JP2009038274A - 圧電素子およびその製造方法、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易なプロセスにより、信頼性が高く、かつ圧電特性が良好な圧電素子およびその製造方法を提供する。また、本発明の圧電素子を含む、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００の製造方法は、基体１０の上方にパターニングされた下部電極１２を形成する工程と、基体１０および下部電極１２の上にチタン層１４を形成する工程と、チタン層１４の上方に圧電体層１６を形成する工程と、圧電体層１６の上方に上部電極１８を形成する工程と、少なくとも、上部電極１８および圧電体層１６をパターニングする工程と、を含み、上部電極１８および圧電体層１６をパターニングする工程は、圧電体層１６がチタン層１４を介して下部電極１２の上に位置する第１部分１６ａと、圧電体層１６がチタン層１４を介して基体１０の上に位置する第２部分１６ｂと、を有するように行われることができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００の製造方法は、基体１０の上方にパターニングされた下部電極１２を形成する工程と、基体１０および下部電極１２の上にチタン層１４を形成する工程と、チタン層１４の上方に圧電体層１６を形成する工程と、圧電体層１６の上方に上部電極１８を形成する工程と、少なくとも、上部電極１８および圧電体層１６をパターニングする工程と、を含み、上部電極１８および圧電体層１６をパターニングする工程は、圧電体層１６がチタン層１４を介して下部電極１２の上に位置する第１部分１６ａと、圧電体層１６がチタン層１４を介して基体１０の上に位置する第２部分１６ｂと、を有するように行われることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電素子およびその製造方法、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドに関する。
インクジェット式記録ヘッドなどに用いられる圧電素子では、圧電体層の結晶性の向上のため、圧電体層をチタン層上に形成する技術が知られている。例えば、特開２００２−３１４１６３号公報には、下部電極上にチタン層を介して圧電体層の１層目を形成した後、この１層目の圧電体層と共に下部電極をパターニングし、１層目の圧電体膜上にさらにチタン層を形成した後、残りの圧電体膜を形成するようにした圧電体素子の製造方法が開示されている。
しかしながら、このような圧電体素子の製造方法では、１層目の圧電体層上に形成されたチタン層によって、圧電体層の結晶が１層目と２層目との間で分断されて不連続となってしまう場合があり、圧電体層の結晶性に影響を与えることがある。
特開２００２−３１４１６３号公報
本発明の目的は、簡易なプロセスにより、信頼性が高く、かつ圧電特性が良好な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、本発明の目的は、本発明の圧電素子を含む、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドを提供することにある。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基体の上方にパターニングされた下部電極を形成する工程と、
前記基体および前記下部電極の上にチタン層を形成する工程と、
前記チタン層の上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、
少なくとも、前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程と、を含み、
前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程は、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有するように行われることができる。
基体の上方にパターニングされた下部電極を形成する工程と、
前記基体および前記下部電極の上にチタン層を形成する工程と、
前記チタン層の上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、
少なくとも、前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程と、を含み、
前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程は、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有するように行われることができる。
本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、後述するように、簡易なプロセスにより、信頼性が高く、かつ圧電特性が良好な圧電素子を得ることができる。
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」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」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を形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成す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。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記チタン層を形成する工程は、該チタン層の厚さが５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下となるように行われることができる。
