(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を加えることにより変形可能に構成されている圧電体素子において、
圧電体層を形成する設置面になっている、電鋳で形成された基板が、パラジウムを含む材料で形成されていることにより、水熱合成時に前記基板が保護されることを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
前記パラジウムの含有量は、３０Ｗｔ％乃至１００Ｗｔ％の範囲に設定されている請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項３】
前記圧電体素子は、前記設置面上に形成される、種結晶を形成するための基礎層と、前記基礎層上に形成された圧電体層と、を備える請求項１または２に記載の圧電体素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の圧電体素子を備え、前記設置面を備えた基板は、前記圧電体素子を形成する当該設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティが設けられていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のインクジェット式記録ヘッドをインク吐出手段として備えたことを特徴とするプリンタ。
【請求項６】
電界を加えることにより変形可能に構成されている圧電体素子の製造方法において、
圧電体層を形成するための基板を、パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により形成することにより、水熱合成時に前記基板が保護されることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
【請求項７】
圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
電鋳で形成された基板のうち圧電体層を形成する設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティを形成する工程と、
前記キャビティが形成された前記基板の両面に、パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により基板保護層を形成する工程と、
前記設置面上に形成された基板保護層上に、基礎層を形成する工程と、
前記基礎層上に、前記圧電体層を水熱合成法で形成する工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項８】
圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により基板を形成する工程と、
前記基板のうち圧電体層を形成する設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティを形成する工程と、
前記キャビティが形成された基板の前記設置面上に基礎層を形成する工程と、
前記設置面上に形成された基礎層上に、前記圧電体層を水熱合成法で形成する工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換機能を備える圧電体素子に係り、特に、水熱合成法を使用して圧電体素子を結晶化させる場合に、圧電体素子の信頼性を向上させることのできる圧電体素子およびその製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体素子は電子素子からインクジェット式記録ヘッドに至るまで様々な応用分野を持っている。圧電体素子を低温で製造可能な方法として、水熱合成法が有効である。この製法は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の金属が含まれた溶液中でチタンなどの表面に圧電体層の結晶を成長させるものである。
【０００３】
特開平８−３０６９８０号公報には、ステンレス等の金属基板上にチタン層をパターニングし、その上に水熱合成法で圧電体素子を形成する発明が実施例１として記載されている。また、チタンで形成された基板上に、白金、金、イリジウムおよびテフロンなどの材料で保護層を設け、圧電体素子を形成する領域のみその保護層に窓を設けてから、その窓上に圧電体層を水熱合成法で形成する発明が実施例２として記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の発明には、実際上不都合があった。実施例１では、金属を露出させた状態で水熱合成をしているが、安価な金属基板に直接水熱合成用の溶液が接すると、キャビティ等の基板形状が崩れてしまうという不都合があった。実施例２では、保護層を設けたためにキャビティの侵食が防止される一方で、保護層と基板自体の密着性が悪いため経年変化により保護層の剥離等が生じ、圧電体素子の信頼性が低下するという不都合があった。
【０００５】
そこで本願発明は上記問題点に鑑みてされたもので、安価に信頼性の高い圧電体素子、それを用いたインクジェット式記録ヘッドおよびプリンタを提供することを目的とするものである。
【０００６】
本発明の圧電体素子は、電界を加えることにより変形可能に構成されている圧電体素子において、圧電体層を形成する設置面になっている、電鋳で形成された基板が、パラジウムを含む材料で形成されていることにより、水熱合成時に前記基板が保護されることを特徴とする。パラジウムは、ニッケルなどの金属と密着性が高い一方で、水熱合成の過程において基板を侵食から十分保護する。この保護層を備える基板を使用して圧電体素子を作成した場合には、基板が侵食されず保護層が剥離するような問題も生じない。
