(57)【要約】【課題】信頼性および圧電特性を兼ね備えた圧電体層を有する圧電素子を提供する。【解決手段】本発明にかかる圧電素子の製造方法は、基体１０の上方に第１電極３０を形成する工程と、第１電極の上方に、圧電材料溶液を塗布して１層の前駆体層を形成する工程と、前記前駆体層の結晶化アニールを行うことにより圧電体層４８を形成する工程と、前記圧電体層の上方に第２電極５０を形成する工程と、を含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基体の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に、圧電材料溶液を塗布して１層の前駆体層を形成する工程と、
（ｃ）前記前駆体層の結晶化アニールを行うことにより圧電体層を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行うことにより前記圧電体層を厚膜化する工程と、
（ｅ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｄ）において厚膜化された前記圧電体層には、複数の空孔が形成されている、圧電素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記空孔は、前記基体の上面と平行な面においてマトリックス状に並んでいる、圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記空孔の径は、１００ｎｍ以下である、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記結晶化アニールを行う工程では、前記前駆体層の表面に複数の凸部が形成されるまで加熱し続ける、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記１層の前駆体層の膜厚は、４００ｎｍ以下である、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記結晶化アニールは、輻射熱および伝導熱の双方による加熱処理である、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記結晶化アニールは、拡散炉により行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記工程（ｃ）において、結晶化アニールは、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置により行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記工程（ｄ）において、結晶化アニールは、拡散炉により行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
前記工程（ｄ）と（ｅ）の間に、
前記圧電体層上に、さらに圧電材料溶液を塗布して複数層の前駆体層を形成する工程と、
前記複数層の前駆体層の結晶化アニールを一括で行うことにより圧電体層を厚膜化する工程と、
をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
前記工程（ｄ）において、最後に行われる結晶化アニールの処理時間は、以前に行われる結晶化アニールの処理時間より短い、圧電素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、前記第１電極の上方に、圧電材料溶液を塗布して、乾燥し、脱脂することにより前記１層の前駆体層を形成する工程である、圧電素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の圧電素子の製造方法を含む、インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を含む、インクジェットプリンターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の製造方法、インクジェット式記録ヘッドの製造方法、およびインクジェットプリンターの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、圧電体層を有する。この圧電体層の形成方法としては、液相法が挙げられる。液相法は、圧電材料を基体上に塗布した後にアニールを行うことにより圧電体層を得るものであり、ＣＶＤ法やスパッタ法で使用するような真空装置を使わないため、コスト面および環境面において有利なだけでなく、得られる圧電体層の特性も非常に良好である。しかしながら、液相法では、アニール工程において大きな残留応力が生じ、これがクラックの発生につながってしまうという問題があった。たとえば特許文献１では、多数回コートした圧電体材料を一括してアニールしているが、この方法では、一度に大きな残留応力が導入されてしまうため、クラックが発生しやすくなってしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−１３９５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、残留応力を緩和してクラックの発生を抑制することのできる圧電素子の製造方法、インクジェット式記録ヘッドの製造方法、およびインクジェットプリンターの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、
（ａ）基体の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に、圧電材料溶液を塗布して１層の前駆体層を形成する工程と、
