(57)【要約】【課題】  優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を有する誘電体膜構成体を実現して、アクチュエータ、メモリ、センサなどの素子の小型化、高集積化を達成するための技術、なかでも、従来の多結晶焼結体の誘電体膜の特性を凌駕し、さらに耐久性にも優れた圧電アクチュエータ、更には、この圧電アクチュエータを備え、高密度ノズル配列及び長尺化に適した構造を有するインクジェットヘッドを提供すること。【解決手段】  特定の配向特性を有する誘電体膜を基板上に設けて誘電体膜構成体とする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（００１）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（１）：
【化１】
2004260158.tif 000023
（上記式（１）において、
Ｃc：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（００ｌ'）面のピークのカウント数（ここでｌ'はＣcが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｃa：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（ｈ'００）面のピークのカウント数（ここでｈ'はＣcが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｗc：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（００ｌ'）面のピークの半値幅；
Ｗa：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（ｈ'００）面のピークの半値幅；である。）
で表されるｕが２より大きい実数であることを特徴とする誘電体膜構成体。
【請求項２】
前記誘電体膜は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（００ｌ）面以外の面のカウント数が（００ｌ'）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（ｈ００）面以外の面のカウント数が（ｈ'００）面のカウント数の１０％以下である（ここでｈおよびｌは任意の自然数であり、ｌ'はＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における（００ｌ'）面のピークのカウント数が最大となるように選ばれる自然数であり、ｈ'はＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における（ｈ'００）面のピークのカウント数が最大となるように選ばれる自然数である）請求項１に記載の誘電体膜構成体。
【請求項３】
前記誘電体膜は、厚みが１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である請求項１に記載の誘電体膜構成体。
【請求項４】
前記誘電体膜は、結晶構造が正方晶である請求項１に記載の誘電体膜構成体。
【請求項５】
基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（１１１）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（２）：
【化２】
2004260158.tif 000024
（上記式（２）において、
Ｃ111：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（１１１）面のピークのカウント数；
Ｃ-110：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（−１１０）面のピークのカウント数；
Ｗ111：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（１１１）面のピークの半値幅；
Ｗ-110：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（−１１０）面のピークの半値幅である。）
で表されるｖが２より大きい実数であることを特徴とする誘電体膜構成体。
【請求項６】
前記誘電体膜は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（１１１）面に平行でない面のカウント数が（１１１）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で｛−１１０｝面に平行でない面のカウント数が（−１１０）面のカウント数の１０％以下である請求項５に記載の誘電体膜構成体。
【請求項７】
前記誘電体膜は、結晶構造が菱面体晶である請求項５に記載の誘電体膜構成体。
【請求項８】
基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（１１０）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（３）：
【化３】
2004260158.tif 000025
（上記式（３）において、
Ｃ110：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（１１０）面のピークのカウント数；
Ｃ00m：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（００ｍ）面のピークのカウント数（ここでｍはＣ00mが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｗ110：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（１１０）面のピークの半値幅；
Ｗ00m：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（００ｍ）面のピークの半値幅である。）
で表されるｗが２より大きい実数であることを特徴とする誘電体膜構成体。
【請求項９】
前記誘電体膜は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（１１０）面に平行でない面のカウント数が（１１０）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で｛−１１０｝面に平行でない面のカウント数が（−１１０）面のカウント数の１０％以下である請求項８に記載の誘電体膜構成体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の誘電体膜構成体と、該誘電体膜構成体に  電圧を印加するための電極と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の誘電体膜構成体と、該誘電体膜構成体に電圧を印加するための電極と、を有する圧電アクチュエータを備え、該圧電アクチュエータが駆動されてインクを吐出することを特徴とするインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を有し、アクチュエータ、メモリ、センサなどの素子に利用可能な誘電体膜構成体に関連する。また、本発明はこの誘電体膜構成体を有する圧電アクチュエータに関連する。さらに、本発明はこの圧電アクチュエータを、液体を吐出するための吐出圧発生素子として利用したインクジェットヘッドに関連する。
【背景技術】
【０００２】
チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＰＺＴ−ＰＭＮ）固溶体などからなる誘電体膜を有する誘電体膜構成体は、その誘電性、圧電性、焦電性、強誘電性などの性質を利用してアクチュエータ、メモリ、センサなどの各種素子に現在広く用いられている。現在、電子電気機器などの小型化あるいは高機能化にともなって、これらの素子自体の小型化あるいは高集積化が熱望されている。
【０００３】
例えば、誘電体膜構成体を有する圧電アクチュエータは、パーソナルコンピュータの出力機器として普及しているインクジェットプリンタのインク吐出手段として利用されている。
【０００４】
圧電アクチュエータを利用したインクジェットヘッドとしては様々な方式のものが知られている。これらの方式としては、例えば、特公昭５３−１２１３８号公報（特許文献１）に開示されているバイモルフ方式のもの、特公昭６２−２２７９０号公報（特許文献２）に開示されているユニモルフ方式のもの、米国特許４５８４５９０号公報（特許文献３）、特公平７−３３０８９号公報（特許文献４）、あるいは米国特許５２６５３１５号公報（特許文献５）に開示されているシェアモード方式のものなどを挙げることができる。
【０００５】
以下、ユニモルフ方式の圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドを例に挙げて、インクジェットヘッドついて説明する。図４の（ａ）はユニモルフ方式のインクジェットヘッドの斜視図であり、図４の（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って破断して示す断面図である。インクジェットヘッドは主として、圧電アクチュエータ８、流路基板９、ノズルプレート１０の３つの部分から構成される。ノズルプレートには特定の間隔および配列で複数のノズル３が形成されており、各ノズルは流路基板の裏面側にインクを吐出する開口である吐出口を形成している。更に、各ノズルは、１つのアクチュエータに対応して１つずつ設けられており、流路基板には個々のノズルに対応したインク加圧室１が形成される。
