(57)【要約】【課題】圧電電歪膜（圧電体）の下層となる下部電極に、Ｌａドープされた単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜を用いることで、圧電電歪膜の結晶化を促進するとともに強度と密着性にすぐれた積層構造を得る。【解決手段】液体噴射ヘッドの本体基板部１の圧力室３上に配設されるアクチュエータ１０は、振動板１１、下部電極１３、圧電体１２、上部電極１４の順に成膜された積層構造を有する。圧電体１２を単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜とするために、その下層となる下部電極１３に、圧電電歪膜と格子マッチングのよいＬａドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜を用いる。薄くても圧電電歪特性にすぐれた圧電体を実現することで、アクチュエータをより一層小型化し、液体噴射ヘッドの微細化を促進できる。【選択図】　　　図３
2004071933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記２つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
圧電体が単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極にドープされたＬａの濃度が、０．０５ａｔｍ％から１０ａｔｍ％の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の格子定数が３．９０５Åから４．０３０Åの範囲であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項５】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の膜厚が５０ｎｍから５０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項６】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の結晶方位が（０１０）、（１０１）、（１１０）（１１１）のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項７】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の結晶配向率が９５％以上であることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項８】
圧電体が、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つと、Ｐｂを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項９】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶配向率が９０％以上であることを特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が、菱面体晶または正方晶であることを特徴とする請求項８または９記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が、５００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項８ないし１０いずれか１項記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１いずれか１項記載のアクチュエータと、液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部を備えており、前記開口部をふさぐように前記アクチュエータが前記圧力室に接合されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項１３】
液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部と、前記開口部をふさぐように前記本体基板部に接合されたアクチュエータを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記アクチュエータは、前記本体基板部に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記２つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項１４】
液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部と、前記開口部をふさぐように前記圧力室に接合されたアクチュエータとを備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記本体基板部に振動板を成膜する工程と、振動板上にＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜である下部電極を成膜する工程と、下部電極上にペロブスカイト型の酸化物圧電電歪薄膜を成膜する工程と、ペロブスカイト型の酸化物圧電電歪薄膜上に上部電極を成膜する工程と、前記圧力室を形成する工程を含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体噴射記録装置に搭載される液体噴射ヘッド等に用いられるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドならびに前記液体噴射ヘッドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコンなどの印刷装置として液体噴射記録装置を用いたプリンタが印字性能がよく取り扱いが簡単、低コストなどの理由から広く普及している。この液体噴射記録装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。