【０００７】
ここで、保護層は少なくとも４００ｎｍ以上の厚みに形成されていることが好ましい。この厚みより薄いと、十分に基板面を保護できないからである。
【０００９】
ここでパラジウムの含有量は、３０Ｗｔ％乃至１００Ｗｔ％の範囲に設定する。これより少ない含有量では、十分に基板の保護が果たせないからである。
【００１０】
ここで本発明は、水熱合成法で製造される場合に適し、その圧電体素子は、設置面上に形成される、種結晶を形成するための基礎層と、基礎層上に形成された圧電体層と、を備える。基礎層は、例えばチタンのように、結晶の核となる種結晶を形成するために適する材料で形成される。圧電体層は、ＰＺＴ等の一般的な強誘電性セラミックス材料で形成された圧電体薄膜である。
【００１１】
本発明の対象は、本発明の圧電体素子を備え、設置面を備えた基板は、圧電体素子を形成する当該設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティが設けられていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドである。また本発明の対象は、本インクジェット式記録ヘッドをインク吐出手段として備えたことを特徴とするプリンタである。
【００１２】
本発明は、電界を加えることにより変形可能に構成されている圧電体素子の製造方法において、圧電体層を形成するための基板を、パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により形成することにより、水熱合成時に前記基板が保護されることを特徴とする圧電体素子の製造方法である。この発明は基板の本体を保護層の材料と異ならせる場合に適用される。
【００１４】
本発明は、圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、電鋳で形成された基板のうち圧電体層を形成する設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティを形成する工程と、キャビティが形成された前記基板の両面に、パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により基板保護層を形成する工程と、設置面上に形成された基板保護層上に、基礎層を形成する工程と、基礎層上に、圧電体層を水熱合成法で形成する工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法である。
【００１５】
圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、パラジウムを含んだ材料を使用して電鋳により基板を形成する工程と、基板のうち圧電体層を形成する設置面の反対側の面に、インクを充填するためのキャビティを形成する工程と、キャビティが形成された基板の設置面上に基礎層を形成する工程と、設置面上に形成された基礎層上に、圧電体層を水熱合成法で形成する工程と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、基板との密着性のよい保護層を備えた圧電体素子、それを備えたインクジェット式記録ヘッドおよびプリンタに関する。
図１に、本実施形態１のインクジェット式記録ヘッドを、キャビティを含む面で切断した場合の層構造を説明する断面図を示す。本インクジェット式記録ヘッドは、図１に示すように、基板３０上に圧電体薄膜素子４０が形成されている。
【００１８】
基板３０は、所定の金属、例えばニッケルを電鋳したものに、キャビティ（圧力室）２１を形成したものである。ニッケルの他に電鋳によく使用される銅やクロムその他の金属を用いてもよい。金属を使用するのは、材料費を大きく削減することが可能だからである。また基板としてセラミックスやシリコン、ポリサルフォン等の高分子材料成型品などを用いてもよい。基板表面には、本発明による保護層３１が形成されている。保護層３１は、基板の金属を侵食から防止することが可能な材料として、パラジウムを含んだ材料で形成されている。パラジウムの含有量は、３０Ｗｔ％乃至１００Ｗｔ％の範囲に設定する。これより少ない含有量では、侵食保護という機能が果たせなくなるからである。一部にパラジウムを含む場合には、所定の金属との合金、例えばニッケルとの合金で形成される。保護層３１の厚みは、４００ｎｍ以上とする。これ以下の厚みでは保護層としての機能を果たせなくなるからである。
【００１９】
圧電体素子４０は、設置面上から順に、基礎層４１、圧電体層４２および上部電極層４３を備えている。基礎層４１は、圧電体層の結晶成長の核となる種結晶を形成するために必要とされる層で、チタン層を圧電体素子形成領域の形状にパターニングした層である。圧電体層４２は、電気機械変換作用を示すＰＺＴ等の強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶である。当該圧電体層は、後述する工程により基礎層４１上に形成された種結晶から、水熱合成法で成長させられるものである。圧電体層としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）等を用いることができる。圧電体層４２の厚みについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚みを抑え、かつ、十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。上部電極４３は、金や白金などの材料で所定の厚み（０．５μｍ程度）に形成された導電性膜である。なお、本実施形態では、基板３０や保護層３１を導電性材料で形成するために下部電極を設けていないが、保護層上に白金などで下部電極を設けてもよい。