【０００６】
ノズルプレートと流路基板は、ノズルとインク加圧室が連通するように接合される。さらに、流路基板には共通インク室２が形成されており、複数のインク加圧室の全ては共通インク室に連通されている。インク加圧室１の側壁のひとつ（図では天井部分）は圧電アクチュエータの振動板４を兼ねている。振動板の上には順番に下部電極５、誘電体膜６、上部電極７が積層されていて、これらが圧電アクチュエータを構成している。
【０００７】
インクの吐出を行う際には、インクは共通インク室２からインク加圧室１へ供給され、インク加圧室１を満たす。この状態で、圧電アクチュエータ８の上部電極７と下部電極５に電圧を印加することによって誘電体膜６を膜面に平行な方向へ収縮あるいは膨張させることができる。この結果、圧電アクチュエータ８はインク加圧室１の内側あるいは外側へ撓む。例えば圧電アクチュエータをインク加圧室の内側へ撓ませるとインク加圧室内のインクが加圧され、この圧力によってノズルからインク滴を吐出させることができる。
【０００８】
現在、普及しているインクジェットヘッドの誘電体膜は、通常、圧電セラミックペーストのスクリーン印刷により形成されている。圧電セラミックペーストは圧電材料の原料粉体に少量の有機バインダを添加したものである。これを特定の間隔で形成されたインク加圧室に合わせて、下部電極を形成した上にスクリーン印刷によりパターニング塗布し、そのあと焼結して多結晶の誘電体膜を得る。
【０００９】
しかしながら、ノズル配列の高密度化およびインクジェットヘッドの長尺化（ヘッド１個あたりのノズル数を増やすこと）をさらに発展させる上でスクリーン印刷による方法には下記のような問題があった。
【００１０】
インクジェットヘッドにおいてノズル配列の高密度化を追求する場合、これに合わせてインク加圧室の幅も小さくする必要があり、圧電アクチュエータにはより大きな変位が求められる。従って、ノズル配列のさらなる高密度化を達成するにはスクリーン印刷による誘電体膜はその圧電特性において満足できない場合があった。
【００１１】
また、スクリーン印刷による誘電体膜の形成では、焼結に９５０℃〜１３００℃の温度範囲で数十分から数時間の加熱を必要とする。これにより得られる誘電体膜のパターンは焼結時の体積収縮によりスクリーン印刷した時点でのパターンからの位置ずれを生じる。このような誘電体膜の位置ずれは、ノズル配列がより高密度化されるほど、またインクジェットヘッドがより長尺化されるほど、吐出特性などへの影響といった点で大きな問題となる場合がある。さらに、一般的にインク加圧室の高集積化の手段として半導体製造技術によるシリコン基板の微細加工が有望視されているが、スクリーン印刷によって誘電体膜を形成した場合は焼成時の加熱によるシリコン基板の劣化が避けられない場合がある。
【００１２】
これらの問題を解決するために、スパッタ法、ゾルゲル法、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）などの方法により成膜条件を低温化し、さらに誘電体膜の結晶構造を制御して特性を改善する検討が行なわれている。
【００１３】
例えば、特開平６−３５０１５４号公報（特許文献６）には、基板上に〈１１１〉配向度が７０％以上である菱面体晶系のチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法で成膜した誘電体（圧電体）膜素子、および基板上に〈００１〉配向度が７０％以上である正方晶系のチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法で成膜した誘電体（圧電体）膜素子が開示されており、液体噴射装置としての利用が示唆されている。
【００１４】
しかしながら、上記公報に開示された誘電体（圧電体）膜素子には、いくつかの問題がある。
【００１５】
まず、その圧電特性は、多結晶のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）焼結体と比較して向上しているが、高密度ノズル配列のインクジェットプリンタを実現するには不充分である場合が多い。さらに、多結晶のＰＺＴ焼結体と比較して耐久性が低く、繰り返し使用した時に圧電特性が著しく低下する場合がある。
【特許文献１】特公昭５３−１２１３８号公報
【特許文献２】特公昭６２−２２７９０号公報
【特許文献３】米国特許４５８４５９０号公報
【特許文献４】特公平７−３３０８９号公報
【特許文献５】米国特許５２６５３１５号公報
【特許文献６】特開平６−３５０１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的の一つは、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を有する誘電体膜構成体を実現して、アクチュエータ、メモリ、センサなどの素子の小型化、高集積化を達成するための技術を提供することにあり、なかでも、従来の多結晶焼結体の誘電体膜の特性を凌駕し、さらに耐久性にも優れた圧電アクチュエータを提供することにある。
本発明の更なる目的は、この圧電アクチュエータを備え、高密度ノズル配列及び長尺化に適した構造を有するインクジェットヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（００１）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（１）：
【００１８】
【化１】
2004260158.tif 000002
【００１９】
（上記式（１）において、
Ｃc：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（００ｌ'）面のピークのカウント数（ここでｌ'はＣcが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｃa：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（ｈ'００）面のピークのカウント数（ここでｈ'はＣcが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｗc：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（００ｌ'）面のピークの半値幅；
Ｗa：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（ｈ'００）面のピークの半値幅；である。）
で表されるｕが２より大きい実数であることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明におけるカウント数および半値幅について、Ｘ線回折測定チャート（模式図）の一例を示して説明する。例えば本発明の第一の発明である誘電体膜構成体のＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ Ｘ線回折測定チャートが図５および図６（ロッキングカーブ）である場合、ＣcはＰＺＴ（００２）ピークのカウント数であり、Ｗcは図６のＰＺＴ（００２）ピークの半値幅である。
【００２１】
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体の誘電体膜は必ずしも直接基板上に設けられている必要はなく、誘電体膜と基板の間に例えばバッファー層、電極層など中間層を含んでいても良い。また、中間層は複数であっても良い。
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、その誘電体膜が該基板に対して（００１）面配向性を有し、かつその結晶構造が前記式（１）で表されるｕが２より大きい実数となるような関係に制御されていることにより、すなわち、誘電体膜の膜厚方向およびそれに直行する方向において、より好ましい態様で結晶構造を制御されていることにより、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現するものである。このような結晶性を有する誘電体膜を用いたことで、これらの諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（００１）面配向性の誘電体膜を凌ぐ特性の誘電体膜構成体が得られる。さらに本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、優れた耐久性を有し、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。本発明の第１の発明である誘電体膜構成体において、より好ましくはｕが３より大きい実数であり、さらに好ましくはｕが５より大きい実数あり、さらにはｕが７より大きい実数である。
【００２２】