前記チタン層を形成する工程は、該チタン層の厚さが５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下となるように行われることができる。
本発明に係る圧電素子は、
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記基体および前記下部電極の上に形成されたチタン層と、
前記チタン層の上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、
前記圧電体層は、前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有することができる。
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記基体および前記下部電極の上に形成されたチタン層と、
前記チタン層の上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、
前記圧電体層は、前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有することができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、平面視において、前記第２部分から前記第１部分に向かう方向を第１の方向としたとき、前記第２部分が、前記第１部分の前記第１の方向における少なくとも一方の端部と連続するように設けられることができる。
前記圧電体層は、平面視において、前記第２部分から前記第１部分に向かう方向を第１の方向としたとき、前記第２部分が、前記第１部分の前記第１の方向における少なくとも一方の端部と連続するように設けられることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記チタン層の厚さは、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることができる。
前記チタン層の厚さは、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることができる。
本発明に係るアクチュエータは、
前記の圧電素子を含み、
前記基体が振動板を有することができる。
前記の圧電素子を含み、
前記基体が振動板を有することができる。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
前記アクチュエータと、
前記基体に形成された流路と、
前記基体の下方に形成された、前記流路に連続するノズル穴を有するノズルプレートと、を含むことができる。
前記アクチュエータと、
前記基体に形成された流路と、
前記基体の下方に形成された、前記流路に連続するノズル穴を有するノズルプレートと、を含むことができる。
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。
１．圧電素子
図１は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ線における断面を示す図である。図２に示す例では、圧電素子１００が２つ配置されているが、圧電素子１００の数は特に限定されるわけではない。なお、図２では、便宜上、上部電極の図示を省略している。
図１は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ線における断面を示す図である。図２に示す例では、圧電素子１００が２つ配置されているが、圧電素子１００の数は特に限定されるわけではない。なお、図２では、便宜上、上部電極の図示を省略している。
圧電素子１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０の上方に形成された下部電極１２と、基体１０および下部電極１２の上に形成されたチタン層１４と、チタン層１４の上に形成された圧電体層１６と、圧電体層１６の上方に形成された上部電極１８と、を含む。ここで、圧電体層１６は、チタン層１４を介して下部電極１２の上に位置する第１部分１６ａと、チタン層１４を介して基体１０の上に位置する第２部分１６ｂと、を有することができる。
基体１０は、圧電素子１００が動作したときの機械的な出力を行う部材である。基体１０は、後述するように、例えば、振動板を含んで構成されてもよい。基体１０は、圧電体層１６の動作により、たわんだり振動したりすることができる。基体１０の厚みは、用いる材質の弾性率などに従って、最適に選ばれる。基体１０の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属、シリコンなどの半導体を用いることができる。基体１０は、２種類以上の物質の積層構造であってもよい。
下部電極１２は、基体１０の上に設けられる。下部電極１２は、上部電極１８と対になり、圧電体層１６を挟む一方の電極として機能する。下部電極１２は、図示せぬ外部回路と電気的に接続されている。下部電極１２の厚みは、基体１０に圧電体層１６の変形が伝達できる範囲であれば任意である。下部電極１２の厚みは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍとすることができる。下部電極１２の材質は、この機能を満足する導電性を有する物質である限り特に限定されない。下部電極１２の材質には、例えば、イリジウム、白金、チタンなどの各種の金属、それらの導電性酸化物、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化白金、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）などを用いることができる。下部電極１２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。