（ｃ）前記前駆体層の結晶化アニールを行うことにより圧電体層を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行うことにより前記圧電体層を厚膜化する工程と、
（ｅ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
を含む。
【０００５】
本発明によれば、圧電材料溶液の塗布毎に結晶化アニールを行うため、複数の前駆体層を一括して結晶化アニールする場合よりも、圧電体層にかかる残留応力を小さくすることが可能となり、クラックを発生し難くすることができる。これにより、信頼性が高く、かつ圧電特性の良好な圧電素子を提供することができる。
【０００６】
なお本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【０００７】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｄ）において厚膜化された前記圧電体層には、複数の空孔が形成されていることができる。
【０００８】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記空孔は、前記基体の上面と平行な面においてマトリックス状に並んでいることができる。
【０００９】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記空孔の径は、１００ｎｍ以下であることができる。
【００１０】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記結晶化アニールを行う工程では、前記前駆体層の表面に複数の凸部が形成されるまで加熱し続けることができる。
【００１１】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記１層の前駆体層の膜厚は、４００ｎｍ以下であることができる。
【００１２】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記結晶化アニールは、輻射熱および伝導熱の双方による加熱処理であることができる。
【００１３】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記結晶化アニールは、拡散炉により行われることができる。
【００１４】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、結晶化アニールは、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置により行われることができる。
【００１５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｄ）において、結晶化アニールは、拡散炉により行われることができる。
【００１６】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｄ）と（ｅ）の間に、
前記圧電体層上に、さらに圧電材料溶液を塗布して複数層の前駆体層を形成する工程と、
前記複数層の前駆体層の結晶化アニールを一括で行うことにより圧電体層を厚膜化する工程と、
をさらに含むことができる。
【００１７】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｄ）において、最後に行われる結晶化アニールの処理時間は、以前に行われる結晶化アニールの処理時間より短いことができる。
【００１８】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、前記第１電極の上方に、圧電材料溶液を塗布して、乾燥し、脱脂することにより前記１層の前駆体層を形成する工程であることができる。
【００１９】
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述した圧電素子の製造方法のいずれかを含む。
【００２０】
本発明に係るインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
１．圧電素子の製造方法
本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法について説明する。図１〜図６（Ａ）は、本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を示す図である。
【００２３】
（１）まず、基体の一部としての基板１０を準備する（図１参照）。基板１０は、たとえばシリコン層１２および酸化物層１４を有する。酸化物層１４は、シリコン層１２の上部に酸化処理を施すことによって設けられた酸化シリコンであってもよいし、シリコン層１２の上面に公知の方法によって新たに設けられた酸化シリコンその他の酸化物であってもよい。酸化物層１４は、熱酸化処理などによって設けることができる。あるいは、基板１０の上部に酸化物層１４を別途設ける場合は、蒸着、スパッタ等の公知の方法によることができる。
【００２４】
（２）次に、基板１０上に弾性体層２０を形成する（図１参照）。弾性体層２０は、スパッタ法、真空蒸着、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＣＶＤ法）などの公知の方法で形成することができる。弾性体層２０の材質としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンまたは、酸化アルミニウムなどが好適である。基板１０の上面に酸化物層１４を設けている場合、弾性体層２０の材質は、酸化物層１４の材質と同じ材質でも、異なる材質でもよい。たとえば、弾性体層２０は、材質を酸化ジルコニウムとし、スパッタ法により、たとえば５００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２５】