本発明の第１の発明における（００１）面配向性の誘電体膜としては、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（００ｌ）面以外の面のカウント数が（００ｌ'）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（ｈ００）面以外の面のカウント数が（ｈ'００）面のカウント数の１０％以下であるものが好ましい。但し、ここでｈおよびｌは任意の自然数であり、ｌ'はＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における（００ｌ'）面のピークのカウント数が最大となるように選ばれる自然数であり、ｈ'はＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における（ｈ'００）面のピークのカウント数が最大となるように選ばれる自然数である。より好ましくはともに５％以下であり、さらに好ましくは１％以下である。因みに本発明の誘電体の（００ｌ）面および（ｈ００）面とは、結晶の面指数を（ｈｋｌ）としたとき、該基板表面に平行な関係にある面を（００ｌ）面、該基板表面に対し略垂直な関係にある面を（ｈ００）面としている。
【００２３】
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜が、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＮｂのうち少なくとも３種類以上の元素を含むことを特徴とするものである。より好ましくは、誘電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするものである。これによって、誘電体膜構成体の優れた特性を広い温度領域に渡って発揮することが出来る。
【００２４】
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜の厚みが１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である。これによって、誘電体膜の厚みを厚くすることによって電気的な耐圧性が向上する。又、より広い電圧領域で使用することも可能となる。また、誘電体膜の厚みが厚すぎると成膜時間が長くなり製造効率の観点から好ましくない。より好ましくは１００ｎｍ以上、１５μｍ以下であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上、１０μｍ以下である。
【００２５】
本発明の第１の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜の結晶構造が正方晶である。正方晶とすることにより誘電体膜の分極方向を容易に膜厚方向へそろえることが出来る。
【００２６】
本発明の第１の発明に係わる圧電アクチュエータは、上述の第１の発明の誘電体膜構成体を含むものである。これにより、従来の圧電アクチュエータを凌駕する優れた圧電特性を発揮することができるので、アクチュエータの小型化、高集積化を実現することが可能となる。
【００２７】
本発明の第１の発明に係わるインクジェットヘッドは上述の第１の発明に係わる圧電アクチュエータを備えるものである。これによりノズル配列の高密度化およびインクジェットヘッドの長尺化（ヘッド１個あたりのノズル数を増やすこと）が可能となり、インクジェットヘッドを用いて得られる画像の高精細化、プリント速度の高速化が達成できる。
【００２８】
本発明の第１の発明にかかる誘電体膜構成体の有する誘電体膜は、Ｘ線回折での測定値が、ｕ＝（Ｃc／Ｃa）×（Ｗa／Ｗc）なる式において、ｕが２より大きい実数、好ましくは３より大きい実数、さらには５より大きい実数、７より大きい実数であるときに、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現するものである。これら諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（００１）面配向性の誘電体膜を凌ぐものである。さらに耐久性においても優れていて、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。
【００２９】
本発明の誘電体膜構成体が優れた特性を発現するメカニズムについての詳細な解明はなされていないが、以下のようなメカニズムによると考えられる。まず第一に、誘電体膜の結晶方位が、通常の多結晶のもののようにランダムではなく、膜厚方向および面内方向に揃っている点を挙げることができる。このため誘電体膜の機能がいろいろな方向に発散してしまうことなく、特定の方向に集中して発揮され、より大きな効果を得る事ができる。
【００３０】
次に、本発明の誘電体膜の規則的に並んだ結晶格子の配列について詳細に考える。このような格子配列は概して規則正しく整列しているが、厳密にみれば配列は完全ではなく、僅かながら結晶方位の乱れが存在する事が知られている。この乱れはＸ線回折測定においてロッキングカーブの半値幅の大きさとして観察される。本発明の誘電体膜構成体においては、誘電体膜の結晶格子のロッキングカーブの半値幅の大きさが膜厚方向よりも面内方向に大きく、結晶格子の自由度が面内方向に大きくなっていると考えられる。この結果、誘電性、圧電性、焦電性、強誘電性の起源となっている誘電体結晶における構成イオンの変位が非常に起き易くなって本発明の優れた特性が発現されるというメカニズムが仮想される。
【００３１】
なお、先に式（１）におけるｕを求めるためのＸ線回折測定の条件は特に限定されるものではないが、例えば、スリット幅０．２°〜１°、Ｘ線管電圧が５０ｋＶ、Ｘ線管電流が４０ｍＡの条件での測定が利用できる。
【００３２】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は、基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（１１１）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（２）：
【００３３】
【化２】
2004260158.tif 000003
【００３４】
（上記式（２）において、
Ｃ111：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（１１１）面のピークのカウント数；
Ｃ-110：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（−１１０）面のピークのカウント数；
Ｗ111：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（１１１）面のピークの半値幅；
Ｗ-110：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（−１１０）面のピークの半値幅である。）
で表されるｖが２より大きい実数であることを特徴とする。
【００３５】
なお、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折の（−１１０）面の反射ピークが複数存在する場合、Ｃ-110およびＷ-110は最大カウント数を示すピークに対応するものとする。
【００３６】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体の誘電体膜は必ずしも直接基板上に設けられている必要はなく、誘電体膜と基板の間に例えばバッファー層、電極層など中間層を含んでいても良い。また、中間層は複数であっても良い。
【００３７】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は、その誘電体膜が該基板に対して（１１１）面配向性を有し、かつその結晶構造が前記（２）式においてｖが２より大きい実数となるような関係に制御されていることにより、すなわち、膜厚方向およびそれに直行する面内方向により好ましい態様で結晶構造を制御されていることにより、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現することができるものである。このような結晶性を有する誘電体膜を用いたことで、これら諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（１１１）面配向性の誘電体膜を凌ぐ特性の誘電体膜構成体が得られる。さらに本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は優れた耐久性を有し、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。本発明の第２の発明である誘電体膜構成体において、より好ましくはｖが３より大きい実数であり、さらに好ましくはｖが５より大きい実数あり、さらにはｖが７より大きい実数である。
【００３８】
本発明の第２の発明における（１１１）面配向性の誘電体膜としては、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（１１１）面に平行でない面のカウント数が（１１１）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で｛−１１０｝面に平行でない面のカウント数が（−１１０）面のカウント数の１０％以下である場合である。より好ましくはともに５％以下であり、さらに好ましくは１％以下である。
【００３９】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜がＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＮｂのうち少なくとも３種類以上の元素を含むことを特徴とするものである。より好ましくは、誘電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするものである。これによって、誘電体膜構成体の優れた特性を広い温度領域に渡って発揮することが出来る。
