JP7835103B2 - 圧電素子の製造方法、圧電素子および液滴吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の製造方法、圧電素子および液滴吐出ヘッドに関する。

圧電素子を用いたデバイスの一つである液滴吐出ヘッドとしては、例えば、特許文献１に記載のインクジェットプリンターに用いられる液滴噴射ヘッドが知られている。
液滴噴射ヘッドは、ノズルに連通する圧力室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧電素子と、を備え、圧電素子によって圧力室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を吐出する。
また、圧電素子は、圧電体層の結晶配向を制御するために、第１電極と圧電体層との間に、第１電極を覆うように形成された配向制御層を有する。
特許文献１において、配向制御層は、配向制御層の前駆体溶液を滴下するインクジェット方式によって形成されている。

特開２０１２－８９６００号公報

配向制御層の膜厚を厚くする場合、第１電極と第２電極との間に配置される圧電体層の厚さが、相対的に薄くなってしまうため、圧電素子の圧電特性が低下するおそれがある。
他方、配向制御層の膜厚を薄くする場合、配向制御層を、液相法によって形成すると、第１電極の端の角部が、薄くなり過ぎたり、成膜されなかったりするおそれがあった。
そして、第１電極の端の角部に配向制御層が成膜されない場合、圧電体層が意図しない結晶方位に成長するおそれがあり、圧電体層にクラックなどの不具合が発生し、圧電特性が低下するおそれがあった。

本発明の一態様に係る圧電素子の製造方法は、基板に第１導電膜を形成する工程と、前記第１導電膜をエッチングする工程と、前記第１導電膜上に第２導電膜を形成する工程と、前記第２導電膜をエッチングして、端部に前記第２導電膜と前記第１導電膜とからなる段差を有する第１電極を形成する工程と、前記第１電極を覆う配向制御層を、液相法によって形成する工程と、前記配向制御層上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜をエッチングして、圧電体を形成する工程と、前記圧電体を覆う第２電極を形成する工程と、を含む。

本発明の一態様に係る圧電素子の製造方法は、基板に第１導電膜を形成する工程と、前記第１導電膜の端部に段差を有するようにエッチングして、第１電極を形成する工程と、前記第１電極を覆う配向制御層を形成する工程と、前記配向制御層上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜をエッチングして、圧電体を形成する工程と、前記圧電体を覆う第２電極を形成する工程と、を含む。

本発明の一態様に係る圧電素子は、第１電極と、前記第１電極上に設けられた配向制御層と、前記配向制御層上に設けられ、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体と、前記圧電体上に設けられた第２電極と、を備え、前記第１電極は、平坦領域と傾斜領域とを有し、前記第１電極は、前記平坦領域と前記傾斜領域との間に段差領域を有する。

本発明の一態様に係る液滴吐出ヘッドは、前述の圧電素子と、前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加部と、前記圧電素子によって容積が変化する圧力室が設けられた圧力室基板と、前記圧力室に連通する連通流路が設けられた流路基板と、前記連通流路に連通するノズルが設けられたノズルプレートと、を含む。

液滴吐出装置の概略構成を示す模式図。 液滴吐出ヘッドの分解斜視図。 図２のIII－III線断面図。 圧電素子の平面図。 図４のＶ－Ｖ線断面図。 図５の領域VIの拡大断面図。 図６の領域VIIの拡大断面図。 図７の実施形態２に係る第１電極の拡大断面図。 圧電素子の製造方法１に係るフローチャート。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 製造方法１の一工程を示す断面図。 圧電素子の製造方法２に係るフローチャート。 製造方法２の一工程を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
各図面では、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際と異ならせている場合がある。
また、各図面には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜表記し、Ｘ軸に沿う方向をＸ方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ方向とする。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向の向きを特定する場合には、正の方向を「＋」、負の方向を「－」として、方向表記に正負の符合を併用する。

また、本実施形態では、Ｘ軸とＹ軸とを含む面をＸＹ面とすると、ＸＹ面をＺ方向に見ることを平面視あるいは平面的といい、Ｚ軸を含む断面に対して垂直方向から見ることを断面視あるいは断面的という。
さらに、以下の説明において、例えば「要素Ｂは、要素Ａ上に設けられる」との記載は、要素Ｂが要素Ａに接して設けられる場合、要素Ｂが要素Ａとの間に他の要素Ｃ等を介して設けられる場合、または要素Ｂの一部が要素Ａに接して設けられ、要素Ｂの残り部分が要素Ａと間に他の要素Ｃ等を介して設けられる場合、のいずれかを表すものとする。
また、以下の説明において、記載された各構成の具体的な寸法は、いずれも好適な適用例を示すが、本発明の構成は、記載された寸法に限定されるものではない。