下部電極１２は、図２に示すように、例えば、複数の圧電素子１００の共通電極であることができる。これに対し、上部電極１８は、例えば、複数の圧電素子１００のそれぞれに設けられた独立した電極であることができる。なお、下部電極１２は、図示しないが、例えば、圧電素子１００のそれぞれに設けられた独立した電極であることもできる。
チタン層１４は、基体１０および下部電極１２の上に接して設けられる。チタン層１４は、その上面に圧電体層１６が形成されると、圧電体層１６の結晶性を向上する機能を有する。チタン層１４の厚みは、例えば、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることができる。チタン層１４の厚みを、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることで、圧電体層１６は優先的に（１００）に配向し、圧電体素子１００は、良好な圧電特性を有することができる。ここで、「優先的に（１００）に配向する」とは、（１００）にすべての結晶が配向している場合と、例えば、５０％以上の結晶が（１００）に配向しており、（１００）に配向していない残りの結晶が（１１０）等に配向している場合と、を含むことを意味する。なお、チタン層１４の厚さが１０ｎｍを超えると、チタン層１４のチタンが圧電体層１６中に拡散したり、酸化チタン等の常誘電体層を形成したりすることで、圧電体層１６は、所望の組成が得られなくなることがある。
圧電体層１６は、チタン層１４の上に接して設けられる。圧電体層１６は、下部電極１２および上部電極１８によって電界が印加されることで伸縮変形し、これにより基体１０をたわませたり振動させたりすることができる。圧電体層１６の厚みは、圧電素子１００の用途によるが、例えば、３００ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。圧電体層１６には、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層１６は、例えば、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、Ａは、鉛を含み、Ｂは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Ｂは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層１６としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮＳ）などを用いることができる。
圧電体層１６は、チタン層１４を介して下部電極１２の上に位置する第１部分１６ａと、チタン層１４を介して基体１０の上に位置する第２部分１６ｂと、を有することができる。圧電体層１６は、例えば、図２に示すように、平面視において、前記第２部分１６ｂが、前記第１部分１６ａの第１の方向（Ｘ方向）における端部と連続するように設けられることができる。第１方向（Ｘ方向）は、例えば、圧電体層１６が矩形である場合、圧電体１６の長手方向とすることができる。第１方向（Ｘ方向）と直行する第２方向（Ｙ方向）は、例えば、下部電極１２が矩形である場合、下部電極１２の長手方向とすることができる。第２部分１６ｂは、第１部分１６ａの一方の端部とのみ連続するように設けられてもよいし、第１部分１６ａの両方の端部と連続するように設けられてもよい。すなわち、下部電極１２は、第１方向（Ｘ方向）において、圧電体層１６より小さい幅を有するように形成されることができる。下部電極１２を、第１方向（Ｘ方向）において、圧電体層１６より小さい幅を有するように形成することで、圧電体層１６の振動は、基体１０に伝わり易くなり、圧電素子１００は、圧電特性（変位性）が向上する。なお、第２部分１６ｂは、第１部分１６ａの両方の端部と連続するように設けられることが好ましい。第２部分１６ｂが第１部分１６ａの両方の端部と連続するように設けられると、圧電素子として駆動する第１部分１６ａは、圧電体層１６をパターニングする時に、エッチングダメージを受けない。
上部電極１８は、圧電体層１６の上に設けられる。上部電極１８は、下部電極１２と対になり他方の電極として機能する。上部電極１８の厚みは、例えば、２０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。上部電極１８の材質は、前記機能を満足する導電性を有する物質である限り、特に限定されない。上部電極１８の材質は、イリジウム、金、白金、チタンなどの各種の金属、それらの導電性酸化物、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）などを用いることができる。また、上部電極１８は、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。
圧電素子１００は、図１および図２に示すように、例えば、チタン層１４の端部と、圧電体層１６の端部と、上部電極１８の端部と、が連続するように形成されることができる。圧電素子１００は、図示しないが、例えば、平面視において、圧電体層１６が、チタン層１４より小さく形成されることもできる。圧電素子１００は、図示しないが、例えば、平面視において、上部電極１８が、圧電体層１６より小さく形成されることもできる。
本実施形態に係る圧電素子１００は、圧電体層１６が優先的に（１００）に配向し、信頼性が高く、かつ圧電特性が良好である。圧電素子１００の特徴の詳細は、後述する。
２．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３〜図７は、本実施形態に係る圧電素子の製造工程を概略的に示す断面図である。
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３〜図７は、本実施形態に係る圧電素子の製造工程を概略的に示す断面図である。