【００４０】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜の厚みが１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である。これによって、誘電体膜の厚みを厚くすることによって電気的な耐圧性が向上する。又、より広い電圧領域で使用することも可能となる。また、誘電体膜の厚みが厚すぎると成膜時間が長くなり製造効率の観点から好ましくない。より好ましくは１００ｎｍ以上、１５μｍ以下であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上、１０μｍ以下である。
【００４１】
本発明の第２の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜の結晶構造が菱面体晶である。菱面体晶とすることにより誘電体膜の分極方向を容易に膜厚方向へそろえることが出来る。
【００４２】
本発明の第２の発明に係わる圧電アクチュエータは、上述の第２の発明の誘電体膜構成体を含むものである。これにより、従来の圧電アクチュエータを凌駕する優れた圧電特性を発揮することができるので、アクチュエータの小型化、高集積化を実現することが可能となる。
【００４３】
本発明の第２の発明に係わるインクジェットヘッドは上述の第２の発明に係わる圧電アクチュエータを備えるものである。これによりノズル配列の高密度化およびインクジェットヘッドの長尺化（ヘッド１個あたりのノズル数を増やすこと）が可能となり、インクジェットヘッドを用いて得られるの画像の高精細化、プリント速度の高速化が達成できる。
【００４４】
本発明の第２の発明にかかる誘電体膜構成体の有する誘電体膜は、Ｘ線回折での測定値が、ｖ＝（Ｃ111／Ｃ-110）×（Ｗ-110／Ｗ111）なる式において、ｖが２より大きい実数、好ましくは３より大きい実数、さらには５より大きい実数、７より大きい実数であるときに優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現するものである。これら諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（１１１）面配向性の誘電体膜を凌ぐものである。さらに耐久性において優れていて、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。
【００４５】
本発明の誘電体膜構成体が優れた特性を発現するメカニズムについての詳細な解明はなされていないが、以下のようなメカニズムによると考えられる。まず第一に、本発明の誘電体膜構成体はその結晶方位が、通常の多結晶のもののようにランダムでなく、膜厚方向および面内方向に揃っていることを挙げることができる。このため誘電体膜の機能がいろいろな方向に発散してしまうことなく、特定の方向に集中して発揮され、より大きな効果を得る事が出来る。
【００４６】
次に、本発明の誘電体膜の規則的に並んだ結晶格子の配列について詳細に考える。このような格子配列は概して規則正しく整列しているが、厳密にみれば配列は完全ではなく、僅かながら結晶方位の乱れが存在する事が知られている。この乱れはＸ線回折測定においてロッキングカーブの半値幅の大きさとして観察される。本発明の誘電体膜構成体においては、誘電体膜の結晶格子のロッキングカーブの半値幅の大きさが膜厚方向よりも面内方向に大きく、結晶格子の自由度が面内方向に大きくなっていると考えられる。この結果、誘電性、圧電性、焦電性、強誘電性の起源となっている誘電体結晶における構成イオンの変位が非常に起き易くなって本発明の優れた特性が発現されるというメカニズムが仮想される。
【００４７】
なお、先の式（２）におけるｖを求めるためのＸ線回折測定の条件は特に限定されるものではないが、例えば、スリット幅０．２°〜１°、Ｘ線管電圧が５０ｋＶ、Ｘ線管電流が４０ｍＡの条件での測定が利用できる。
【００４８】
本発明の第３の発明である誘電体膜構成体は、基板と、該基板上に設けられた誘電体膜と、を有する誘電体膜構成体であって、
誘電体膜が該基板に対して（１１０）面配向性を有し、
かつ、該誘電体膜の下記式（３）：
【００４９】
【化３】
2004260158.tif 000004
【００５０】
（上記式（３）において、
Ｃ110：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（１１０）面のピークのカウント数；
Ｃ00m：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定における誘電体膜の（００ｍ）面のピークのカウント数（ここでｍはＣ00mが最大となるように選ばれる自然数である。）；
Ｗ110：  Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（１１０）面のピークの半値幅；
Ｗ00m：  Ｉｎ−ｐｌａｎｅロッキングカーブＸ線回折測定における誘電体膜の（００ｍ）面のピークの半値幅である。）
で表されるｗが２より大きい実数であることを特徴とする。
【００５１】
本発明の第３の発明である誘電体膜構成体の誘電体膜は必ずしも直接基板上に設けられている必要はなく、誘電体膜と基板の間に例えばバッファー層、電極層など中間層を含んでいても良い。また、中間層は複数であっても良い。
【００５２】
本発明の第３の発明である誘電体膜構成体は、その誘電体膜が該基板に対して（１１０）面配向性を有し、かつその結晶構造が前記（３）式においてｗが２より大きい実数となるような関係に制御されていることにより、すなわち、膜厚方向およびそれに直行する面内方向により好ましい態様で結晶構造を制御されていることにより、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現することができるものである。このような結晶性を有する誘電体膜を用いたことで、これら諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（１１０）面配向性の誘電体膜を凌ぐ特性の誘電体膜構成体が得られる。さらに本発明の第３の発明である誘電体膜構成体は優れた耐久性を有し、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。本発明の第３の発明である誘電体膜構成体において、より好ましくはｗが３より大きい実数であり、さらに好ましくはｗが５より大きい実数あり、さらにはｋが７より大きい実数である。
【００５３】
本発明の第３の発明における（１１０）面配向性の誘電体膜としては、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（１１０）面に平行でない面のカウント数が（１１０）面のカウント数の１０％以下であり、かつＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で｛−１１０｝面に平行でない面のカウント数が（−１１０）面のカウント数の１０％以下である場合である。より好ましくはともに５％以下であり、さらに好ましくは１％以下である。
【００５４】
本発明の第３の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜がＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＮｂのうち少なくとも３種類以上の元素を含むことを特徴とするものである。より好ましくは、誘電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするものである。これによって、誘電体膜構成体の優れた特性を広い温度領域に渡って発揮することが出来る。
【００５５】
本発明の第３の発明である誘電体膜構成体は、好ましくは、誘電体膜の厚みが１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である。これによって、誘電体膜の厚みを厚くすることによって電気的な耐圧性が向上する。又、より広い電圧領域で使用することも可能となる。また、誘電体膜の厚みが厚すぎると成膜時間が長くなり製造効率の観点から好ましくない。より好ましくは１００ｎｍ以上、１５μｍ以下であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上、１０μｍ以下である。
【００５６】
本発明の第３の発明に係わる圧電アクチュエータは、上述の第３の発明の誘電体膜構成体を含むものである。これにより、従来の圧電アクチュエータを凌駕する優れた圧電特性を発揮することができるので、アクチュエータの小型化、高集積化を実現することが可能となる。
【００５７】
本発明の第３の発明に係わるインクジェットヘッドは上述の第３の発明に係わる圧電アクチュエータを備えるものである。これによりノズル配列の高密度化およびインクジェットヘッドの長尺化（ヘッド１個あたりのノズル数を増やすこと）が可能となり、インクジェットヘッドを用いて得られるの画像の高精細化、プリント速度の高速化が達成できる。
【００５８】