【０００３】
一般に、圧電素子等を用いたものは、例えば、液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインク等の液体を圧縮することにより液吐出口から液滴を吐出させる。
【０００４】
近時、カラーの液体噴射記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字さらには液体噴射ヘッドの長尺化が求められており、そのため液体噴射ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を実現することが求められている。そして、液体噴射ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるためのアクチュエータを小型化することが必要になる。
【０００５】
液体噴射ヘッドのアクチュエータを構成する圧電および／または電歪素子（以下、「圧電電歪素子」という。）を小型化するためには、圧電体自体がより微細化され、小型化しても駆動能力が低くならないような高い圧電定数を持つ必要がある。
【０００６】
このことは、圧電体である圧電および／または電歪膜（以下、「圧電電歪膜」という。）が結晶性の優れた膜であることが必要であることを示している。結晶性が優れた膜とは、同一方向に配向した単一配向結晶や、面内まで配向している単結晶の薄膜である。また、圧電電歪膜が単結晶であるためには、圧電電歪膜作製時の直下の層が単結晶等であり、かつ圧電電歪膜と直下の層の材料が、格子整合性のよい組み合わせであるのが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電電歪素子に用いられた圧電電歪膜は、例えば、ＰｂＯ、ＺｒＯ２　およびＴｉＯ２　の粉末のペーストをシート状に成型加工（グリーンシート）した後、焼結することにより形成する方法が採用されていたことから、圧電電歪膜を例えば１０μｍ以下に薄く形成することが困難であった。また、グリーンシートの焼結には１０００℃以上の温度で行うため、圧電電歪材料が７０％程に収縮してしまうという問題があった。このため、圧電電歪素子と液室や圧力室等の構造体とを数ミクロンオーダーでの寸法精度で位置合わせをすることは困難であり、このために、アクチュエータを小型化することが困難であった。
【０００８】
また、グリーンシートを焼結することにより形成されたセラミックス圧電電歪膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電電歪特性を得ることができなかった。すなわち、グリーンシートを焼結することにより形成された圧電電歪膜は、１０μｍ以下になると記録液を吐出させるための十分な圧電電歪特性を得ることができないという問題点があった。このため、十分な記録液の吐出に必要な特性を有する小型の液体噴射ヘッドをこれまで実現することができなかった。
【０００９】
また、現在報告されている圧電電歪膜の作製方法として、ＣＶＤ法やゾル−ゲル法などの方法がある。しかし、これらの方法によって作製した圧電電歪膜も、その密度が低くなり易く、微細化加工が非常に困難である。また、圧電電歪材料の能力を表す圧電定数も小さいため、小型化すると、一定電圧に対する変位量も小さくなる。従って、上記のＣＶＤ法等を小型のアクチュエータや液体噴射ヘッドの圧電電歪膜の作製に用いることは困難である。
【００１０】
さらに、従来技術では、金属製の電極と、酸化物である圧電電歪膜との間の密着性が低いという問題がある。アクチュエータおよび液体噴射ヘッドの圧電電歪素子としての繰り返し駆動で発生する応力に耐え得るためには、電極と圧電電歪膜との間に高い密着性が必要とされる。
【００１１】
また、スパッタ法を用いた半導体プロセスの微細加工による液体噴射ヘッドの構成とその製造方法は、特開平１１−３４８２８５号公報に提案されている。この液体噴射ヘッドは、単結晶のＭｇＯ上に白金を配向成膜して、その上にＺｒ層を含まないペロブスカイトの層とＰＺＴの層の積層体とすることを特徴としている。
【００１２】
しかし、前記公報に記載の製造方法では、再現性よく安定した単一配向結晶あるいは単結晶ＰＺＴが得られない。さらに、単結晶ＭｇＯ等の非常に高価な単結晶基板上にしか配向したＰＺＴ層が得られず、非常に高価なプロセスとなってしまう。しかも、ＭｇＯの単結晶基板は大きさに限界があり、大面積の基板を得ることができない。
【００１３】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とする、より薄くしかも十分な圧電電歪特性をもつ圧電電歪膜を含む強度の高い積層構造を用いることで、高密度に形成された液吐出口を有する安定した信頼性の高い液体噴射ヘッドを実現できるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドならびに前記液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１４】
