(57)【要約】      （修正有）【課題】良好な圧電特性を有する圧電素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電素子は、基板と、基板の上方に形成された第１下部電極３２と、第１下部電極３２の上方に形成された第２下部電極３４と、第２下部電極３４の上方に形成された圧電体層３６と、圧電体層３６の上方に形成された上部電極３８と、を含み、第１下部電極３２は、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなり、第２下部電極３４は、（１００）に優先配向している白金族金属からなることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１下部電極と、
前記第１下部電極の上方に形成された第２下部電極と、
前記第２下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記第１下部電極は、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなり、
前記第２下部電極は、（１００）に優先配向している白金族金属からなる、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１下部電極は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（０≦δ≦０．６）、コバルト酸リチウムまたはＣｕＣｒＭｇＯ２からなる、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２下部電極は、白金またはイリジウムからなる、圧電素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコニウム酸鉛からなる、圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなる、圧電素子。
【請求項６】
請求項５において、
前記リラクサー材料は、
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３からなり、
ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３５の範囲である、圧電素子。
【請求項７】
基板の上方に、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなる第１下部電極を形成する工程と、
前記第１下部電極の上方に（１００）に優先配向している白金属金属からなる第２下部電極を形成する工程と、
前記第２下部電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部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８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電素子を有する、液体噴射ヘッド。
【請求項９】
請求項８に記載の液体噴射ヘッドを有する、プリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子およびその製造方法、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高精細、高速印刷手法として、インクジェット法が実用化されている。インク液滴を吐出させるためには、圧電体層を電極で挟んだ構造の圧電素子を用いる方法が有用である。代表的な圧電体層の材料としては、ペロブスカイト型酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）が挙げられる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
圧電体層が、高い圧電特性を得るためには、例えば、ＰＺＴを用いた場合、圧電体層の結晶を（１００）に優先配向させることが望ましい。白金からなる下部電極の上に上記圧電体層を形成した場合、下部電極として用いられる白金は（１１１）に自然配向するため、圧電体層の結晶の配向を制御することは困難である。このような課題を解決する技術として、下部電極と圧電体層の間に結晶の配向を制御するバッファ層を形成することが知られている。
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【特許文献２】特開２００６−０６９８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電素子を有する、液体噴射ヘッドおよびプリンタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１下部電極と、
前記第１下部電極の上方に形成された第２下部電極と、
前記第２下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記第１下部電極は、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなり、
前記第２下部電極は、（１００）に優先配向している白金族金属からなることができる。
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなる第１下部電極と、（１００）に優先配向している白金族金属からなる第２下部電極を有するため、電極として十分な導電性を得ることができるとともに、優れた圧電特性を有する圧電体層を得ることができる。
【０００７】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【０００８】