圧電素子１００の製造方法は、基体の上方にパターニングされた下部電極を形成する工程と、基体および下部電極の上にチタン層を形成する工程と、チタン層の上に圧電体層を形成する工程と、圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、少なくとも、上部電極および圧電体層をパターニングする工程と、を含む。ここで、上部電極および圧電体層をパターニングする工程は、圧電体層がチタン層を介して下部電極の上に位置する第１部分と、圧電体層がチタン層を介して基体の上に位置する第２部分と、を有するように行われることができる。
図３に示すように、まず、基体１０を準備し、基体１０の上に、下部電極１２を形成する。下部電極１２は、例えば、スパッタ法、めっき法などにより形成される。なお、下部電極１２の形成に先立ち、基体１０上にチタン層やジルコニウム層あるいはそれらの酸化物（図示せず）を形成してもよい。これらの層は、スパッタ法などにより形成され、厚さは、特に限定されないが、３０ｎｍ以上とするのが好ましい。基体１０上にチタン層やジルコニウム層あるいはそれらの酸化物を設けることで、基体１０と下部電極１２との密着性を向上させることができる。
図４に示すように、下部電極１２を所定形状にパターニングする。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。
図５に示すように、基体１０上および下部電極１２上にチタン層１４を形成する。チタン層１６は、例えば、スパッタ法などにより形成される。チタン層１４の厚みは、例えば、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることができる。チタン層１４の厚みを、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることで、圧電体層１６は優先的に（１００）に配向し、圧電素子１００は、良好な圧電特性を有することができる。
図６に示すように、チタン層１４上に接するように圧電体層１６を形成する。圧電体層１６は、例えば、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法、スパッタ法、レーザーアブレーション法などにより形成される。ゾルゲル法においては、圧電体原材料を塗布して乾燥する塗布乾燥工程を複数回繰り返し、いずれかの塗布乾燥工程の後に、圧電体原料の結晶化を行う結晶化アニール工程を少なくとも１回行うようにすることができる。塗布乾燥工程の繰り返しは、合計の厚みが所望の膜厚となるまで行う。
図７に示すように、圧電体層１６上に上部電極１８を形成する。上部電極１８は、例えば、スパッタ法などにより形成される。
図１に示すように、少なくとも、上部電極１８および圧電体層１６を所定形状にパターニングする。チタン層１４は、例えば、上部電極１８および圧電素子１６のパターニングと同時に、パターニングされることができる。パターニングは、圧電体層１６がチタン層１４を介して下部電極１８の上に位置する第１部分１６ａと、圧電体層１６がチタン層１４を介して基体１０の上に位置する第２部分１６ｂと、を有するように行われることができる。該パターニングは、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。上部電極１８、圧電体層１６およびチタン層１４は、各層の形成ごとにパターニングされることもできるし、複数層の形成後に一括してパターニングされることもできる。
以上の工程によって、本実施形態に係る圧電素子１００を製造することができる。
本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法によれば、基体１０および下部電極１２と、圧電体層１６の間に、チタン層１４が形成される。これにより、圧電体層１６は、全体的にグレインサイズが小さく均一となり、信頼性の高い圧電素子を得ることができる。チタン層１４が形成されないと、基体１０の上方の圧電体層１６は、グレインサイズが大きく、下部電極１２の上方の圧電体層１６は、グレインサイズが小さくなる。その結果、グレインサイズが異なる界面に応力が集中し、圧電体層１６は、機械的強度が低下して破損しやすくなるが、本実施形態によれば、このような問題は解消できる。
本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法によれば、チタン層１４の厚さを、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることができる。これにより、圧電体層１６は優先的に（１００）に配向し、圧電素子１００は、良好な圧電特性を有することができる。
３．実施例
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明は、これらに限定されない。
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明は、これらに限定されない。
（１）実施例に係る圧電素子の製造方法
実施例に係る圧電素子のサンプルは、以下のようにして得た。
実施例に係る圧電素子のサンプルは、以下のようにして得た。
シリコン基板上に、厚さ１μｍのシリコン酸化膜層および厚さ４００ｎｍの酸化ジルコニウム層が形成された基体１０を準備した。シリコン酸化膜層は、熱酸化炉で形成されたものである。酸化ジルコニウム層は、スパッタ法で形成されたものである。
基体１０上に、チタンと白金とイリジウムの積層構造からなる厚さ１５０ｎｍの下部電極１２を形成した。下部電極１２は、スパッタ法で形成されたものである。下部電極１２をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、所定の形状にパターニングした。
基体１０および下部電極１２上に、チタン層１４を形成した。チタン層１４は、スパッタ法で形成されたものである。チタン層１４は、厚さを変えて複数のサンプルを形成した。