本発明の他の目的は、単一配向結晶あるいは単結晶の圧電電歪膜を再現性よく安定して成膜することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、圧電電歪膜と電極との密着性が高く、かつ変位量の大きい圧電電歪素子を得ることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアクチュエータは、基体上に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記２つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜であることを特徴とする。
【００１７】
圧電体が単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であるとよい。
【００１８】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極にドープされたＬａの濃度が、０．０５ａｔｍ％から１０ａｔｍ％の範囲であるとよい。
【００１９】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の格子定数が３．９０５Åから４．０３０Åの範囲であるとよい。
【００２０】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の膜厚が５０ｎｍから５０００ｎｍの範囲であるとよい。
【００２１】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の結晶方位が（０１０）、（１０１）、（１１０）（１１１）のうちのいずれかであるとよい。
【００２２】
単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極の結晶配向率が９５％以上であるとよい。
【００２３】
圧電体が、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つと、Ｐｂを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であるとよい。
【００２４】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶配向率が９０％以上であるとよい。
【００２５】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が、菱面体晶または正方晶であるとよい。
【００２６】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が、５００ｎｍ以上１０μｍ以下であるとよい。
【００２７】
本発明の液体噴射ヘッドは、上記のアクチュエータと、液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部を備えており、前記開口部をふさぐように前記アクチュエータが前記圧力室に接合されたことを特徴とする。
【００２８】
また、液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部と、前記開口部をふさぐように前記本体基板部に接合されたアクチュエータを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記アクチュエータは、前記本体基板部に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記２つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜であることを特徴とする液体噴射ヘッドでもよい。
【００２９】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部と、前記開口部をふさぐように前記圧力室に接合されたアクチュエータとを備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記本体基板部に振動板を成膜する工程と、振動板上にＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜である下部電極を成膜する工程と、下部電極上にペロブスカイト型の酸化物圧電電歪薄膜を成膜する工程と、ペロブスカイト型の酸化物圧電電歪薄膜上に上部電極を成膜する工程と、前記圧力室を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３０】
【作用】
アクチュエータの圧電体を、薄くてもすぐれた圧電電歪特性を有する単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜とすることで、半導体プロセスによる微細加工が可能となる。
【００３１】
このような単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜を安定して再現性よく作製するために、成膜時にその下層となる下部電極を、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜によって構成する。
【００３２】
ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極は、圧電体を構成する酸化物圧電電歪材料との格子整合性が良好であるため、下部電極上に結晶配向率９０％以上の単一配向結晶または単結晶の圧電電歪膜を成膜することができる。