また、本発明において、「（１００）に優先配向」とは、（１００）にすべての結晶が配向している場合と、（１００）にほとんどの結晶（例えば８０％以上）が配向しており、（１００）に配向していない残りの結晶が（１１１）等に配向している場合と、を含む。
【０００９】
本発明に係る圧電素子において、
前記第１下部電極は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（０≦δ≦０．６）、コバルト酸リチウムまたはＣｕＣｒＭｇＯ２からなることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子において、
前記第２下部電極は、白金またはイリジウムからなることができる。
【００１１】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコニウム酸鉛からなることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなることができる。
【００１３】
本発明に係る圧電素子において、
前記リラクサー材料は、
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３からなり、
ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３５の範囲であることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなる第１下部電極を形成する工程と、
前記第１下部電極の上方に（１００）に優先配向している白金属金属からなる第２下部電極を形成する工程と、
前記第２下部電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含む。
【００１５】
本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、（００１）に優先配向している層状構造を有する遷移金属酸化物からなる前記第１下部電極および（１００）に優先配向している白金属金属からなる前記第２下部電極の上方に前記圧電体層を形成することで、前記圧電体層の結晶の配向を制御することができる。したがって、本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、優れた圧電特性を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電素子を有することができる。
【００１７】
本発明に係るプリンタは、
本発明に係る液体噴射ヘッドを有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
１．圧電素子
本実施形態では、本発明に係る圧電素子を、インクジェット式記録ヘッド用の液体噴射ヘッドに適用した例について説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る圧電素子１００を適用した液体噴射ヘッド２００の要部を概略的に示す断面図である。
【００２１】
図２は、本発明に係る圧電素子１００を適用した液体噴射ヘッド２００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。図２では、便宜上、駆動部３０を簡略化して示している。
【００２２】
液体噴射ヘッド２００は、図１に示すように、圧電素子１００と、ノズル板１１と、を含む。圧電素子１００は、基板と、駆動部３０と、を有することができる。液体噴射ヘッド２００は、さらに、図２に示すように、筐体１７を有することができる。
【００２３】
基板は、圧電素子１００を適用する装置によって異なる構造、材質を採用することができる。例えば、液体噴射ヘッド２００に適用する場合には、基板は、図１に示すように加工基板１０と、弾性板２０と、を有することができる。
【００２４】
加工基板１０は、例えば、（１１０）配向の単結晶シリコン基板を用いることができる。加工基板１０には、開口部１２を有することができる。開口部１２は、例えば、液体噴射ヘッド２００のキャビティ（圧力室）となることができる。
【００２５】
弾性板２０は、加工基板１０の上に形成される。弾性板２０は、駆動部３０の動作により、屈曲することができる。弾性板２０は、第１弾性板２２と、第２弾性板２４と、を有する。
【００２６】
第１弾性板２２は、加工基板１０の上に形成される。第１弾性板２２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなることができる。第１弾性板２２の厚さは、例えば、１μｍ程度であることができる。第１弾性板２２は、後述するように、例えば、加工基板１０を下方からエッチングして開口部１２を形成する場合に、エッチングストッパ層としての機能を有する。
【００２７】
第２弾性板２４は、第１弾性板２２の上に形成される。第２弾性板２４は、例えば、結晶（単結晶および多結晶）からなることができる。第２弾性板２４は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなることができる。第２弾性板２４の厚さは、例えば、５００ｎｍ程度であることができる。第２弾性板２４は、例えば、圧電体層３６が鉛を含むペロブスカイト型酸化物である場合、鉛が第１弾性板２２に拡散することを防止することができる。
【００２８】
駆動部３０は、第２弾性板２４の上に形成される。駆動部３０は、弾性板２０を屈曲させることができる。駆動部３０は、第１下部電極３２と、第２下部電極３４と、圧電体層３６と、上部電極３８と、を有する。
【００２９】