（３）次に、弾性体層２０上に、下部電極層３０（第１電極）を形成する（図１参照）。下部電極層３０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。下部電極層３０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ３やＬａＮｉＯ３といった複合酸化物など、を用いることができる。また、下部電極層３０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。たとえば、下部電極層３０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２６】
（４）次に、下部電極層３０上に、圧電体層４８を形成する（図６（Ａ）参照）。圧電体層４８は、ゾル−ゲル法、有機金属熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等の液相法を用いて形成される。圧電体層４８の材質は、好ましくは、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物とすることができる。すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）は、圧電性能が良好なため、圧電体層４８の材質として好適である。具体的には、以下のように圧電体層４８を形成する。
【００２７】
まず、Ｐｂ、Ｚｒ、およびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた圧電材料溶液を、下部電極層３０の上方全面にスピンコート、ディップコート、インクジェット法等により塗布し、１層のＰＺＴ前駆体層４２ａを形成する（図２参照）。ここで、ＰＺＴ前駆体層４２ａの膜厚は、４００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２８】
次に、熱処理（乾燥工程、脱脂工程）を行う。乾燥工程は溶媒の除去を目的としており、例えば、アルコール系溶媒を用いている場合には１００〜２００℃程度で行う。また、乾燥工程の時間は、例えば、１０分程度である。脱脂工程では、乾燥工程後のＰＺＴ前駆体層４２ａ中に残存する有機成分をＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等に熱分解して離脱させることができる。脱脂工程の温度は、例えば３００〜４００℃程度である。
【００２９】
次いで、ＰＺＴ前駆体層４２ａを結晶化するための結晶化アニール（焼成工程）を行う。結晶化アニールでは、ＰＺＴ前駆体層４２ａを加熱することによって結晶化させることができる。結晶化アニールは、結晶化後の圧電体層４２の表面に複数の凸部４３が形成されるまで行われる（図３参照）。結晶化アニールの温度は、例えば、６００℃〜７００℃である。結晶化アニールに用いる装置は、輻射熱および伝導熱の双方によって加熱することのできるものが好ましく、たとえば拡散炉であることができる。拡散炉を用いることにより、容易に凸部４３を形成することができる。結晶化アニールの時間は、例えば、３０分以上であることが好ましい。このように長時間の加熱することによって、より確実に凸部４３を形成することができる。以上の工程により、圧電体層４２を形成することができる。なお、結晶化アニールに用いる装置としては、上述したものに限られず、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置などを用いてもよい。
【００３０】
次いで、圧電体層４２上に、圧電材料溶液を塗布し、１層のＰＺＴ前駆体層４４ａを形成する（図４参照）。塗布方法、材質、膜厚等は、上述したＰＺＴ前駆体層４２ａと同様の塗布方法、材質、膜厚等を適用することができる。
【００３１】
次いで、熱処理（乾燥工程、脱脂工程）を行った後に、ＰＺＴ前駆体層４４ａを結晶化するための結晶化アニール（焼成工程）を行う（図５参照）。それぞれの熱処理工程の条件は、上述した条件と同様の条件を適用することができる。圧電体層４４の表面にも凸部４３が形成される。
【００３２】
このようにして、凸部４３が形成された後に、さらに圧電材料溶液の塗布、乾燥、脱脂工程、および結晶化アニール工程を行うことによって、圧電体層４２と圧電体層４４との間に空孔４５が形成される。空孔４５は、隣り合う凸部４３の中間付近に形成される。ここで、空孔４５は、圧電体層４２と圧電体層４４との間の基板１０の上面と平行な面においてマトリックス状に並んでいる。
【００３３】
さらに、圧電材料溶液の塗布、乾燥、脱脂工程、および結晶化アニールを繰り返すことにより、厚膜化した圧電体層４８を形成することができる（図６（Ａ）参照）。ここで圧電体層４８の最上面は、凸部が形成されていなくてもよい。したがって、圧電体層４８を構成する最上層のＰＺＴ前駆体層の結晶化アニールは、下層の結晶化アニールより短時間で行うことができる。これにより、圧電体層４８の上面が平坦になり、後述する上部電極層５０との密着性を向上させることができる。また、複数の基板に対して本発明を実施する場合は、以下の方法を用いることで、圧電体層４８を安定したペロブスカイト構造で形成でき且つスループットを向上させることができる。まず、下層の圧電体層に対して、塗布および熱処理を行う。次に、枚葉式装置であるＲＴＡ装置を用いて、下層の圧電体層の結晶化工程を行う。ＲＴＡで結晶化させることにより拡散炉を用いた場合と比べて、安定したペロブスカイト構造を有する圧電体層を形成することができる。次に、それらの基板に対して、上層の圧電体層の塗布および熱処理を行う。次に、バッチ処理が可能な拡散炉で複数の基板に対して結晶化アニールを行う。これにより、枚葉式であるＲＴＡ装置を用いる場合と比べてスループットを向上させることができる。さらに、下層の圧電体層はＲＴＡ処理により安定したペロブスカイト構造を有しているため、上層の圧電体層はその結晶構造を引きずり、拡散炉で熱処理したとしても安定したペロブスカイト構造を有する圧電体層を形成することができる。なお、圧電材料溶液の塗布、乾燥、脱脂工程、および結晶化アニールの実施回数は、少なくとも２回以上であればよい。