【００３３】
また、圧電体に接合される２つの電極の双方が、上記の結晶性の高い酸化物薄膜の電極であれば、上、下２つの電極自体の強度が高く、しかも圧電体との密着性も良好となるため、アクチュエータを構成する積層構造の強度および耐久性の向上に大きく貢献できる。
【００３４】
そして、十分な圧電電歪特性を有する圧電体を、例えば１０μｍ以下に薄膜化した強度の高い積層構造にすることで、半導体プロセスを用いた微細加工をアクチュエータの製作に適用可能にし、アクチュエータの小型化と、液体噴射ヘッドの高密度化、高性能化を促進できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３６】
図１ないし図３は一実施の形態による液体噴射ヘッドを示すもので、この液体噴射ヘッドＭは、基体である本体基板部１と、複数の液吐出口（ノズル）２と、各液吐出口２に対応して設けられた複数の圧力室（液室）３と、各圧力室３にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエータ１０とから構成されており、液吐出口２は、ノズルプレート４に所定の間隔をもって形成され、圧力室３は、本体基板部１に、液吐出口２にそれぞれ対応するように並列して形成されている。
【００３７】
なお、本実施の形態では、液吐出口２が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。
【００３８】
また、本体基板部１の上面には各圧力室３にそれぞれ対応した図示しない開口部が形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエータ１０が位置付けられ、各アクチュエータ１０は、酸化物薄膜の振動板１１と、酸化物圧電電歪薄膜である圧電体（圧電電歪膜）１２と、それぞれ酸化物薄膜である下部電極１３および上部電極１４とから構成されている。
【００３９】
上記２つの電極１３、１４のうちの少なくとも振動板１１と酸化物圧電電歪薄膜である圧電体１２との間の下部電極１３は、振動板１１の酸化物薄膜、酸化物圧電電歪薄膜の両方に対して格子整合性のよい、ＬａがドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極である。
【００４０】
酸化物電極材料としては、特開平６−２８００２３号公報にＳｒＲｕＯ３　を用いた素子が記載されている。しかし、前記提案では、ＳｒＲｕＯ３　を単一配向あるいは単結晶であることの記載がなく、上部に形成する酸化物圧電電歪薄膜は単一配向結晶あるいは単結晶となり得ない。
【００４１】
本実施の形態においては、少なくとも下部電極として酸化物薄膜電極を用いているため、機械的変位を繰り返しても微小な亀裂が発生しても電極自身の強度や、酸化物薄膜からなる振動板との密着性が保持され、また、振動板と酸化物圧電電歪薄膜との双方に対して格子定数のマッチングが良い電極材料を選んでいるため、密着力が劣化せず、耐久性に優れた超小型の圧電電歪素子（アクチュエータ）を実現できる。
【００４２】
加えて、圧電体を構成する酸化物圧電電歪薄膜の下層に、酸化物圧電電歪薄膜に対して格子マッチングがよく、かつ単一配向結晶または単結晶である電極を介在させることで、結晶配向率の高い単一配向結晶または単結晶の圧電電歪膜を安定して再現性よく得ることを可能にする。
【００４３】
さらに、基体上に積層される振動板および圧電体と両電極を順次結晶配向の方位のそろった膜によって構成することで、液体噴射ヘッドの場合等には、各ノズル毎のアクチュエータの性能のばらつきが少なく、かつ密着強度の強いデバイスを得ることができる。
【００４４】
このように、上部電極、圧電体、下部電極、振動板を含み、前記２つの電極のうちの少なくとも下部電極がＬａのドープされたＳｒおよびＴｉを含む元素を含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物薄膜である積層構造において、上記の酸化物薄膜電極にドープされたＬａの濃度は０．０５ａｔｍ％から１０ａｔｍ％の範囲であるのが好ましい。
【００４５】
Ｌａの濃度が０．０５ａｔｍ％から１０ａｔｍ％である酸化物薄膜電極の結晶性はＬａ濃度の増加とともに悪くなる。しかし、導電率はＬａ濃度の増加とともに１×１０３　（Ｓ／ｃｍ）から１×１０５　（Ｓ／ｃｍ）まで大きくすることができるため、０．０５ａｔｍ％から１０ａｔｍ％の範囲のＬａ濃度のドーピングが好ましい。
【００４６】
またＬａがドープされた酸化物薄膜電極の格子定数が３．９０５Åから４．０３０Åの範囲であるとよい。Ｌａ濃度を０．０５％から１０％まで増加させていくと、酸化物薄膜電極の格子定数が３．９０５Åから４．０３０Åまで大きくなり、酸化物薄膜電極の格子定数を、その上に成膜する圧電電歪膜の格子定数になるべく近い所望の格子定数に合わせることが可能である。
【００４７】
また、上記の酸化物薄膜電極の膜厚が５０ｎｍから５０００ｎｍの範囲で、好ましくは１００ｎｍから２０００ｎｍの範囲であるとよい。酸化物薄膜電極の膜厚が５０ｎｍ以下では、下部電極として十分な導電性を確保し得ない。また、５０００ｎｍ以上では、酸化物薄膜電極の表面粗度が大きいため、機械的に研磨処理を施す必要がある。このとき酸化物薄膜電極の結晶性および導電性が劣化する可能性がある。
【００４８】