１．液滴吐出装置の構成
液滴吐出装置１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態における液滴吐出装置の概略構成を示す模式図である。
液滴吐出装置１００は、液体としてのインクの液滴を媒体１２に対して吐出することによって印刷を行うインクジェット方式の印刷装置である。
媒体１２は、印刷用紙の他、樹脂フィルムや布等の任意の材質の印刷対象を採用可能である。

液滴吐出装置１００は、液滴吐出ヘッド２６と、ヘッド移動機構２０と、液体収容部１４と、搬送機構１６と、制御部８０とを備える。
液滴吐出ヘッド２６の移動方向である主走査方向は、Ｘ方向であり、媒体１２の送り方向である副走査方向は、Ｙ方向であり、液滴吐出ヘッド２６のインクの吐出方向は、－Ｚ方向である。

液体収容部１４は、液滴吐出ヘッド２６に供給するインクを収容する。
液体収容部１４としては、可撓性フィルムで形成された袋状の液体パックや、インク補充が可能なインクタンク、脱着可能なインクカートリッジなどが利用可能である。

液滴吐出ヘッド２６は、インクを吐出するための複数のノズルＮを有する。
複数のノズルＮは、Ｙ方向に配列されている。液滴吐出ヘッド２６は、液体収容部１４から供給されるインクを、複数のノズルＮから媒体１２に向けて吐出する。

ヘッド移動機構２０は、搬送ベルト２１と、液滴吐出ヘッド２６を収容するキャリッジ２２とを備える。
キャリッジ２２は、搬送ベルト２１と接続されており、搬送ベルト２１の駆動に伴ってＸ方向に往復動される。
搬送機構１６は、媒体１２をＹ方向に搬送する。

制御部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液滴吐出装置１００の全体の動作を制御する。
制御部８０は、搬送機構１６、ヘッド移動機構２０、および液滴吐出ヘッド２６と電気的に接続されており、各部を制御する。制御部８０の制御によって、搬送機構１６は、媒体１２を搬送し、液滴吐出ヘッド２６は、ノズルＮからインクを吐出することで、媒体１２に所望の画像が印刷される。

２．液滴吐出ヘッドの構成
次に、液滴吐出ヘッド２６の構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は、液滴吐出ヘッド２６の分解斜視図であり、図３は、図２のIII－III線断面図である。
図２に示すように、液滴吐出ヘッド２６は、ノズルプレート６２と、２つの吸振体６４と、流路基板３２と、圧力室基板３４と、基板としての振動板３６と、配線基板４６と、電圧印加部としての駆動回路５０と、筐体部４８とを有する。

ノズルプレート６２、吸振体６４、流路基板３２、圧力室基板３４、振動板３６、および配線基板４６は、Ｙ方向に長尺な板状部材である。
ノズルプレート６２、流路基板３２、圧力室基板３４、および振動板３６は、Ｘ方向におけるそれぞれの中心線に対して、略線対称な構造を有している。

圧力室基板３４、振動板３６、および配線基板４６の平面形状の大きさは、流路基板３２および筐体部４８の平面形状の大きさよりも小さい。
ノズルプレート６２および２つの吸振体６４、流路基板３２、圧力室基板３４、振動板３６、配線基板４６、および筐体部４８は、例えば、接着剤を介して、組み合わされている。

ノズルプレート６２は、複数のノズルＮが形成された板状部材である。ノズルＮは、平面形状が略円形の貫通孔である。複数のノズルＮは、Ｙ方向に沿って配列されている。複数のノズルＮは、Ｘ方向に、２列に配列されている。
２つの吸振体６４は、可撓性のフィルムであり、ノズルプレート６２を挟んで、Ｘ方向に配置される。