本発明の第３の発明にかかる誘電体膜構成体の有する誘電体膜は、Ｘ線回折での測定値が、ｗ＝（Ｃ110／Ｃ00m）×（Ｗ00m／Ｗ110）なる式において、ｗが２より大きい実数、好ましくは３より大きい実数、さらには５より大きい実数、７より大きい実数であるときに優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を発現するものである。これら諸特性において、従来の多結晶、あるいは従来の（１１０）面配向性の誘電体膜を凌ぐものである。さらに耐久性において優れていて、繰り返し使用しても特性の低下がほとんど見られない。
【００５９】
本発明の誘電体膜構成体が優れた特性を発現するメカニズムについての詳細な解明はなされていないが、以下のようなメカニズムによると考えられる。まず第一に、本発明の誘電体膜構成体はその結晶方位が、通常の多結晶のもののようにランダムでなく、膜厚方向および面内方向に揃っていることを挙げることができる。このため誘電体膜の機能がいろいろな方向に発散してしまうことなく、特定の方向に集中して発揮され、より大きな効果を得る事が出来る。
【００６０】
次に、本発明の誘電体膜の規則的に並んだ結晶格子の配列について詳細に考える。このような格子配列は概して規則正しく整列しているが、厳密にみれば配列は完全ではなく、僅かながら結晶方位の乱れが存在する事が知られている。この乱れはＸ線回折測定においてロッキングカーブの半値幅の大きさとして観察される。本発明の誘電体膜構成体においては、誘電体膜の結晶格子のロッキングカーブの半値幅の大きさが膜厚方向よりも面内方向に大きく、結晶格子の自由度が面内方向に大きくなっていると考えられる。この結果、誘電性、圧電性、焦電性、強誘電性の起源となっている誘電体結晶における構成イオンの変位が非常に起き易くなって本発明の優れた特性が発現されるというメカニズムが仮想される。
【００６１】
なお、先の式（３）におけるｗを求めるためのＸ線回折測定の条件は特に限定されるものではないが、例えば、スリット幅０．２°〜１°、Ｘ線管電圧が５０ｋＶ、Ｘ線管電流が４０ｍＡの条件での測定が利用できる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明にかかる誘電体膜構成体は、優れた誘電特性、圧電特性、焦電特性、強誘電特性を有することによって、アクチュエータ、メモリ、センサなどの素子の小型化、高集積化を可能とするものである。
【００６３】
さらに本発明の圧電アクチュエータは優れた圧電特性と耐久性を合せ持ち、長期に渡って優れた圧電特性を維持することが可能である。
【００６４】
さらに本発明のインクジェットヘッドは前述の圧電アクチュエータを備えることにより優れたインク滴吐出能力および耐久性を有するとともに高密度ノズル配列の長尺インクジェットヘッドを実現することを可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
本発明の誘電体膜の形成方法は特に限定されないが、好ましくは、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、イオンプレーティング法などの方法を採用することができ、先に示す式（１）のｕ、式（２）のｖ、または式（３）のｗが所定の値を有する結晶構造が得られる製造条件を設定する。スパッタ法による成膜条件としては、成膜時の基板温度が５００℃以上７００℃以下であり、アルゴン・酸素雰囲気でアルゴン／酸素比は２０／１以上５０／１以下であり、ガス圧は０．２Ｐａ以上０．５Ｐａ以下であり、ＲＦ投入電力が０．５Ｗ／ｃｍ2以上、１．２Ｗ／ｃｍ2以下であり、成膜後の基板冷却速度は６５℃／ｍｉｎ以上である。更に好ましい条件は、成膜時のアルゴン／酸素比としては３０／１以上５０／１以下であり、ガス圧としては０．２Ｐａ以上０．３Ｐａ以下、ＲＦ投入電力としては０．５Ｗ／ｃｍ2以上０．８Ｗ／ｃｍ2以下、成膜後の基板冷却速度としては１００℃／ｍｉｎ以上である。特に１８０℃までの冷却を上記速度で行うことが好ましく、また、成膜前に行うプレスパッタは、成膜時のＲＦ投入電力の半分以下で手短に行い、直ちに成膜に移行することが好ましい。上記の条件から目的の誘電体膜の組成に応じて、適宜条件を選択し成膜することが出来る。特にＬａなどのドーパントを添加した系では、基板温度を下げることができ、かつＲＦ投入電力を高めに設定することが出来る。基板加熱は赤外加熱法あるいは抵抗加熱法に行うことが好ましい。この際、基板温度のばらつきをプラスマイナス５％以内にすることで、大面積基板を用いて誘電体膜を成膜した場合においても、均一で安定した特性の誘電体膜を得ることが出来る。
【００６６】
本発明の誘電体膜の構成材料は先に示す式（１）のｕ、式（２）のｖ、または式（３）のｗが所定の値を有する結晶構造が得られる範囲内で特に限定されないが、好ましくは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3、ＰＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタン、亜鉛ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＰＺＮ）、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＰＮＮ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3、ＫＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3、ＬＮ）など、あるいはこれらの固溶体（例えばＰＭＮ−ＰＴ固溶体、ＰＺＮ−ＰＴ固溶体、ＰＮＮ−ＰＴ固溶体など）を挙げることができる。より好ましくはチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするものである。
【００６７】
誘電体膜は、材料改質などの目的で、微量の添加物を加えたり、構成元素を他の元素で置換したり、他の成分を固溶させてもよい。これらの量は特に制限されるものではないが、好ましい量としては、微量の添加物としては１０質量％以下、構成元素を置換する元素としては１０モル％以下、固溶させる成分としては全成分の１０モル％以下である。
【００６８】
これらの他の成分は本発明の目的効果を達成できる範囲内であれば特に制限されるものではないが、好ましくは、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ及びＮｉなどの元素（イオン）、あるいはこれらの元素を含む酸化物や複合酸化物を挙げることができる。
【００６９】
本発明の誘電体膜構成体は、構成要素として電極を含んでも良く、所定の間隔で対向する一対の電極間に誘電体膜が配置された構成とすることで例えば圧電素子などの素子とすることができる。電極材料は特に限定されるものではないが、好ましくは白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、オスミウム、金、銀、銅、クロム、アルミニウムなどの金属を挙げることができる。特に電極上に誘電体膜など他の層をエピタキシャル成長させる場合には、白金が好ましい。また、電極材料として導電性酸化物を用いても良い。
【００７０】
本発明において複数の素子を並べて構成する場合には一対の電極の一方を複数の素子に対する共通電極として形成することもできる。
【００７１】
本発明に用いる基板は製造条件に耐えうるものであれば特に限定されないが、好ましくはシリコン、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、安定化酸化ジルコニウム、ガリウムりん（ＧａＰ）、サファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）及びチタン酸鉛など材料からなる基板を挙げることができる。特にシリコン基板は微細加工の観点から好ましい。さらに、上述の材料をシリコン基板に積層して用いても良い。この時にそれらの中間層として酸化ケイ素や窒化ケイ素の層を設けることもできる。
【００７２】
本発明の圧電アクチュエータは、振動板上に上記構成の一対の電極間に誘電体膜を有するものである。振動板は、誘電体膜を支持する基板の少なくとも一部として、あるいは基板上に別途積層した膜として形成することができる。別途積層する膜の材料としては、上記の基板表面を構成し得る材料を用いることができる。
【００７３】
本発明にかかるインクジェットヘッドは、液体の吐出口と、該吐出口から液体を吐出させるための吐出圧発生素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、該吐出圧発生素子として上記構成の圧電アクチュエータを用いたものである。液体としては、目的に応じて種々のものが選択され、記録用としてはインクが用いられる。
【実施例】
【００７４】
実施例１〜５
実施例１〜５の誘電体膜構成体として、図１の（ａ）および（ｂ）に図示する両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。図１の（ａ）は本発明の両持ち梁アクチュエータの斜視図であり、図１の（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す断面図である。梁１０１の大きさは幅１００μｍ、長さ８００μｍとした。
【００７５】