また、上記の酸化物薄膜電極の基板面の結晶方位が（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）であるとよい。下部電極である酸化物薄膜電極の基板面の結晶方位が（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）であるとき、上部に成膜される圧電電歪膜がエピタキシャル成長し、圧電電歪膜の結晶方位がそれぞれ（１００），（００１），（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）となる。なお、圧電電歪膜の圧電電歪特性は、結晶方位が（００１），（１１１）のときに特に良好である。
【００４９】
また、上記の酸化物薄膜電極の結晶配向率が９０％以上であるとよい。結晶配向率とは、ＸＲＤ（Ｘ線回折）のθ―２θ測定により膜のピーク強度比による割合である。酸化物薄膜電極の結晶配向率が９０％以下のとき、１０％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、良好な電気特性を阻害するばかりでなく、上部に成膜する圧電電歪膜の結晶性を劣化させる可能性がある。より好ましくは下部電極である酸化物薄膜電極の結晶配向率が９５％以上であるとよい。
【００５０】
圧電体を構成する圧電電歪膜は、Ｐｂを含み、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃのうち少なくとも１種類の元素を含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物薄膜であるのが望ましい。
【００５１】
本発明で使用する単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜（圧電電歪膜）の物質としては以下のものが選択できる。
【００５２】
例えば、ＰＺＴ　［Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３］、ＰＭＮ　［Ｐｂ（ＭｇｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３］、ＰＮＮ　［Ｐｂ（ＮｂｘＮｉ１−ｘ）Ｏ３　］　、ＰＳＮ　［Ｐｂ（ＳｃｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３］、ＰＺＮ　［Ｐｂ（ＺｎｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３］、ＰＭＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＭｇｘＮｂ１−ｘ　）Ｏ３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ３］｝　，ＰＳＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＳｃｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ３］｝，ＰＺＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＺｎｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ３］｝である。
【００５３】
ここで、ｘおよびｙは１以下の０以上の数である。例えば、ＰＺＴの場合ｘは０．３〜０．７で、ＰＭＮではｘは０．２〜０．５で、ＰＳＮではｘは０．４〜０．７が好ましく、ＰＭＮ−ＰＴのｙは０．２〜０．４、ＰＳＮ−ＰＴのｙは０．３５〜０．５、ＰＺＮ−ＰＴのｙは０．０３〜０．３５が好ましい。
【００５４】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜は単一組成であってもよいし、２種類以上の組み合わせでもよい。また、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であってもよい。
【００５５】
そして、上記の圧電電歪膜の結晶配向率が９０％以上であるとよい。圧電電歪膜の結晶配向率が９０％以下のとき、１０％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、このことがアクチュエータの圧電電歪特性を劣化させる原因となる可能性がある。
【００５６】
また、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が菱面体晶あるいは正方晶であるとよい。すなわち、単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜がアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを機能させるために十分な駆動を得られる圧電電歪特性を持つためには、その結晶系が菱面体晶あるいは正方晶である必要がある。
【００５７】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であるとよい。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜をアクチュエータおよび液体噴射ヘッドに用いる際、繰り返し駆動により発生する応力に耐えうる材料である必要がある。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下であるときは、駆動を繰り返して行うと欠陥から破損する可能性がある。より好ましくは５００ｎｍ以上８μｍ以下である。
【００５８】
次に本発明による、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極を下部電極として用いたアクチュエータの具体的な層構成を列挙する。層構成の表示は、上部電極／／圧電電歪膜／／下部電極／振動板となっている。