チタン層１４上に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ５０，Ｔｉ５０）Ｏ３：ＰＺＴ）膜からなる圧電体層１６を形成した。ゾルゲル原料をチタン層１４上にスピン塗布によって塗布し、塗膜を１５０℃で乾燥させた後、４００℃で脱脂熱処理を行った。この塗布、乾燥、脱脂の工程を３回繰り返し、ＲＴＡ法により７００℃で３層一括で焼成した。さらに、塗布、乾燥、脱脂を３回繰り返した後に１回焼成する工程を４回繰り返し、厚さ１μｍのＰＺＴ層を得た。
ＰＺＴ膜から構成される圧電体層１６上に、イリジウムからなる厚さ５０ｎｍの上部電極１８を形成した。上部電極１８は、スパッタ法で形成されたものである。
上部電極１８、ＰＺＴ膜から構成される圧電体層１６およびチタン層１４を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、所定の形状にパターニングした。
（２）ＰＺＴ膜のグレインサイズ
上述の方法で製造した圧電体層１６（ＰＺＴ膜）の表面のグレインサイズを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で評価した。なお、チタン層１４の厚さは、８ｎｍとした。
上述の方法で製造した圧電体層１６（ＰＺＴ膜）の表面のグレインサイズを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で評価した。なお、チタン層１４の厚さは、８ｎｍとした。
図８に、圧電素子の上部電極１８を形成する前の層構造の断面図を示した。同図中のＰＺＴ膜は、下部電極１２上にチタン層１４を介して形成された部分（領域Ａ）と、下部電極１２の端部上にチタン層１４を介して形成された部分（領域Ｂ）と、基体１０上にチタン層１４を介して形成された部分（領域Ｃ）と、を有する。なお、領域Ａ、領域Ｃは、それぞれ、図１および図２における、第１部分１６ａ、第２部分１６ｂに相当する。
図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、それぞれ図８の領域Ａ、Ｂ、ＣにおけるＰＺＴ膜の表面形態を示した。倍率は、１００ｋ倍である。また、チタン層１４がＰＺＴ膜の表面形態に与える影響を評価するため、図１０（Ｃ１）、（Ｃ２）に、それぞれ、チタン層１４を介して、基体１０上に形成されたＰＺＴ膜の表面形態と、チタン層１４を介することなく、基体１０上に形成されたＰＺＴ膜の表面形態を示した。倍率は、５０ｋ倍である。すなわち、図９（Ｃ）と図１０（Ｃ１）は、同一のＰＺＴ膜の表面形態で、倍率が異なっている。
図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、いずれも１００ｎｍないし２００ｎｍに区画された形態が認められた。同様に、図１０（Ｃ１）も、１００ｎｍないし２００ｎｍに区画された形態が認められた。一方、図１０（Ｃ２）は、３μｍないし５μｍ程度に区画された形態が認められた。各区画は、結晶粒（グレイン）を示している。すなわち、チタン層１４を介して形成されたＰＺＴ膜のグレインサイズは、全ての領域で小さく、かつ均一であり、チタン層１４を介することなく、基体１０上に形成されたＰＺＴ膜のグレインサイズは、大きくなることが確認された。
以上の結果から、本実施例のサンプルでは、下部電極１２上および基体１０上のいずれにおいても、グレインサイズの小さく、かつ均一なＰＺＴ膜を得ることができることが確認された。
（３）ＰＺＴ膜の配向度
上述の方法で製造した圧電体層１６（ＰＺＴ膜）について、チタン層１４の厚さの変化に対するＰＺＴ膜の（１００）面と(１１０)面の配向度[％]を、Ｘ線回折広角測定法で測定した。測定結果を図１１に示した。ここで、配向度とは、ＰＺＴ膜の（ＸＹＺ）面の反射強度をＩ（ＸＹＺ）とすると、
Ｉ（ＸＹＺ）／｛Ｉ（１００）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１）｝
で表されるものとする。なお、ＰＺＴ膜が（１００）に配向すると、圧電素子１００は良好な圧電特性を示す。
上述の方法で製造した圧電体層１６（ＰＺＴ膜）について、チタン層１４の厚さの変化に対するＰＺＴ膜の（１００）面と(１１０)面の配向度[％]を、Ｘ線回折広角測定法で測定した。測定結果を図１１に示した。ここで、配向度とは、ＰＺＴ膜の（ＸＹＺ）面の反射強度をＩ（ＸＹＺ）とすると、
Ｉ（ＸＹＺ）／｛Ｉ（１００）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１）｝
で表されるものとする。なお、ＰＺＴ膜が（１００）に配向すると、圧電素子１００は良好な圧電特性を示す。
図１１に示すように、（１００）面の配向度は、チタン層１４の厚さと単調増加の関係にあり、チタン層１４の厚さが、５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で、５０％〜約１００％であることが確認された。
４．液体噴射ヘッド
次に、上述した圧電素子がアクチュエータとして機能している液体噴射ヘッドについて説明する。
次に、上述した圧電素子がアクチュエータとして機能している液体噴射ヘッドについて説明する。
図１２は、本実施に係る液体噴射ヘッド２００の要部を概略的に示す断面図である。図１３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の分解斜視図である。なお、図１３は、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液体噴射ヘッド２００は、図１２に示すように、ノズルプレート２６と、基板２０と、アクチュエータ１５０と、を含む。アクチュエータ１５０は、基板２０の上に形成された振動板２４と、振動板２４の上に形成された圧電素子の振動部１１０と、を含む。圧電素子の振動部１１０は、下部電極１２と、チタン層１４と、圧電体層１６と、上部電極１８と、を含む。なお、図１３において、圧電素子の振動部１１０の各層の図示は、省略されている。