【００３４】
圧電体層４８には、図６（Ａ）のように複数層のマトリックス状の空孔４５が設けられていることが好ましく、さらに空孔４５は、縦方向、横方向、および奥行き方向のすべてにおいて均一に配置されていることが好ましい。ただし、図６（Ａ）は本発明の一例であって、例えば図６（Ｂ）のように、一部の空孔が欠落していても本発明の効果が損なわれるものではない。また、空孔がマトリックス状でなく、ランダムな位置に設けられたとしても本発明の効果が損なわれるものではない。
【００３５】
空孔４５の径は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。空孔のサイズが１００ｎｍより大きいと、圧電体層４８を構成する結晶の柱状構造が広い範囲で分断されてしまい、圧電特性が低下してしまうことがあるからである。
【００３６】
（５）次に圧電体層４８上に、上部電極層５０（第２電極）を形成する。上部電極層５０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。上部電極層５０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ３やＬａＮｉＯ３といった複合酸化物など、を用いることができる。また、上部電極層５０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。たとえば、上部電極層５０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。このようにして、下部電極層３０、圧電体層４８、および上部電極層５０からなるキャパシタ構造部６０を形成することができる。
【００３７】
以上の工程により、本実施の形態にかかる圧電素子１００を形成することができる。本実施の形態にかかる圧電素子１００の形成方法では、圧電体層４８を形成する際、圧電材料溶液を塗布する毎に結晶化アニールを行っている。これにより、圧電体層４８中に空孔４５を形成することができ、残留応力を緩和し、クラックの発生を抑制することができる。さらに、空孔４５の径を１００ｎｍ以下にすることにより、圧電体層４８を構成する結晶の柱状構造が分断されることを防止し、圧電素子１００の圧電特性および強度を良好に保つことができる。また空孔４５は、図６（Ａ）において縦方向、横方向、および奥行き方向のすべてにおいて均一に配置されていることが好ましい。これにより、圧電体層４８の全面において、均一に応力を緩和ずることができ、クラックの発生を確実に抑制することができる。また、縦方向における空孔４５間の距離は、塗布されるＰＺＴ前駆体層４２ａの膜厚に依存する。ＰＺＴ前駆体層４２ａの膜厚を、４００ｎｍ以下にすることにより、空孔４５を密に配置することができ、残留応力を大きく緩和することができる。またＰＺＴ前駆体層４２ａの膜厚を２００ｎｍ以下にすることにより、さらに大きく残留応力を緩和することができる。
【００３８】
２．変形例
次に本実施の形態にかかる変形例について説明する。変形例にかかる圧電素子の製造方法においては、圧電体層の下部のみに空孔を設けている点で、圧電体層４８の全体にわたって空孔を設けている圧電素子１００の製造方法と異なる。
【００３９】
図７は、変形例にかかる圧電素子２００を模式的に示す断面図である。具体的な製造方法については、以下のとおりである。
【００４０】
上述した本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法の工程（４）の後に、圧電体層４２上に、圧電材料溶液を塗布し、熱処理（乾燥工程、脱脂工程）を行う。この圧電材料溶液の塗布、乾燥、脱脂工程のみを繰り返し行う。これにより、複数層のＰＺＴ前駆体層を形成する。その後、複数層のＰＺＴ前駆体層の結晶化アニールを一括で行うことにより、圧電体層４８の上にさらに他の圧電体層４６を形成することができる。
【００４１】
次に、圧電体層４６上に、上部電極層５０（第２電極）を形成する。これ以後の工程は、上述した工程（５）と同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
以上の工程により変形例にかかる圧電素子２００を製造することができる。圧電素子２００は、圧電体層４８と圧電体層４６のうち、下層の圧電体層４８にのみ空孔４５を有する。液相法で圧電体層を成膜した場合、熱膨張係数の違いから下部電極層３０側に残留応力が集中しており、さらに圧電素子が駆動させると、歪まない下部電極と歪む圧電体との界面には大きな歪み応力が集中する。従って、本実施例のように下層の圧電体層４８にのみ空孔４５を形成することで、効率的に残留応力および歪み応力を緩和し、かつ上層において一括アニールすることによりスループットを向上させることができる。
【００４３】
３．実験例
本実験例では、上述した圧電素子１００の製造方法を用いて圧電アクチュエータ３００を形成し、それぞれをパルス駆動させてクラックの発生状況を観察した。
【００４４】
３．１．第１の実験例
第１の実験例では、上述した本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を用いて、圧電素子を適用した圧電アクチュエータ３００を形成した。図８は、第１の実験例において形成された圧電アクチュエータ３００を模式的に示す断面図である。