第１下部電極３２は、第２弾性板２４の上に形成される。第１下部電極３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ程度であることができる。第１下部電極３２は、例えば、層状構造を有する遷移金属酸化物からなることができる。第１下部電極３２は、例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（０≦δ≦０．６）（以下ＹＢＣＯという）、コバルト酸リチウムまたはＣｕＣｒＭｇＯ２からなるからなることができる。ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δにおいて、δは、０≦δ≦０．６の範囲である。δが、０≦δ≦０．６の範囲であると、ＹＢＣＯは導電性を有することができる。具体的には、ＹＢＣＯの室温での電気抵抗率は、例えば１００μΩｃｍ以下とすることができる。ＹＢＣＯは、層状構造を有する。ＹＢＣＯは、（００１）に優先配向することができる。第１下部電極３２は、（００１）に優先配向することにより、第２下部電極３４および圧電体層３６の結晶の配向を制御することができる。
【００３０】
第２下部電極３４は、第１下部電極３２の上に形成される。第２下部電極３４の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度であることができる。第２下部電極３４は、例えば、白金属金属からなることができる。第２下部電極３４は、例えば、白金またはイリジウムからなることができる。第２下部電極３４は、第１下部電極３２の配向を引き継いで、（１００）に優先配向することができる。第２下部電極３４は、電気抵抗率の低い白金属金属からなるため、電極として十分な導電性を有することができる。
【００３１】
第１下部電極３２を形成するＹＢＣＯ等の遷移金属酸化物は、ウェーハ面内で結晶性等を均一に制御することが第２下部電極３４を形成する白金族金属と比較して困難なため、抵抗等のばらつきが生じやすい。したがって、例えば、第１下部電極３２の上に圧電体層３６が直接形成される場合、圧電体層３６の電気特性に第１下部電極３２が直接影響を与えるため、圧電素子１００は、第１下部電極３２の上方に第２下部電極３４を有することで、第１下部電極３２の影響を抑制し、安定した圧電特性を得ることができる。
【００３２】
圧電体層３６は、第２下部電極３４の上に形成される。圧電体層３６の厚さは、例えば、１μｍ程度であることができる。圧電体層３６は、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料からなる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、一般式ＡＢＯ３で示され、該Ａ（元素Ａ：Ａサイト）は、鉛（Ｐｂ）を含み、該Ｂ（元素Ｂ：Ｂサイト）は、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含むものが挙げられる。このペロブスカイト型酸化物としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３：ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体などが挙げられる。チタン酸ジルコン酸鉛固溶体としては、例えばニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などが挙げられる。また、上記Ａサイトに、鉛（Ｐｂ）以外の元素、例えば、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）などがさらに添加されていることもできる。
【００３３】
圧電体層３６は、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向することができる。「擬立方晶」とは、結晶構造を立方晶とみなした状態をいう。優先配向している第２下部電極３４の上に、圧電体層３６を形成することにより、第２下部電極３４の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向している圧電体層３６を得ることができる。圧電体層３６の結晶構造は、単斜晶（モノクリニック）のペロブスカイト型構造であることができる。また、圧電体層３６の分極方向は、膜面垂直方向（圧電体層３６の厚さ方向）に対して一定の角度だけ傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることができる。したがって、圧電体層３６は、高い圧電定数（ｄ３１）を有する。なお、本発明において、例えば、「結晶構造は単斜晶（モノクリニック）である」とは、すべての結晶が単斜晶である場合と、ほとんどの結晶（例えば８０％以上）が単斜晶であり、単斜晶ではない残りの結晶が正方晶（テトラゴナル）等である場合と、を含む。
【００３４】
圧電体層３６は、例えば、リラクサー材料からなることができる。リラクサー材料とは、バルクにおいて誘電率の温度依存性がブロードな（幅が広い）ピークを示す材料であって、誘電率が極大となる温度が周波数測定によりシフトする材料をいう。また、リラクサー材料は、圧電定数の温度依存がブロードな（幅が広い）ピークを示す材料である。リラクサー材料からなる圧電体層３６は、菱面体晶（ロンボヘドラル）のペロブスカイト型構造を有し、かつ、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向したものであることができる。また、圧電体層３６の分極方向は、膜面垂直方向（圧電体層３６の厚さ方向）に対して一定の角度だけ傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることができる。圧電体層３６としてリラクサー材料を用いることにより、圧電素子１００は、広い温度範囲で良好な圧電特性を発揮し、これにより信頼性が高く特性が安定したものとなる。