まず（１００）シリコン基板１０２上に梁のパターンが形成できるようにマスクして（１００）面配向のチタン酸ストロンチウムをスパッタ法により７００ｎｍ〜４０００ｎｍの厚さで成膜して振動板１０３とした。１０４は本発明の誘電体膜構成体の基板とする。この基板上に同様にマスクして（１００）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極１０５を形成した。その上にパターニングのためにマスクをして、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をＲＦマグネトロンスパッタ法により組成にあわせて成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを適宜調整することで結晶構造の配向性を制御し、（１００）面配向エピタキシャル成長させて、誘電体膜１０６を形成した。この時の成膜条件は、基板温度６００℃〜６５０℃、成膜時のアルゴン／酸素比２５／１〜３０／１、ガス圧０．２Ｐａ、成膜時のＲＦ投入電力０．８Ｗ／ｃｍ2、成膜後の冷却速度を１８０℃以下になるまで１００℃／ｍｉｎ以上で制御し、成膜前のプレスパッタをＲＦ投入電力０．３Ｗ／ｃｍ2で３分とした。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表２に示す。誘電体膜の組成分析はＩＣＰ（プラズマ発光）法により行なった。
【００７６】
さらに誘電体膜についてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定を行った。実施例１〜５の全てにおいてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定での誘電体膜の最大カウント数のピークは（００２）面のピークであった。ここで（００２）面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣncとし、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（２００）面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣnaとする。実施例１〜５全てのＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣncはＣc（ここでは（００２）面ピークのカウント数）の１０％以下であった。実施例１〜５全てのＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣnaはＣa（ここでは（２００）面のピークのカウント数）の１０％以下であった。カウント数の比率Ｃnc／ＣcおよびＣna／Ｃaについての詳細を表２に示す。また、Ｃc、Ｗc、Ｃa、Ｗa、ｕについて表１に示す。
【００７７】
さらに誘電体膜の上に白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極１０７を形成した。最後に梁の下部のシリコンを異方性エッチングにより除去して両持ち梁のアクチュエータを完成した。
【００７８】
このアクチュエータの上部電極と下部電極間に電圧を印加して、１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表２に示す。
【００７９】
【表１】
2004260158.tif 000005
【００８０】
【表２】
2004260158.tif 000006
【００８１】
比較例１
以下のようにして図３の（ａ）および（ｂ）に図示する両持ち梁の圧電アクチュエータを作成した。打ち抜き加工した安定化酸化ジルコニウムのグリーンシートを積層した後に加熱圧着して、幅２００μｍ、長さ８００μｍの両持ち梁を形成した。これを基板４０１として用い、梁の上に白金を含む電極ペーストをスクリーン印刷した後に乾燥して下部電極４０２とした。下部電極の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電セラミックペーストをスクリーン印刷により塗布した後に乾燥して誘電体膜４０３を形成した。誘電体膜の上に白金を含む電極ペーストをスクリーン印刷した後に乾燥して上部電極４０４とした。得られた基板、下部電極、誘電体膜、および上部電極からなる構成体を１１００℃で同時焼成して両持ち梁のアクチュエータを完成した。Ｘ線回折測定の結果、誘電体膜は配向性のない多結晶であった。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表４に示す。
【００８２】
このアクチュエータを用いて各実施例と同様にして１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表４に示す。
比較例２〜７
実施例１と同様の工程で、誘電体膜成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを調整して比較例２〜７の両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。なお、誘電体膜成膜の際、成膜後の冷却速度を４００℃以下は制御せず、また、プレスパッタは成膜時のＲＦ投入電力と同じで、かつ６０分とした。Ｘ線回折測定の結果、特に比較例２の誘電体膜はＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定において（００ｈ）面以外のピークも目立ち、（００１）面配向性の低い多結晶であった。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表４に示す。Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定の結果を表３および表４に示す。
【００８３】
このアクチュエータを用いて１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表４に示す。
【００８４】
【表３】
2004260158.tif 000007
【００８５】
【表４】
2004260158.tif 000008
【００８６】
実施例６
（１００）チタン酸ストロンチウム基板上に、厚さ１０ｎｍ、（１００）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて下部電極とした。下部電極上に厚さ１０ｎｍ、（１００）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて厚さ１０ｎｍの誘電体膜とした。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表５に示す。誘電体膜上に厚さ１０ｎｍの白金をスパッタ法で成膜して上部電極として、誘電体膜構成体を完成した。これを用いて耐圧試験を行なった。最高１Ｖまで電圧を印加したが、リークは発生せず、耐圧性に問題は無かった。
【００８７】
【表５】
2004260158.tif 000009
【００８８】
実施例７
以下のようにして図２の（ａ）および（ｂ）に図示するインクジェットヘッドを作製した。図２の（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの一例を示す斜視図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って破断して示す断面図である。
【００８９】
流路基板２０１となる（１００）シリコン基板上に（１００）面配向のチタン酸ストロンチウム層をスパッタ法により約２０００ｎｍの厚さで成膜して振動板２０２とした。これを本発明の誘電体膜構成体の基板２０３とした。このチタン酸ストロンチウム層上にインク加圧室２０８を形成する位置に合わせてマスクによりパターニングして（１００）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極２０４を形成した。下部電極２０４上にマスクで幅１００μｍ、長さ５ｍｍにパターニングして（００１）面配向の０．９ＰＺＴ−０．１ＰＭＮ固溶体の誘電体膜２０５をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて幅方向に２００ｄｐｉのピッチで２００個形成した。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表６に示す。さらに誘電体膜の上に、白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極２０６を形成した。
【００９０】
流路基板２０１の下側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりインク加圧室２０８、共通インク室２０９、インク加圧室と共通インク室をつなぐ連通路２１０、共通インク室とインクタンクをつなぐ連通路（不図示）を形成した。ついで別のシリコン基板２１１に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で各インク加圧室２０８に対応するようにノズル２１２を２００ｄｐｉのピッチで形成してノズルプレート２１１とした。流路基板２０１とノズルプレート２１１を図２に示すように接合してインクジェットヘッドを完成した。
【００９１】
このインクジェットヘッドを用いて吐出試験を行なった。１０ｐｌのインク滴を吐出速度１４．５ｍ／ｓｅｃで吐出することが可能であり、充分な吐出速度が得られることが確認された。
【００９２】
【表６】
2004260158.tif 000010
【００９３】
実施例８〜１２