【００５９】
例１　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例２　Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例３　Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例４　Ｐｔ／Ｔｉ　／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／Ｓｉ（１１１）
例５　Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／Ｓｉ（１１１）
例６　Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＰＺＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／Ｓｉ（１１１）
例７　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例８　Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例９　Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例１０　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／Ｓｉ（１００）
例１１　Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／Ｓｉ（１００）
例１２　Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１１１）／／Ｓｉ（１００）
【００６０】
上記具体例としては圧電電歪膜をＰＺＴあるいはＰＺＴ／ＰＴの積層構造を例示したが、これらが前述のＰＭＮ，ＰＺＮ，ＰＳＮ，ＰＮＮ，ＰＭＮ−ＰＴ，ＰＳＮ−ＰＴ，ＰＺＮ−ＰＴに適宜変更させた層構成でもよい。例えば、
Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＭＮ（００１）／ＰＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）、
Ａｕ／／ＰＭＮ−ＰＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）、
Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＰＭＮ−Ｐｔ（００１）／ＰＴ（００１）／／Ｌａ−ＳＴＯ（１００）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）　等である。
【００６１】
なお、（　）で示した結晶方位は前述したように優先配向する結晶配向を示している。
【００６２】
上記の液体噴射ヘッドの製造方法は、本体基板部を構成するＳｉ基板上に振動板を成膜する工程と、振動板上に下部電極である上記の酸化物薄膜電極を成膜する工程と、酸化物薄膜電極上にペロブスカイト型の圧電電歪膜を成膜する工程と、ペロブスカイト型の圧電電歪膜上に上部電極を成膜する工程と、Ｓｉ基板に圧力室を形成する工程と、液吐出口を形成したノズルプレートを圧力室に接合する工程を含む。
【００６３】
酸化物薄膜電極を成膜する工程は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＭＢＥ法、水熱合成法等の方法でＬａをドープされたＳｒおよびＴｉを含む酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる工程である。
【００６４】
酸化物薄膜電極上にペロブスカイト型の圧電電歪膜を成膜する工程は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＭＢＥ法、水熱合成法等の方法でペロブスカイト型圧電電歪材料をエピタキシャル成長させる工程である。
【００６５】
ペロブスカイト型の圧電電歪膜上に上部電極を成膜する工程は、スパッタ法、蒸着法などの気相法、メッキ法などの液相法により成膜する工程である。
【００６６】
Ｓｉ基板に圧力室を形成する工程は、例えば、異方性エッチングを利用したウェットエッチングやＩＣＰ、リーガプロセス、ボッシュプロセス等のドライエッチングを用いてＳｉ基板へ圧力室を形成する工程である。また、圧力室の形状は、長方形、円形、楕円形等各種選択することができる。また、サイドシューターの場合の圧力室の断面形状をノズル方向に絞った形状にすることもできる。
【００６７】
吐出口を形成したノズルプレートを圧力室に接合する工程は、例えばノズルが空けられたノズルプレートを各圧力室部に対応して接合する工程である。また、レジスト材料等でノズルを形成してもよい。また、ポリマー基板を張り合わせた後にレーザー加工により各圧力室に対応してノズルを形成してもよい。
【００６８】
本実施の形態によるアクチュエータは、圧電体を構成する圧電電歪膜が単一配向結晶あるいは単結晶であるために、微細で吐出力が大きく、かつ高周波数に対応できる液体噴射ヘッドを実現できる。
【００６９】
次に実施例を説明する。
【００７０】
〔実施例１〜４〕
図２に示す構成のアクチュエータにおいて、下部電極のＳｒＴｉＯ３　へのＬａドープ濃度を０．０８％、０．８０％、８．００％、０．０４％として、それぞれ実施例１、２、３、４のアクチュエータを製作した。