【００３５】
リラクサー材料は、例えば、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３からなることができる。ここで、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３５の範囲であることができる。ＰｂＴｉＯ３側の組成比を表すｘの範囲については、特にその上限値としては、圧電体層３６の結晶構造の相境界（ＭＰＢ：Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ）におけるｘの値（以下、「ｘＭＰＢ」ともいう。）となる。相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）とは、菱面体晶（ロンボヘドラル）と正方晶（テトラゴナル）とが相転移するときのＰｂＴｉＯ３側の組成比を示す値である。そして、このｘの範囲としては、相転移するときの組成比より小さく、これにより菱面体晶（ロンボヘドラル）となる範囲とされる。ここで、圧電定数（ｄ３１）は、相境界付近で極大値をとる。したがって、ｘの下限値としては、相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）に近い値が選択される。よって、ｘの範囲としては、本発明を構成するうえでは比較的小さい値まで許容できるものの、より高い圧電定数（ｄ３１）を得るためには、好ましいｘの値、すなわち相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）により近い値が選択される。したがって、ｘの範囲の下限値は、圧電素子１００を動作させる際に、許容される圧電定数（ｄ３１）の下限値のｘの値となる。ｘが上述の範囲内であれば、容易に圧電体層３６を菱面体晶（ロンボヘドラル）にコントロールすることができ、高い圧電特性を有することができる。
【００３６】
リラクサー材料の組成は、ＰｂＴｉＯ３に代えて、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３であってもよい。ｙの値は、０≦ｙ≦１の範囲であることができる。
【００３７】
上部電極３８は、圧電体層３６の上に形成される。上部電極３８は、例えば、イリジウムからなることができる。上部電極３８の厚さは、例えば、２００ｎｍ程度であることができる。
【００３８】
ノズル板１１は、加工基板１０の下（図２では上）に形成される。ノズル板１１は、キャビティ（圧力室）１２に通じるノズル孔１３を有する。ノズル孔１３からは、インクが吐出される。ノズル板１１には、例えば、多数のノズル孔１３が一列に設けられている。ノズル板１１は、例えば、（１００）単結晶シリコン基板であることができる。ノズル板１１は、通常使用される状態では、加工基板１０の下（図２では上）に固定される。
【００３９】
筐体１７は、ノズル板１１および圧電素子１００を収納することができる。筐体１７は、例えば、各種樹脂材料および各種金属材料等を用いて形成される。
【００４０】
加工基板１０がノズル板１１と弾性板２０との間の空間を区画することにより、リザーバ（液体貯留部）１４、供給口１５および複数のキャビティ１２が設けられている。弾性板２０には、厚さ方向に貫通した貫通孔１６が設けられている。リザーバ１４は、外部（例えばインクカートリッジ）から貫通孔１６を通じて供給されるインクを一時的に貯留する。供給口１５によって、リザーバ１４から各キャビティ１２へインクが供給される。
【００４１】
キャビティ１２は、前述のように加工基板１０の開口部１２から構成されている。キャビティ１２は、各ノズル孔１３に対して１つずつ配設されている。キャビティ１２は、弾性板２０の変形により容積可変になっている。この容積変化により、ノズル孔１３からインクが吐出される。
【００４２】
駆動部３０は、圧電素子駆動回路（図示せず）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動作（振動、変形）することができる。弾性板２０は、駆動部３０の変形によって変形し、キャビティ１２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００４３】
本発明に係る圧電素子１００を適用した液体噴射ヘッド２００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００４４】
液体噴射ヘッド２００は、圧電素子１００を有することができる。圧電素子１００は、第１下部電極３２および第２下部電極３４の上に、圧電体層３６が形成されている。これにより、圧電体層３６は、第１下部電極３２および第２下部電極３４の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向することができる。擬立方晶の表示で（１００）に優先配向している圧電体層３６は、優れた圧電特性を示すため、圧電素子１００は、圧電定数（ｄ３１）が高く、印加された電圧に対して、より大きな変形をなすものとなる。
【００４５】
圧電素子１００は、第２下部電極３４が電気抵抗率の低い白金属金属からなる。これにより、下部電極は、電極として十分な導電性を有することができる。
【００４６】
圧電素子１００は、遷移金属酸化物からなる第１下部電極３２の上方に白金族金属からなる第２下部電極３４を有することができる。これにより、圧電素子１００は、第２下部電極３４により、圧電体層３６の電気特性に対する第１下部電極３２の影響を抑制できるため、安定した圧電特性を得ることができる。