【００４５】
圧電アクチュエータ３００は、基板１０と、基板１０に設けられた圧力発生室１６と、基板１０の上方に設けられた弾性体層２０と、弾性体層２０の上方に設けられたキャパシタ構造部６２であって、下部電極層３２と、圧電体層４７と、上部電極層５２とを有するキャパシタ構造部６２とを含む。
【００４６】
基板１０は、本実施形態の圧電アクチュエータ３００の支持体となる機能を有する。基板１０の下方には、圧力発生室１６と、圧力発生室１６の下方に設けられたノズルプレート１８とが設けられている。
【００４７】
圧電アクチュエータ３００の製造工程は、以下の通りである。
【００４８】
まず、シリコン基板１２を準備し、その上面を酸化処理することにより厚み約１．０μｍの酸化シリコン１４を形成した。次いでスパッタ法により、厚み約５００ｎｍの酸化ジルコニウムからなる弾性体層２０と、その上に厚み１００ｎｍの白金からなる下部電極層３２を形成した。
【００４９】
次いでＰＺＴ溶液をスピンコート法により下部電極層３２上に塗布し、乾燥、脱脂、焼成を行い結晶化した。焼成工程では、拡散炉により３０分間行った。結晶化後の膜厚は２００ｎｍであり、塗布、乾燥、脱脂、焼成の工程を５回繰り返し、膜厚１μｍのＰＺＴ層４７を得た。図９は、ＰＺＴ層４７の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示す。ＳＥＭ画像には、空孔が存在することが確認された。
【００５０】
その後、厚み１００ｎｍの白金からなる上部電極層５２を形成し、パターニングを行い、酸化アルミニウムからなる保護膜５４および配線（図示せず）を形成した。さらにシリコン基板１２を下方からエッチングすることで圧力発生室１６を形成し、ノズルプレート１８を設けた。
【００５１】
得られた圧電アクチュエータ３００をパルス駆動させたところ、１００億パルス駆動させてもクラックが発生しなかった。
【００５２】
３．２．第２の実験例
第２の実験例では、以下のように圧電アクチュエータを形成した。圧電アクチュエータの構成は、上述した第１の実験例の圧電アクチュエータ３００と同様の構成である。
【００５３】
圧電アクチュエータの製造工程は、以下の通りである。
【００５４】
まず、シリコン基板１２を準備し、その上面を酸化処理することにより厚み約１．０μｍの酸化シリコン１４を形成した。次いでスパッタ法により、厚み約５００ｎｍの酸化ジルコニウムからなる弾性体層２０と、その上に厚み１００ｎｍの白金からなる下部電極層３２を形成した。
【００５５】
次いでＰＺＴ溶液をスピンコート法により下部電極層３２上に塗布し、乾燥、脱脂、焼成を行い結晶化した。焼成工程では、ＲＴＡにより５分間行った。結晶化後の膜厚は２００ｎｍであり、塗布、乾燥、脱脂、焼成の工程を５回繰り返し、膜厚１μｍのＰＺＴ層４７を得た。図１０は、ＰＺＴ層４７の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示す。ＳＥＭ画像では、空孔が確認されなかった。
【００５６】
その後、厚み１００ｎｍの白金からなる上部電極層５２を形成し、パターニングを行い、酸化アルミニウムからなる保護膜５４および配線（図示せず）を形成した。さらにシリコン基板１２を下方からエッチングすることで圧力発生室１６を形成し、ノズルプレート１８を設けた。
【００５７】
得られた圧電アクチュエータ３００をパルス駆動させたところ、１０億パルスでクラックが発生した。
【００５８】
３．３．第３の実験例
第３の実験例では、以下のように圧電アクチュエータを形成した。圧電アクチュエータの構成は、上述した第１の実験例の圧電アクチュエータ３００と同様の構成である。
【００５９】
圧電アクチュエータの製造工程は、以下の通りである。
【００６０】
まず、シリコン基板１２を準備し、その上面を酸化処理することにより厚み約１．０μｍの酸化シリコン１４を形成した。次いでスパッタ法により、厚み約５００ｎｍの酸化ジルコニウムからなる弾性体層２０と、その上に厚み１００ｎｍの白金からなる下部電極層３２を形成した。
【００６１】
次いでＰＺＴ溶液をスピンコート法により下部電極層３２上に塗布し、乾燥、脱脂を行い結晶化した。塗布、乾燥、脱脂の工程を５回繰り返し、その後一括で焼成を行った。焼成工程では、ＲＴＡにより１０分間行い、膜厚１μｍのＰＺＴ層を得た。
【００６２】
その後、厚み１００ｎｍの白金からなる上部電極層５２を形成し、パターニングを行い、酸化アルミニウムからなる保護膜および配線（図示せず）を形成した。さらにシリコン基板１２を下方からエッチングすることで圧力発生室１６を形成し、ノズルプレート１８を設けた。
【００６３】
得られた圧電アクチュエータ３００をパルス駆動させたところ、１億パルスでクラックが発生した。
【００６４】
第１の実験例〜第３の実験例によれば、ＰＺＴ前駆体層の焼成工程を各層毎に行うことにより、焼成工程を一括で行う場合に比べて、クラックが発生し難くなっていることが確認された。また、焼成工程において拡散炉を用いて加熱時間を３０分以上にすることによって、空孔が確認され、さらにクラックが発生し難くなっていることが確認された。
【００６５】
４．インクジェット式記録ヘッド
次に、図６に示した圧電素子１００を用いたインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図１１は、図６に示した圧電素子１００を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図１２は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図１２は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【００６６】
インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５００は、図１１に示すように、ヘッド本体５４２と、ヘッド本体５４２の上に設けられた圧電部５４０と、を備える。なお、図１１に示した圧電部５４０は、図６に示した圧電素子１００における下部電極層３０、圧電体層４８、および上部電極層５０に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子１００は、圧電アクチュエータとして機能することができる。圧電アクチュエータとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。
【００６７】
また、図６に示した圧電素子１００における酸化物層１４および弾性体層２０は、図１１において弾性膜５５０に相当する。また、基板１０（図６参照）は後述するようにヘッド本体５４２の要部を構成するものとなっている。
【００６８】
すなわち、ヘッド５００は、図１２に示すようにノズル板５１０と、インク室基板５２０と、弾性膜５５０と、弾性膜５５０に接合された圧電部（振動源）５４０とを備え、これらが基体５６０に収納されて構成されている。なお、このヘッド５００は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００６９】
ノズル板５１０は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
【００７０】
ノズル板５１０には、インク室基板５２０が固着（固定）されている。インク室基板５２０は、上述の基板２によって形成されたものである。インク室基板５２０は、ノズル板５１０、側壁（隔壁）５２２、および後述する弾性膜５５０によって、複数のキャビティー（インクキャビティー）５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図１３参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティー５２１にインクが供給される。
【００７１】
キャビティー５２１は、図１１および図１２に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティー５２１は、後述する弾性膜５５０の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティー５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
【００７２】
インク室基板５２０のノズル板５１０と反対の側には弾性膜５５０が配設されている。さらに弾性膜５５０のインク室基板５２０と反対の側には複数の圧電部５４０が設けられている。弾性膜５５０の所定位置には、図１２に示すように、弾性膜５５０の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、後述するインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。
【００７３】
各圧電部５４０は、後述する圧電素子駆動回路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作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４０はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能する。弾性膜５５０は、圧電部５４０の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティー５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
【００７４】
基体５６０は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図１２に示すように、この基体５６０にインク室基板５２０が固定、支持されている。
【００７５】
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５００によれば、上述したように、圧電部５４０にクラックが発生しにくいため信頼性が高く、良好な圧電特性を有し、効率的なインクの吐出が可能となっている。したがって、ノズル５１１の高密度化などが可能となり、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
【００７６】
５．インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド５００を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図１３は、本発明のインクジェットプリンター６００を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図１３中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【００７７】
インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。
【００７８】
装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。
【００７９】
印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。