【００２０】
次いで、本発明のインクジェット式記録ヘッドの構造を説明する。インクジェット式記録ヘッド１は、図４の主要部斜視図一部断面図、図５の分解斜視図に示すように、ノズル板１０、基板３０および圧電体薄膜素子４０を筐体５０に収納して構成されている。
【００２１】
基板３０には、キャビティ（圧力室）２１、側壁（隔壁）２２、供給口２３およびリザーバ２４が形成されている。キャビティ２１は、基板３０を電鋳で形成する際に形成され、インクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２は、キャビティ２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２４は、インクを共通して各キャビティ２１に充たすための流路となっている。供給口２３は、リザーバ２４から各キャビティ２１にインクを導入可能に形成されている。キャビティ２１に対応する基板３０の裏面には、キャビティに対応させて上記圧電体素子４０が設けられている。このキャビティと圧電体素子で挟まれた基板の薄膜構造部分がインク吐出に必要な振動板として機能するようになっている。また基板３０の一部には、インクタンク口３１が設けられて、図示しないインクタンクから、貯蔵されているインクを基板３０内に導くことが可能になっている。
【００２２】
ノズル板１０は、基板３０に設けられたキャビティ２１の各々に対応する位置にそのノズル１１が配置されるよう、基板３０の一方の面に貼り合わせられている。
【００２３】
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、電極間に電圧が印加されて圧電体薄膜素子４０が歪むと、その歪みに対応して基板３０の振動板部分が変形する。その変形によりキャビティ２１内のインクが圧力を加えられてノズル１１から吐出させられる。
【００２４】
図６に、上記インクジェット式記録ヘッド１をインク吐出手段として備えたプリンタの斜視図を示す。本プリンタ１００は、図６に示すように、プリンタ本体２に、トレイ３および排出口４などが設けられている。本体２の内部には、本発明のインクジェット式記録ヘッド１が内蔵されている。本体２は、図示しない用紙供給機構によりトレイ３から供給された用紙５に対し、その上を横切るような往復動作が可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出可能な出口となっている。
【００２５】
（製造方法）
次に、図２に基づいて、本発明の圧電体素子の製造方法を含めたインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する。図２は、図４のＡ−Ａ切断面から見た場合の製造工程断面図である。
【００２６】
基板形成工程（図２（ａ））：  基板形成工程は、電鋳により基板３０を形成する工程である。またこの工程でキャビティ２１に相当する形状も同時に形成される。この電鋳は、通常用いられるニッケル電鋳法を用いる。
【００２７】
保護層形成工程（図２（ｂ））：  保護層形成工程は、基板３０上にパラジウムを含む材料により保護層５０を形成する工程である。母材である基板を、純粋なパラジウムが含まれた金属塩またはニッケルおよびパラジウムが含まれた金属塩溶液中にて電鋳する。これにより１００％パラジウムまたは一部にパラジウムが含まれた合金が基板表面に電着される。保護層３１の厚みは４００ｎｍ以上にする。この保護層は、後述するＰＺＴの種結晶が形成されるのを妨げる他、水熱合成の過程で基板を侵食から保護する役割を果たす。
【００２８】
基礎層形成工程（図２（ｃ））：  基礎層形成工程は、保護層３１上にチタンからなる基礎層４１を形成する工程である。基礎層４１の成膜法としてはスパッタ法、真空蒸着法等を用い、０．５〜１μｍ程度の厚みに形成する。そしてフォトリソグラフィ法により圧電体素子の形状に、キャビティ２１に対応した領域のみをパターンとして残す。エッチングには過酸化水素水とアンモニアの混合液を用いる。
【００２９】
種結晶形成工程（図２（ｄ））：  種結晶形成工程は、基礎層４１上に圧電体層の結晶成長の核となるべき種結晶を形成する工程である。まず硝酸鉛（Ｐｂ（Ｎ０3）2）水溶液、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣｌ2）水溶液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）水溶液、および水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を混合して調整された反応液を製造する。そしてこの反応液中に前記基板を浸漬し、所定の温度、例えば１４０℃で水熱処理をする。この処理により、基礎膜から溶出するＴｉ源と反応液中のＰｂ源、Ｚｒ源とが反応し、基礎層の表面に０．１μｍ程度の厚さでＰＺＴの種結晶４４が形成される。
【００３０】