液体噴射ヘッド２００は、図１３に示すように、さらに、筐体２５を有する。筐体２５に、ノズルプレート２６、基板２０、振動板２４および圧電素子の振動部１１０が収納される。筐体２５は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いて形成される。
ノズルプレート２６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ある。ノズルプレート２６には、液滴を吐出するための多数のノズル穴２８が一列に配置されている。ノズルプレート２６には、基板２０が固定されている。基板２０は、ノズルプレート２６と振動板２４との間の空間を区画して、リザーバ２１、供給口２３および複数の流路２２を形成する。リザーバ２１は、液体カートリッジ（図示せず）から供給される液体を一時的に貯留する。供給口２３によって、リザーバ２１から各流路２２へ液体が供給される。
流路２２は、図１２および図１３に示すように、各ノズル穴２８に対応して配設されている。ノズル穴２８は、流路２２と連続している。流路２２は、振動板２４の振動によってそれぞれ容積可変になっている。この容積変化によって、流路２２から液体が吐出される。
振動板２４の所定位置には、図１３に示すように、振動板２４の厚さ方向に貫通した貫通孔２７が形成されている。貫通孔２７によって、液体カートリッジからリザーバ２１へ液体が供給される。
圧電素子の振動部１１０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作動（振動、変形）することができる。振動板２４は、圧電素子の振動部１１０の振動（たわみ）によって振動し、流路２２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
アクチュエータ１５０の製造方法および液体噴射ヘッド２００の製造方法において、下部電極１２、チタン層１４、圧電体層１６および上部電極１８のそれぞれは、上述した実施形態に係る下部電極１２、チタン層１４、圧電体層１６および上部電極１８の製造方法を用いて形成される。また、液体噴射ヘッド２００の製造方法は、基板２０上に振動板２４を形成する工程と、基板２０に流路２２を形成する工程と、基板２０の下にノズルプレート２６を形成する工程と、を含む。振動板２４、流路２２およびノズルプレート２６は、公知の方法により形成される。
本実施形態に係る圧電素子の振動部１１０は、上述のように、簡易なプロセスにより、信頼性が高く、かつ圧電特性が良好である。これにより、信頼性が高く、特性の良好なアクチュエータ１５０および液体噴射ヘッド２００を提供することができる。
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、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
１０ 基体、１２ 下部電極、１４ チタン層、１６ 圧電体層、１８ 上部電極、
２０ 基板、２１ リザーバ、２２ 流路、２３ 供給口、２４ 振動板、２５ 筐体、２６ ノズルプレート、２７ 貫通孔、２８ノズル穴、１００ 圧電素子、１１０ 圧電素子の振動部、１５０ アクチュエータ、２００ 液体噴射ヘッド
２０ 基板、２１ リザーバ、２２ 流路、２３ 供給口、２４ 振動板、２５ 筐体、２６ ノズルプレート、２７ 貫通孔、２８ノズル穴、１００ 圧電素子、１１０ 圧電素子の振動部、１５０ アクチュエータ、２００ 液体噴射ヘッド
Claims (7)
- 基体の上方にパターニングされた下部電極を形成する工程と、
前記基体および前記下部電極の上にチタン層を形成する工程と、
前記チタン層の上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、
少なくとも、前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程と、を含み、
前記上部電極および前記圧電体層をパターニングする工程は、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記圧電体層が前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有するように行われる、圧電素子の製造方法。 - 請求項１において、
前記チタン層を形成する工程は、該チタン層の厚さが５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下となるように行われる、圧電素子の製造方法。 - 基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記基体および前記下部電極の上に形成されたチタン層と、
前記チタン層の上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、
前記圧電体層は、前記チタン層を介して前記下部電極の上に位置する第１部分と、前記チタン層を介して前記基体の上に位置する第２部分と、を有する、圧電素子。 - 請求項３において、
前記圧電体層は、平面視において、前記第２部分から前記第１部分に向かう方向を第１の方向としたとき、前記第２部分が、前記第１部分の前記第１の方向における少なくとも一方の端部と連続するように設けられた圧電素子。 - 請求項３または４において、
前記チタン層の厚さは、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である、圧電素子。 - 請求項３ないし５のいずれかに記載の圧電素子を含み、
前記基体が振動板を有する、アクチュエータ。 - 請求項６に記載のアクチュエータと、
前記基体に形成された流路と、
前記基体の下方に形成された、前記流路に連続するノズル穴を有するノズルプレートと、を含む、液体噴射ヘッド。
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