【００８０】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を備えるインクジェット式記録ヘッド５００と、このインクジェット式記録ヘッド５００にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５００およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。
【００８１】
往復動機構６４２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６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５００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。
【００８２】
給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
【００８３】
本実施の形態にかかるインクジェットプリンター６００によれば、信頼性が高く高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５００を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【００８４】
なお、本発明のインクジェットプリンター６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（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て使用することができる。
【００８５】
６．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。従って、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。
【００８６】
また、上述した実施形態に係る圧電素子は、アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンタの他に、たとえばジャイロセンサ等のジャイロ素子、ＦＢＡＲ（film bulk acoustic resonator）型やＳＭＲ（solid mounted resonator）型等のＢＡＷ（bulk acoustic wave）フィルタ、超音波モータなどに適用されることができる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、上述したように良好な圧電特性を有し、信頼性が高いため、各種の用途に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を説明するための模式図である。
【図２】本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を説明するための模式図である。
【図３】本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を説明するための模式図である。
【図４】本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を説明するための模式図である。
【図５】本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法を説明するための模式図である。
【図６】本実施の形態にかかる圧電素子１００を模式的に示す断面図である。
【図７】変形例にかかる圧電素子２００を模式的に示す断面図である。
【図８】実験例にかかる圧電アクチュエータ３００を模式的に示す断面図である。
【図９】第１の実験例にかかる圧電体層の断面のＳＥＭ画像を示す図である。
【図１０】第２の実験例にかかる圧電体層の断面のＳＥＭ画像を示す図である。
【図１１】インクジェット式記録ヘッドの概略構成図である。
【図１２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図１３】本実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  基板、１２  シリコン層、１４  酸化物層、２０  弾性体層、３０  下部電極層、３２  下部電極層、４２  圧電体層、４２ａ  ＰＺＴ前駆体層、４３  凸部、４４  圧電体層、４４ａ  ＰＺＴ前駆体層、４５  空孔、４６  圧電体層、４８  圧電体層、５０  上部電極層、５２  上部電極層、５４  保護膜、６０  キャパシタ構造部、６２  キャパシタ構造部、１００  圧電素子、２００  圧電素子、３００  圧電アクチュエータ、５００  インクジェット式記録ヘッド、５１０  ノズル板、５１１  ノズル、５２０  インク室基板、５２１  キャビティー、５２２  側壁、５２３  リザーバ、５２４  供給口、５３１  連通孔、５４０  圧電部、５４２  ヘッド本体、５５０  弾性板、５６０  基体、６００  インクジェットプリンター、６２０  装置本体、６２１  トレイ、６２２  排出口、６３０  ヘッドユニット、６３１  インクカートリッジ、６３２  キャリッジ、６４０  印刷装置、６４１  キャリッジモータ、６４２  往復動機構、６４３  キャリッジガイド軸、６４４  タイミングベルト、６５０  給紙装置、６５１  給紙モータ、６５２  給紙ローラ、６６０  制御部、６７０  操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図９】
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【図１０】
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