】実施例２におけるバッファ層であるセリア｛１００｝単結晶膜上に４５°面内回転してエピタキシャル成長した下部電極層のＬＮＯ｛１００｝単結晶膜の状態を示す図である。
【図１２】実施例２の液体吐出ヘッドの構成断面図である。
【図１３】比較例１の液体吐出ヘッドの構成断面図である。
【図１４】Ｓｉ（１００）基板と比較例１の圧電アクチュエータの振動板形状との関係を示す図である。（１４−１）は、液体吐出ヘッドのチップの切り出し方を示す図である。（１４−２）は、作製した液体吐出ヘッドの各圧電アクチュエータの振動板の形状と配置とを示す図である。（１４−３）は、圧電アクチュエータの振動板の形状と軸Ａ1及びＡ2との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１２】
２０１  振動板
２０２  下部電極層
２０３  圧電体膜
２０４  上部電極層
２０５  カンチレバー固定部
２１１  振動板
２１２  下部電極層
２１３  圧電体膜
２１４  上部電極層
２１５  アクチュエータ保持基体
４０１  吐出口
４０２  連通孔
４０３  個別液室
４０４  共通液室
４０５  絞り部
４０７  振動板
４０８  下部電極層
４０９  圧電体膜
４１０  上部電極層
４１４  バッファ層
７０１  自動給送部
７０２  排出口
７０３  搬送部
７０４  回復部
７０５  キャリッジ
９０１  ＳＯＩ基板
９０２  Ｓｉ（１００）層
９０３  ＳｉＯ2層
９０４  Ｓｉ（１００）層
９０５  第１の下部電極層
９０６  第２の下部電極層
９０７  圧電体膜
９０８  上部電極層
９１１  個別液室
９１２  絞り部
９１３  共通液室
９１４  吐出口
９１５  ノズルプレート
１０ａ  ＳＯＩ基板９０１のオリフラ面
１０ｂ  液体吐出ヘッド
１０ｃ  振動板
１２０１  ＹＳＺ｛１００｝単結晶膜
１２０２  セリア｛１００｝単結晶膜
１２０３  ＬＮＯ｛１００｝単結晶膜
１２０４  ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜
１２０５  ＰＺＴ｛１００｝（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）単結晶圧電体膜またはＰＭＮ−ＰＴ｛１００｝単結晶圧電体膜
１３０１  Ｓｉ（１００）基板
１３０２  ＳＴＯ｛１００｝単結晶膜
１３０３  ＳＲＯ｛１００｝単結晶膜
１３０４  ＰＺＴ｛１００｝単結晶圧電体膜
【図１−１】
0005448320.tif 000003
【図１−２】
0005448320.tif 000004
【図１−３】
0005448320.tif 000005
【図１−４】
0005448320.tif 000006
【図２】
0005448320.tif 000007
【図３】
0005448320.tif 000008
【図４】
0005448320.tif 000009
【図５】
0005448320.tif 000010
【図６】
0005448320.tif 000011
【図７】
0005448320.tif 000012
【図８】
0005448320.tif 000013
【図９−１】
0005448320.tif 000014
【図９−２】
0005448320.tif 000015
【図９−３】
0005448320.tif 000016
【図９−４】
0005448320.tif 000017
【図９−５】
0005448320.tif 000018
【図９−６】
0005448320.tif 000019
【図９−７】
0005448320.tif 000020
【図１０】
0005448320.tif 000021
【図１１】
0005448320.tif 000022
【図１２】
0005448320.tif 000023
【図１３】
0005448320.tif 000024
【図１４】
0005448320.tif 000025