【００４７】
したがって、液体噴射ヘッド２００は、良好な特性を得ることができる。
【００４８】
２．圧電素子の製造方法
次に、本発明に係る圧電素子１００の製造方法を、インクジェット式記録ヘッド用の液体噴射ヘッド２００に適用した例について図面を参照しながら説明する。図３および図４は、本実施形態の液体噴射ヘッド２００の製造工程を概略的に示す断面図である。
【００４９】
図３に示すように、基板を形成する。具体的には、加工基板１０の上に、第１弾性板２２と、第２弾性板２４と、をこの順に成膜し、弾性板２０を形成する。第１弾性板２２は、例えば、熱酸化法により形成される。第２弾性板２４は、例えば、スパッタ法により形成される。
【００５０】
図４に示すように、第２弾性板２４の上に駆動部３０を形成する。具体的には、例えば、第２弾性板２４の上に、第１下部電極３２と、第２下部電極３４と、圧電体層３６と、上部電極３８と、をこの順に形成する。
【００５１】
第１下部電極３２は、例えば、スパッタ法により形成される。具体的には、第１下部電極３２がＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（ＹＢＣＯ）からなる場合について説明する。ここで、δは、０≦δ≦０．６の範囲となるように調整される。第１下部電極３２は、例えば、スパッタ法により形成される。スパッタリング時の電力は、例えば２００Ｗとすることができる。スパッタ法により第１下部電極３２を成膜した場合、成膜後、例えば７００℃でＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を行うことができる。ＹＢＣＯは、（００１）に自然配向することができる。したがって、（００１）に優先配向した第１下部電極３２を得ることができる。第１下部電極３２の形成方法については、スパッタ法に限定されることなく、例えば、レーザーアブレーション法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを採用することができる。
【００５２】
第２下部電極３４は、例えば、スパッタ法により形成される。具体的には、第２下部電極３４が、白金からなる場合について説明する。白金は、（００１）に優先配向した第１下部電極３２の配向を引き継いで、（１００）に優先配向することができる。したがって、（１００）に優先配向した第２下部電極３４を得ることができる。
【００５３】
第１下部電極３２を形成する遷移金属酸化物は、ウェーハ面内で結晶性等を均一に制御することが第２下部電極３４を形成する白金族金属と比較して困難なため、抵抗等のばらつきが生じやすい。したがって、例えば、第１下部電極３２の上に圧電体層３６が直接形成される場合、圧電体層３６の電気特性に第１下部電極３２が直接影響を与えるため、圧電素子１００は、第１下部電極３２の上方に第２下部電極３４を形成することで、第１下部電極３２の影響を抑制し、安定した圧電特性を得ることができる。
【００５４】
圧電体層３６は、例えば、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより形成される。具体的には、圧電体層３６がＰＺＴからなる場合について説明する。
【００５５】
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溶液（圧電材料）を、第２下部電極３４上の全面にスピンコート法等により塗布する。例えば、この溶液中のＺｒおよびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物の混合比率を変えることにより、ＺｒとＴｉの組成比（Ｚｒ：Ｔｉ）を調整することができる。例えば、Ｚｒ組成＝Ｚｒ／(Ｚｒ＋Ｔｉ)が０．５となるように有機金属化合物を混合することができる。Ｐｂの組成についても、有機金属化合物の混合比率を変えることにより調整することができる。
【００５６】
次に、熱処理（乾燥工程、脱脂工程）を行うことにより、圧電体層３６の前駆体層を形成することができる。乾燥工程の温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下であることが好ましい。また、乾燥工程の時間は、例えば、５分以上であることが好ましい。脱脂工程では、乾燥工程後のＰＺＴ前駆体層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℃程度である。前駆体層を成膜する場合には、１回で成膜せず、複数回に分けて成膜することもできる。具体的には、例えば、圧電材料の塗布、乾燥、および脱脂を複数回繰り返すことができる。
【００５７】
次に、前駆体層を焼成する。焼成工程では、ＰＺＴ前駆体層を加熱することによって結晶化させることができる。焼成工程の温度は、例えば、７００℃である。焼成工程の時間は、例えば、５分以上３０分以下であることが好ましい。焼成工程に用いる装置としては、特に限定されず、拡散炉やＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置などを用いることができる。焼成工程は、例えば、圧電材料の塗布、乾燥、および脱脂の１サイクルごとに行っても良い。
【００５８】
圧電体層３６は、（１００）に優先配向した第２下部電極３４の上に形成されることで、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向することができる。その結果、圧電体層３６は、結晶構造が単斜晶（モノクリニック）のペロブスカイト型構造となり、かつ擬立方晶の表示で（１００）に優先配向したものとなることができる。
【００５９】