【００７１】
作製方法は、先ず、Ｓｉ基板にスパッタ法などで振動板を成膜した。このとき、基板を加熱し、５００℃以上の温度を保持しながら、成膜することによって、振動板はエピタキシャル成長し、単結晶化あるいは単一配向することができた。さらに、同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、単結晶あるいは単一配向結晶の酸化物薄膜電極を得ることができた。同様の方法で下部電極上に圧電電歪膜を成膜することで、単結晶薄膜あるいは単一配向結晶の薄膜からなる圧電体（ＰＺＴ）を得ることができた。上部電極も、同様に成膜した。次に、基体であるＳｉ基板をウェットの異方性エッチングによって、後方から中央部を取り除き図２のアクチュエータを作製した。
【００７２】
表１に下部電極を構成するＳｒＴｉＯ３　（ＳＴＯ）へのＬａドープ濃度とＬａ−ＳＴＯの格子定数の関係、圧電体であるＰＺＴの配向率との関係、ＰＺＴの結晶系を示す。実施例１、２、３、４の各層の構成、膜厚はいずれも次に示す通りである。なお、（　　）は優先配向方向、［　　］は膜厚である。
【００７３】
上部電極Ｐｔ［０．２５μｍ］／Ｔｉ［０．０５μｍ］／／圧電電歪膜ＰＺＴ（００１）［３μｍ］／／下部電極Ｌａ−ＳＴＯ（１００）［０．５μｍ］／／振動板ＹＳＺ（１００）［２μｍ］／基板Ｓｉ（１００）［６００μｍ］
【００７４】
【表１】
2004071933.tif 000003
【００７５】
表１のＳｒＴｉＯ３　へのＬａドープ濃度の変化とＬａ−ＳＴＯの格子定数の関係から、Ｌａドープ濃度の増加とともにＬａ−ＳＴＯの格子定数は大きくなることがわかった。さらに、Ｌａドープ濃度の変化とＰＺＴの配向率との関係から、Ｌａドープ濃度の増加とともに配向率が大きくなることがわかった。また、Ｌａドープ濃度が０．０５％以下である０．０４％の時の配向率は８９％であり、９０％以下であった。また、結晶系は全て正方晶であった。
【００７６】
表２に各アクチュエータに２０Ｖ印加したときの変位量を示す。この表により、Ｌａドープ濃度が０．０８％の実施例１の変位量は２７８ｎｍ、同様に０．８０％の実施例２は４６９ｎｍ、８．０％の実施例３は３７８ｎｍであった。また、Ｌａドープ濃度が０．０５％以下である０．０４％の実施例４に２０Ｖ印加したときの変位量は４２ｎｍであり、実施例１〜３と同程度の変位量を得るためには６０Ｖ印加する必要があった。６０Ｖ印加の時は、変位量は３１２ｎｍであった。
【００７７】
【表２】
2004071933.tif 000004
【００７８】
〔実施例５〜８〕
実施例１、２、３、４のアクチュエータを用いて図３に示す構成の液体噴射ヘッドを製作し、それぞれ実施例５、６、７、８とした。
【００７９】
各膜の膜厚は、前述と同様に、上部電極０．３μｍ／圧電電歪膜３μｍ／下部電極０．５μｍ／振動板２μｍ／基板６００μｍである。また、１８０ｄｐｉを実現するために圧力室の幅は９０μｍ、圧力室壁の幅は５０μｍとした。
【００８０】
表３に各液体噴射ヘッドのアクチュエータに２０Ｖ、１０ｋＨｚで印加したときのインク液滴の吐出量と吐出速度を示す。
【００８１】
【表３】
2004071933.tif 000005
【００８２】
実施例５〜７の液体噴射ヘッドにおいて、それぞれ吐出量１２〜１７ｐｌ、吐出速度１２〜１４ｍ／ｓｅｃを得ることができた。
【００８３】
また、実施例８のアクチュエータの下部電極のＬａドープ濃度が０．０５％以下である０．０４％の液体噴射ヘッドに２０Ｖ印加したときの吐出量は８ｐｌ、吐出速度は８ｍ／ｓｅｃとなり、実施例５〜７の吐出量、吐出速度よりも小さい値となった。実施例８の液体噴射ヘッドにおいて実施例５〜７と同程度の吐出量、吐出速度を得るためには６０Ｖ印加する必要があった。６０Ｖ印加の時、吐出量１２ｐｌ、吐出速度１２ｍ／ｓｅｃであった。
【００８４】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００８５】
下部電極として、ＬａのドープされたＳｒおよびＴｉを含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物薄膜を用いることによって、下部電極上にペロブスカイト型等の圧電電歪膜を再現性よく安定してエピタキシャル成長させることができた。
【００８６】
このような単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の圧電体および電極を積層することで、圧電体が薄くても圧電電歪特性を損なうことなく、しかも積層構造の強度および密着性も高く、従って耐久性も十分で大きな変位を得ることができる超小型のアクチュエータを実現できる。
【００８７】
このようなアクチュエータを用いることで、極めて高密度で高性能な液体噴射ヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による液体噴射ヘッドを示す斜視図である。
【図２】図１の装置のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図３】図１の液体噴射ヘッドの断面構造を示す一部破断部分斜視図である。
【符号の説明】
１　　本体基板部
２　　液吐出口
３　　圧力室
４　　ノズルプレート
１０　　アクチュエータ
１１　　振動板
１２　　圧電体
１３　　下部電極
１４　　上部電極
【図１】
2004071933.tif 000006
【図２】
2004071933.tif 000007
【図３】
2004071933.tif 000008