以下のようにして実施例８〜１２の誘電体膜構成体として図１の（ａ）および（ｂ）に図示する両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。図１の（ａ）は本発明の両持ち梁アクチュエータの斜視図であり、図１の（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す断面図である。梁１０１の大きさは幅１００μｍの長さ８００μｍとした。
【００９４】
まず（１００）シリコン基板１０２上に梁のパターンが形成できるようにマスクして（１１１）面配向のチタン酸ストロンチウムをスパッタ法により７００ｎｍ〜４０００ｎｍの厚さで成膜して振動板１０３とした。１０４は本発明の誘電体膜構成体の基板とする。この基板上に同様にマスクして（１１１）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極１０５を形成した。その上にパターニングのためにマスクをして、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をＲＦマグネトロンスパッタ法により組成にあわせて成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを適宜調整することで結晶の配向性を制御し、（１１１）面配向エピタキシャル成長させて、誘電体膜１０６を形成した。この時の成膜条件は、基板温度６００℃〜６５０℃、成膜時のアルゴン／酸素比２５／１〜３０／１、ガス圧０．２Ｐａ、成膜時のＲＦ投入電力０．８Ｗ／ｃｍ2、成膜後の冷却速度を１８０℃以下になるまで１００℃／ｍｉｎ以上で制御し、成膜前のプレスパッタをＲＦ投入電力０．３Ｗ／ｃｍ2で３分とした。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表７に示す。誘電体膜の組成分析はＩＣＰ（プラズマ発光）法により行なった。
【００９５】
さらに誘電体膜についてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定を行った。実施例８〜１２の全てにおいてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定での誘電体膜の最大カウント数のピークは（１１１）面のピークであった。ここで（１１１）面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣn111とし、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で｛−１１０｝面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣn-110とする。実施例８〜１２全てのＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣn111はＣ111の１０％以下であった。実施例８〜１２全てのＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣn-110はＣ-110の１０％以下であった。カウント数の比率Ｃn111／Ｃ111およびＣn-110／Ｃ-110についての詳細を表８に示す。また、Ｃ111、Ｗ111、Ｃ-110、Ｗ-110、ｖについて表７に示す。
【００９６】
さらに誘電体膜の上に白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極１０７を形成した。最後に梁の下部のシリコンを異方性エッチングにより除去して両持ち梁のアクチュエータを完成した。
【００９７】
このアクチュエータを用いて１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表８に示す。
【００９８】
【表７】
2004260158.tif 000011
【００９９】
【表８】
2004260158.tif 000012
【０１００】
比較例８〜１３
実施例８と同様の工程で、誘電体膜成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを調整して比較例８〜１３の両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。なお、誘電体膜成膜の際、成膜後の冷却速度を４００℃以下は制御せず、また、プレスパッタは成膜時のＲＦ投入電力と同じで、かつ６０分とした。Ｘ線回折測定の結果、特に比較例９の誘電体膜はＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定において（１１１）面以外のピークも目立ち、（１１１）面配向性の低い多結晶であった。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表１０に示す。Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定の結果を表９および表１０に示す。
【０１０１】
このアクチュエータを用いて１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表１０に示す。
【０１０２】
【表９】
2004260158.tif 000013
【０１０３】
【表１０】
2004260158.tif 000014
【０１０４】
実施例１３
（１１１）チタン酸ストロンチウム基板上に、厚さ１０ｎｍ、（１１１）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて下部電極とした。下部電極上に厚さ１０ｎｍ、（１１１）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて厚さ１０ｎｍの誘電体膜とした。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表１１に示す。誘電体膜上に厚さ１０ｎｍの白金をスパッタ法で成膜して上部電極として、誘電体膜構成体を完成した。これを用いて耐圧試験を行なった。最高１Ｖまで電圧を印加したが、リークは発生せず、耐圧性に問題は無かった。
【０１０５】
【表１１】
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【０１０６】
実施例１４
以下のようにして図２の（ａ）および（ｂ）に図示するインクジェットヘッドを作製した。図２の（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの一例を示す斜視図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って破断して示す断面図である。
【０１０７】
流路基板２０１となる（１００）シリコン基板上に（１１１）面配向のチタン酸ストロンチウム層をスパッタ法により約２０００ｎｍの厚さで成膜して振動板２０２とした。これを本発明の誘電体膜構成体の基板２０３とした。このチタン酸ストロンチウム層上にインク加圧室２０８を形成する位置に合わせてマスクによりパターニングして（１１１）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極２０４を形成した。下部電極２０４上にマスクで幅１００μｍ、長さ５ｍｍにパターニングして（１１１）面配向の０．９ＰＺＴ−０．１ＰＭＮ固溶体の誘電体膜２０５をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて幅方向に２００ｄｐｉのピッチで２００個形成した。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表１２に示す。さらに誘電体膜の上に、白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極２０６を形成した。
【０１０８】
流路基板２０１の下側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりインク加圧室２０８、共通インク室２０９、インク加圧室と共通インク室をつなぐ連通路２１０、共通インク室とインクタンクをつなぐ連通路（不図示）を形成した。ついで別のシリコン基板２１１に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で各インク加圧室２０８に対応するようにノズル２１２を２００ｄｐｉのピッチで形成してノズルプレート２１１とした。流路基板２０１とノズルプレート２１１を図２に示すように接合してインクジェットヘッドを完成した。
【０１０９】
このインクジェットヘッドを用いて吐出試験を行なった。１２ｐｌのインク滴を吐出速度１６．１ｍ／ｓｅｃで吐出することが可能であり、充分な吐出速度が得られることが確認された。
【０１１０】
【表１２】
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【０１１１】
実施例１５〜１９
以下のようにして実施例１５〜１９の誘電体膜構成体として図１の（ａ）および（ｂ）に図示する両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。図１の（ａ）は本発明の両持ち梁アクチュエータの斜視図であり、図１の（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す断面図である。梁１０１の大きさは幅１００μｍの長さ８００μｍとした。
【０１１２】