以上の工程により、圧電体層３６を形成することができる。
【００６０】
上部電極３８は、例えば、スパッタ法により形成される。
【００６１】
次に、例えば、上部電極３８および圧電体層３６をパターニングして、駆動部３０を形成することができる。その後、例えば第１下部電極３２および第２下部電極３４をパターニングしても良い。各層のパターニングには、例えば、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。パターニングは、各層の形成後に行ってもよいし、複数層の形成後に一括して行ってもよい。
【００６２】
以上の工程により、第１下部電極３２、第２下部電極３４、圧電体層３６および上部電極３８を有する駆動部３０を形成することができる。
【００６３】
図１および図２に示すように、加工基板１０をパターニングして、開口部１２を形成する。加工基板１０のパターニングには、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。開口部１２は、例えば、第１弾性板２２を露出させるように加工基板１０の一部をエッチングして形成される。このエッチング工程において、第１弾性板２２は、エッチングのストッパとしての機能を有する。すなわち、第１弾性板２２のエッチング速度は、加工基板１０のエッチング速度よりも遅い。
【００６４】
次に、複数のノズル孔１３が形成されたノズル板１１を、各ノズル孔１３が各キャビティ１２となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティ１２、リザーバ１４および複数の供給口１５が形成されることができる。ノズル板１１の接合は、例えば、接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。
【００６５】
次に、加工基板１０を筐体１７に取り付ける。
【００６６】
以上の工程により、本発明に係る圧電素子１００を適用した液体噴射ヘッド２００を形成することができる。
【００６７】
本発明に係る圧電素子１００を適用した液体噴射ヘッド２００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
【００６８】
液体噴射ヘッド２００の製造方法によれば、圧電素子１００は、第１下部電極３２の上に、第２下部電極３４と、圧電体層３６と、が順に形成される。これにより、第１下部電極３２および第２下部電極３４の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に優先配向した圧電体層３６を得ることができる。擬立方晶の表示で（１００）に優先配向している圧電体層３６は、優れた圧電特性を示すため、圧電素子１００は、圧電定数（ｄ３１）が高く、印加された電圧に対して、より大きな変形をなすものとなる。したがって、液体噴射ヘッド２００は、良好な特性を得ることができる。
【００６９】
３．実験例
次に、実験例について説明する。
【００７０】
本実験例では、本実施形態に係る圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド２００および比較例に係る圧電素子を有する液体噴射ヘッドを以下のようにして作製した。
【００７１】
本実施形態に係る圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド２００は、以下のようにして作製した。
【００７２】
（１１０）単結晶シリコンからなる加工基板１０の上に、第１弾性板２２を作製した。第１弾性板２２としては、厚さ１μｍの酸化シリコンを熱酸化法により形成した。第１弾性板２２の上に、第２弾性板２４を形成した。第２弾性板２４としては、厚さ５００ｎｍの酸化ジルコニウムをスパッタ法により形成した。
【００７３】
第２弾性板２４の上に、第１下部電極３２を形成した。第１下部電極３２としては、厚さ１００ｎｍのＹＢＣＯをスパッタ法により形成した。第１下部電極３２は、（００１）に優先配向している。第１下部電極３２の上に、第２下部電極３４を形成した。第２下部電極３４としては、厚さ５０ｎｍの白金をスパッタ法により形成した。第２下部電極３４は、（１００）に優先配向している。
【００７４】
第２下部電極３４の上に、圧電体層３６を形成した。圧電体層３６としては、厚さ１μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ０．５，Ｔｉ０．５）Ｏ３）をゾルゲル法で形成した。圧電体層３６の焼成は、７００℃で行った。圧電体層３６の上に上部電極３８を形成した。上部電極３８としては、厚さ２００ｎｍのイリジウムをスパッタ法で形成した。
【００７５】
加工基板１０に開口部１２を形成した。開口部１２の形状は、幅５０μｍ、長さ５００μｍ、高さ６０μｍの直方体とした。
【００７６】
比較例に係る圧電素子を有する液体噴射ヘッドとして、第２下部電極３４を形成しないもの、言い換えるならば、第２下部電極３４の厚さが０ｎｍのサンプルを作製した。他の工程は、上述した液体噴射ヘッド２００と同様である。
【００７７】
以上のようにして、本実施形態に係るサンプルおよび比較例に係るサンプルを作製した。
【００７８】
本実施形態に係るサンプルの第１下部電極３２および第２下部電極３４からなる下部電極の抵抗率を、比較例に係るサンプルの下部電極の抵抗率を基準として求めた。
【００７９】
また、圧電体層３６の結晶性を評価するために、Ｘ線回折測定を行った。具体的には、圧電体層３６の結晶の（１００）面の配向度をピーク強度より求めた。（１００）面のピーク強度をａ、（１１１）面のピーク強度をｂ、（１１０）面のピーク強度をｃとすると、
（１００）配向度（％）＝｛ａ／（ａ＋ｂ＋ｃ）｝×１００