圧電体層形成工程（図２（ｅ））：  圧電体層形成工程は、水熱合成法により上記種結晶４４からＰＺＴの結晶を成長させる工程である。まず反応溶液として、硝酸鉛（Ｐｂ（Ｎ０3）2）水溶液、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯＣｌ2）水溶液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）水溶液、および水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）水溶液を混合したものを使用する。次いで種結晶４４が形成された基板３０をこの反応液中に投入し、１５０℃程度で１２時間程度水熱合成処理を行う。この水熱処理では、種結晶を形成してある基礎層４１の上部にだけ圧電体層の結晶構造が成長し、種結晶が存在しない保護層３１上には圧電体層が形成されない。このため選択的に一定の厚み（５μｍ程度）の圧電体層４２が形成される。
【００３１】
なお、基板の圧電体素子設置面の反対側に保護層を設けない場合には、ニッケル基板が侵食されるのを防止するためにフッ素樹脂等の保護コーティングを水熱合成前に行う必要がある。
【００３２】
圧電体膜４２の上に電子ビーム蒸着法、スパッタ法等の技術を用いて上部電極４３を形成する。上部電極の材料は、金や白金、イリジウム等を用いる。厚みは１００ｎｍ程度にする。
【００３３】
以上の工程で圧電体素子４０が完成する。さらにキャビティ２１側の基板面にノズル板１０を貼り合わせれば、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが完成する。
【００３４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、水熱合成法に対する耐性の高い基板を使用するものである。図３に、本実施形態２のインクジェット式記録ヘッドを、キャビティを含む面で切断した場合の層構造を説明する断面図を示す。
【００３５】
本実施形態における基板３２は、上記実施形態１のような保護層を備えていない点で異なる。この基板３２は、パラジウムを含む金属で形成されている点に特徴がある。基板はパラジウム１００％で形成されていても、ニッケルや銅、クロムその他の金属との合金として形成されていてもよい。圧電体素子４０の構成については実施形態１と同様である。なお、本実施形態では、基板３２を導電性材料で形成するために下部電極を設けていないが、基板上に白金などで下部電極を設けてもよい。
【００３６】
この基板は、実施形態１におけるニッケル基板と同様にして電鋳で形成する。ただし電鋳に用いる金属塩溶液中には、パラジウムが含有されていることを要する。実施形態１と同様にしてこの基板３２上にチタンの基礎層を形成し、前記反応液中で種結晶を形成すると、基板３２が露出している部分には種結晶が形成されない。種結晶が形成された後に、反応液中で水熱合成すると、種結晶を形成した基礎層上にのみ選択的に圧電体層の結晶が成長する。この基板３２は、水熱合成法に使用する反応液のアルカリに対する耐性が高いのでキャビティが侵食されることがない。
【００３７】
（その他の変形例）
本発明は、上記各実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば本発明で製造した圧電体素子は上記した条件の水熱合成法に限定されることなく、他の水熱合成法、例えばゾルゲル法により圧電体前駆体を形成し水熱合成法により結晶化させる方法にも適用可能である。また圧電体素子の層構造は上記に限定されることなく、工程を複雑化させることにより、複数からなる層構造を備えた圧電体素子を製造することも可能である。同様にインクジェット式記録ヘッドの構造も、上記したオンディマンドのピエゾジェット式インクジェット方式に限定されず、他の構造を備えていてもよい。また本発明の圧電体素子は、このようなインクジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、および電気光学装置の製造に適応することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、基板を保護する保護層と基板との密着性が高いので、安価に信頼性の高い圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびプリンタを提供することが可能である。
【００３９】
また本発明によれば、基板自体にアルカリ溶液に対する耐性のある材料を用いたので、信頼性の高い圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびプリンタを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の圧電体素子の断面図である。
【図２】実施形態１のインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【図３】実施形態２の圧電体素子の断面図である。
【図４】本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドの主要部斜視図、一部断面図である。
【図５】本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図６】本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドを使用したプリンタの斜視図である。
【符号の説明】
３０、３２…基板、３１…保護層、４０…圧電体素子、４１…基礎層
【図１】
0003682839.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003682839.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003682839.tif 000007