まず（１００）シリコン基板１０２上に梁のパターンが形成できるようにマスクして（１１０）面配向のチタン酸ストロンチウムをスパッタ法により７００ｎｍ〜４０００ｎｍの厚さで成膜して振動板１０３とした。１０４は本発明の誘電体膜構成体の基板とする。この基板上に同様にマスクして（１１０）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極１０５を形成した。その上にパターニングのためにマスクをして、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をＲＦマグネトロンスパッタ法により組成にあわせて成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを適宜調整することで結晶の配向性を制御し、（１１０）面配向エピタキシャル成長させて、誘電体膜１０６を形成した。この時の成膜条件は、基板温度６００℃〜６５０℃、成膜時のアルゴン／酸素比２５／１〜３０／１、ガス圧０．２Ｐａ、成膜時のＲＦ投入電力０．８Ｗ／ｃｍ2、成膜後の冷却速度を１８０℃以下になるまで１００℃／ｍｉｎ以上で制御し、成膜前のプレスパッタをＲＦ投入電力０．３Ｗ／ｃｍ2で３分とした。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表７に示す。誘電体膜の組成分析はＩＣＰ（プラズマ発光）法により行なった。
【０１１３】
さらに誘電体膜についてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定を行った。実施例１５〜１９の全てにおいてＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定での誘電体膜の最大カウント数のピークは（１１０）面のピークであった。ここで（１１０）面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣn110とし、Ｉｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定で（００１）面に平行でない面のピークのうち最大のもののカウント数をＣn001とする。実施例１５〜１９全てのＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣ n110はＣ110の１０％以下であった。実施例１５〜１９全てのＩｎ−ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折測定においてＣn001はＣ001の１０％以下であった。カウント数の比率Ｃn001／Ｃ001およびＣn001／Ｃ001についての詳細を表１４に示す。また、Ｃ110、Ｗ110、Ｃ001、Ｗ001、ｗについて表１３に示す。
【０１１４】
さらに誘電体膜の上に白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極１０７を形成した。最後に梁の下部のシリコンを異方性エッチングにより除去して両持ち梁のアクチュエータを完成した。
【０１１５】
このアクチュエータを用いて１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表１４に示す。
【０１１６】
【表１３】
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【０１１７】
【表１４】
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【０１１８】
比較例１４〜１６
実施例１５と同様の工程で、誘電体膜成膜時の雰囲気、基板温度、成膜後の冷却条件などを調整して比較例１４〜１６の両持ち梁の圧電アクチュエータを作製した。なお、誘電体膜成膜の際、成膜後の冷却速度を４００℃以下は制御せず、また、プレスパッタは成膜時のＲＦ投入電力と同じで、かつ６０分とした。誘電体膜の膜厚およびジルコニウムとチタンの元素比率を表１６に示す。Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  およびＩｎ−ｐｌａｎｅ  のＸ線回折測定の結果を表１５および表１６に示す。
【０１１９】
このアクチュエータを用いて１０7回繰り返し変位の耐久試験を行なった。このときの印加電圧、初期の変位量、１０7回耐久後の変位量、初期に対する１０7回耐久後の変位量の減少率を表１６に示す。
【０１２０】
【表１５】
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【０１２１】
【表１６】
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【０１２２】
実施例２０
（１１０）チタン酸ストロンチウム基板上に、厚さ１０ｎｍ、（１１０）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて下部電極とした。下部電極上に厚さ１０ｎｍ、（１１０）面配向のチタン酸ジルコン酸鉛をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて厚さ１０ｎｍの誘電体膜とした。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表１７に示す。誘電体膜上に厚さ１０ｎｍの白金をスパッタ法で成膜して上部電極として、誘電体膜構成体を完成した。これを用いて耐圧試験を行なった。最高１Ｖまで電圧を印加したが、リークは発生せず、耐圧性に問題は無かった。
【０１２３】
【表１７】
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【０１２４】
実施例２１
以下のようにして図２の（ａ）および（ｂ）に図示するインクジェットヘッドを作製した。図２の（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの一例を示す斜視図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って破断して示す断面図である。
【０１２５】
流路基板２０１となる（１００）シリコン基板上に（１１０）面配向のチタン酸ストロンチウム層をスパッタ法により約２０００ｎｍの厚さで成膜して振動板２０２とした。これを本発明の誘電体膜構成体の基板２０３とした。このチタン酸ストロンチウム層上にインク加圧室２０８を形成する位置に合わせてマスクによりパターニングして（１１０）面配向の白金をスパッタ法でエピタキシャル成長させて約１００ｎｍの厚さの下部電極２０４を形成した。下部電極２０４上にマスクで幅１００μｍ、長さ５ｍｍにパターニングして（１１０）面配向の０．９ＰＺＴ−０．１ＰＭＮ固溶体の誘電体膜２０５をＲＦマグネトロンスパッタ法により前述した成膜条件でエピタキシャル成長させて幅方向に２００ｄｐｉのピッチで２００個形成した。誘電体膜の膜厚、ジルコニウムとチタンの元素比率、Ｘ線回折測定の結果を表１８に示す。さらに誘電体膜の上に、白金をスパッタ法により約１００ｎｍの厚さで成膜して上部電極２０６を形成した。
【０１２６】
流路基板２０１の下側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりインク加圧室２０８、共通インク室２０９、インク加圧室と共通インク室をつなぐ連通路２１０、共通インク室とインクタンクをつなぐ連通路（不図示）を形成した。ついで別のシリコン基板２１１に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で各インク加圧室２０８に対応するようにノズル２１２を２００ｄｐｉのピッチで形成してノズルプレート２１１とした。流路基板２０１とノズルプレート２１１を図２に示すように接合してインクジェットヘッドを完成した。
【０１２７】
このインクジェットヘッドを用いて吐出試験を行なった。１３ｐｌのインク滴を吐出速度１３．８ｍ／ｓｅｃで吐出することが可能であり、充分な吐出速度が得られることが確認された。
【０１２８】
【表１８】
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【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）は本発明の両持ち梁の圧電アクチュエータの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す本発明の両持ち梁の圧電アクチュエータの断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って破断して示す本発明のインクジェットヘッドの断面図である。
【図３】（ａ）は圧電セラミックペーストを用いた両持ち梁の圧電アクチュエータの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って破断して示す圧電セラミックペーストを用いた両持ち梁の圧電アクチュエータの断面図である。
【図４】（ａ）はユニモルフ方式のインクジェットヘッドの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿って破断して示すユニモルフ方式のインクジェットヘッドの断面図である。
【図５】Ｘ線回折測定チャートの模式図である。
【図６】ロッキングカーブＸ線回折測定チャートの模式図である。
【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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