である。圧電体層の各面の表示は、擬立方晶の表示である。（１００）のピークは、（２００）のピークと等価である。
【００８０】
また、各サンプルに対して、上下電極に、０Ｖから３５Ｖに変化する電圧を印加して、弾性板２０の変位量を求めた。弾性板２０の変位量の測定には、レーザードップラー計を用いた。
【００８１】
本実施形態に係るサンプルで得られた下部電極の抵抗率は、比較例に係るサンプルの下部電極の抵抗率を１００％とした場合、４０％となっていることが確認された。すなわち、本実施形態に係るサンプルは、比較例に係るサンプルと比較して、抵抗率が６０％減少することが確認された。したがって、圧電素子１００において、下部電極は、電極として十分な導電性を有することが確認された。
【００８２】
本実施形態に係るサンプルで得られた圧電体層３６の（１００）配向度は、９０％であった。比較例に係るサンプルで得られた（１００）配向度は、９２％であった。サンプル間で（１００）配向度に有意な差は確認されなかった。圧電体層３６は、高い割合で（１００）に優先配向していることが確認された。
【００８３】
本実施形態に係るサンプルで得られた弾性板２０の変位量は、４００ｎｍであった。比較例に係るサンプルで得られた弾性板２０の変位量は、３９０ｎｍであった。サンプル間で弾性板２０の変位量に有意な差は確認されなかった。圧電素子１００は、印加された電圧に対して、大きな変形をなすことができることが確認された。
【００８４】
上述の実験例から、圧電素子１００は、第２下部電極３４を有することで、下部電極が電極として十分な導電性を有することができることが確認された。また、圧電素子１００は、第１下部電極３２と圧電体層３６の間に第２下部電極３４を有していても、圧電体層３６の結晶を制御することができることが確認された。すなわち、第１下部電極３２は、白金からなる第２下部電極３４の配向も制御することができることが確認された。したがって、圧電素子１００は、第１下部電極３２と第２下部電極３４を有することで、電極に十分な導電性を有し、かつ、理想的な結晶性および良好な圧電特性を備える圧電体層３６を有することが確認された。
【００８５】
４．変形例
図５は、本発明に係る圧電素子を適用した本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド２５０を模式的に示す断面図である。なお、図５は、図１と直交する方向に切断した断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッド２５０およびその製造方法において、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００およびその製造方法と実質的に同一の材料については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００８６】
液体噴射ヘッド２５０は、図５に示すように、キャビティ１２の１つの側面にノズル板２５２を有する。ノズル板２５２は、キャビティ１２に通じるノズル孔２５４を有する。したがって、液体噴射ヘッド２５０は、弾性板２０の変位方向と交差する方向（図５の場合では直交する方向）に液滴を吐出する。ノズル板２５２は、例えば、シリコンからなることができる。
【００８７】
底板２５６は、加工基板１０の下に形成される。底板２５６は、キャビティ１２の下面を構成する。底板２５６は、例えば、単結晶シリコンからなることができる。
【００８８】
キャビティ１２は、下面の面積に対して、側面の面積が小さい。したがって、液体噴射ヘッド２５０は、ノズル孔２５４を有するノズル板２５２が、キャビティ１２の１つの側面に形成されるため、ノズル孔２５４を高密度に配置することができる。
【００８９】
次に、液体噴射ヘッド２５０の製造方法について説明する。
【００９０】
図５に示すように、ノズル板２５２をパターニングして、ノズル孔２５４を形成する。パターニングは、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により行われる。
【００９１】
加工基板１０に弾性板２０と、駆動部３０とを形成する。次に、加工基板１０にキャビティ１２を形成した後、底板２５６を接合する。接合は、例えば、接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。
【００９２】
接合された加工基板１０と底板２５６に、ノズル板２５２を接合する。接合は、例えば、接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。
【００９３】
５．プリンタ
次に、本発明に係る液体噴射ヘッドを有するプリンタについて説明する。ここでは、本実施形態に係るプリンタ３００がインクジェットプリンタである場合について説明する。
【００９４】
図５は、本実施形態に係るプリンタ３００を概略的に示す斜視図である。
【００９５】
プリンタ３００は、ヘッドユニット３３０と、ヘッドユニット駆動部３１０と、制御部３６０と、を含む。また、プリンタ３００は、装置本体３２０と、給紙部３５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ３２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口３２２と、装置本体３２０の上面に配置された操作パネル３７０と、を含むことができる。
【００９６】
ヘッドユニット３３０は、例えば、上述した液体噴射ヘッドから構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）２００を有する。ヘッドユニット３３０は、さらに、ヘッド２００にインクを供給するインクカートリッジ３３１と、ヘッド２００およびインクカートリッジ３３１を搭載した運搬部（キャリッジ）３３２と、を備える。
【００９７】
ヘッドユニット駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０を往復動させることができる。ヘッドユニット駆動部３１０は、ヘッドユニット３３０の駆動源となるキャリッジモータ３４１と、キャリッジモータ３４１の回転を受けて、ヘッドユニット３３０を往復動させる往復動機構３４２と、を有する。
【００９８】
往復動機構３４２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３４４と、キャリッジガイド軸３４４と平行に延在するタイミングベルト３４３と、を備える。キャリッジガイド軸３４４は、キャリッジ３３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ３３２を支持している。さらに、キャリッジ３３２は、タイミングベルト３４３の一部に固定されている。キャリッジモータ３４１の作動により、タイミングベルト３４３を走行させると、キャリッジガイド軸３４４に導かれて、ヘッドユニット３３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッド２００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。
【００９９】
制御部３６０は、ヘッドユニット３３０、ヘッドユニット駆動部３１０および給紙部３５０を制御することができる。
【０１００】
給紙部３５０は、記録用紙Ｐをトレイ３２１からヘッドユニット３３０側へ送り込むことができる。給紙部３５０は、その駆動源となる給紙モータ３５１と、給紙モータ３５１の作動により回転する給紙ローラ３５２と、を備える。給紙ローラ３５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ３５２ａおよび駆動ローラ３５２ｂを備える。駆動ローラ３５２ｂは、給紙モータ３５１に連結されている。
【０１０１】
ヘッドユニット３３０、ヘッドユニット駆動部３１０、制御部３６０および給紙部３５０は、装置本体３２０の内部に設けられている。
【０１０２】
本実施形態に係るプリンタ３００は、例えば、以下のような特徴を有する。
【０１０３】
液体噴射ヘッド３００は、液体噴射ヘッド２００を有することができる。液体噴射ヘッド２００は、上述のように、良好な特性を有することができる。したがって、良好な特性を有するプリンタ３００を得ることができる。
【０１０４】
上述した例では、プリンタ３００がインクジェットプリンタである場合について説明したが、本発明のプリンタは、工業的な液滴吐出装置として用いられることもできる。この場合に吐出される液体（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たものなどを用いることができる。
【０１０５】
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。上述した例では、液体噴射ヘッド２００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【０１０６】
また、本発明に係る圧電素子は、例えば、発振器や周波数フィルタなどに用いられる圧電振動子に適用されることができる。圧電振動子として用いられた場合、基板は、例えば、（１００）単結晶シリコン基板を用いることができる。
【０１０７】
また、本発明に係る圧電素子は、例えば、薄膜圧電共振子として適用されることができる。薄膜圧電共振子として用いられた場合、基板は、例えば、加工基板と弾性膜を有することができる。加工基板には、例えば、ビアホールまたはエアギャップが形成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを概略的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを概略的に示す分解斜視図。
【図３】本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図５】本実施形態の変形例に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係るプリンタを概略的に示す斜視図。
【符号の説明】
【０１０９】
１０  加工基板、１１  ノズル板、１２  開口部（キャビティ）、１３  ノズル孔、１４  リザーバ、１５  供給口、１６  貫通孔、１７  筐体、２０  弾性板、２２  第１弾性板、２４  第２弾性板、３０  駆動部、３２  第１下部電極、３４  第２下部電極、３６  圧電体層、３８  上部電極、１００  圧電素子、２００  液体噴射ヘッド、２５０  液体噴射ヘッド、２５２  ノズル板、２５４  ノズル孔、２５６  底板、３００  プリンタ、３１０  ヘッドユニット駆動部、３２０  装置本体、３２１  トレイ、３２２  排出口、３３０  ヘッドユニット、３３１  インクカートリッジ、３３２  キャリッジ、３４１  キャリッジモータ、３４２  往復動機構、３４３  タイミングベルト、３４４  キャリッジガイド軸、３５０  給紙部、３５１  給紙モータ、３５２  給紙ローラ、３６０  制御部、３７０  操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009188104.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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