流路基板３２は、２つの第１開口部３２ａと、複数の第２開口部３２ｂと、複数の第３開口部３２ｃとを有する。
第１開口部３２ａの形状は、平面視で、Ｙ方向に長尺な矩形である。
複数の第２開口部３２ｂは、Ｙ方向に配列されている。
複数の第３開口部３２ｃは、Ｙ方向に配列されている。
流路基板３２のＸ方向には、第１開口部３２ａ、第２開口部３２ｂ、第３開口部３２ｃ、第３開口部３２ｃ、第２開口部３２ｂ、および第１開口部３２ａが、この順に設けられている。また、Ｘ方向に隣り合う第２開口部３２ｂと第３開口部３２ｃとは、Ｙ方向における位置が略同一となるように設けられている。

圧力室基板３４には、複数の開口部３４ａが形成されている。
開口部３４ａの形状は、平面視で、Ｘ方向に長尺な矩形である。
複数の開口部３４ａは、Ｙ方向およびＸ方向に隣り合って配列されている。また、開口部３４ａは、平面視で、流路基板３２の隣り合う第２開口部３２ｂおよび第３開口部３２ｃと、重なる位置に設けられている。

振動板３６上には、圧電素子４４が設けられている。圧電素子４４は、平面視で、圧力室基板３４の開口部３４ａと、重なる位置に設けられる。開口部３４ａは、後述する圧力室の一部を構成する。

駆動回路５０は、圧電素子４４を駆動する。駆動回路５０は、圧電素子４４を駆動するための駆動信号および基準電圧を出力するＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現される。駆動回路５０は、配線基板４６に実装されている。

配線基板４６には、駆動回路５０への入力信号および駆動回路５０から出力される駆動信号および基準電圧のための端子や配線が設けられている。

図３に示すように、配線基板４６の端子は、バンプＢおよび振動板３６上の配線を介して、圧電素子４４と接続される。また、配線基板４６の端子には、図示しないＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）などが接続され、駆動回路５０への入力信号が供給される。

筐体部４８は、基板やインクを収容するケースである。筐体部４８の内部空間には、圧力室基板３４、振動板３６、および配線基板４６が配置される。
筐体部４８のＸ方向における両端には、貫通孔４８ａと、貫通孔４８ａに連通するとともに、Ｙ方向に延びる空間Ｒｂが設けられている。筐体部４８の空間Ｒｂは、インクを貯留する液体貯留室の一部を構成する。

流路基板３２には、空間Ｒａ、供給液室２６ａ、および供給流路２６ｂが設けられる。
空間Ｒａは、流路基板３２の第１開口部３２ａの内部空間であり、供給流路２６ｂは、第２開口部３２ｂの内部空間である。供給液室２６ａは、空間Ｒａと供給流路２６ｂとに連通する空間であり、流路基板３２の隔壁３２ｄと吸振体６４とによって、囲まれた空間である。

圧力室基板３４には、圧力室Ｃが設けられる。
圧力室Ｃは、圧力室基板３４の開口部３４ａと振動板３６と流路基板３２とによって囲まれた空間である。圧力室Ｃは、供給流路２６ｂと流路基板３２の連通流路２６ｃとに連通している。
連通流路２６ｃは、第３開口部３２ｃの内部空間である。連通流路２６ｃは、圧力室Ｃおよびノズルプレート６２のノズルＮと連通している。

空間Ｒａおよび空間Ｒｂは、圧力室Ｃに供給されるインクを貯留する液体貯留室として機能する。
空間Ｒｂは、Ｙ方向に並ぶ複数の空間Ｒａと連通しており、貫通孔４８ａを介して供給されるインクは、空間Ｒｂを介して、複数の空間Ｒａに貯留される。
空間Ｒａに貯留されているインクは、供給液室２６ａおよび供給流路２６ｂを流通して圧力室Ｃに供給される。

圧力室Ｃと＋Ｚ方向に重なる位置に圧電素子４４が配置される。
２つの圧電素子４４を覆うように、配線基板４６と駆動回路５０とが配置される。
圧電素子４４には、バンプＢを介して、配線基板４６を介して駆動回路５０から駆動信号および基準電圧が供給される。圧電素子４４に、駆動信号および基準電圧が入力されることによって、圧電素子４４が変形する。圧電素子４４の変形に連動して振動板３６が振動して、圧力室Ｃ内の圧力が変動することによって、インクがノズルＮから吐出される。

３．圧電素子の構成
次に、圧電素子４４の構成について、図４および図５を参照して説明する。図４は、圧電素子４４の平面図であり、図５は、図４のＶ－Ｖ線断面図である。
図４に示すように、圧電素子４４は、平面視で、Ｙ方向に配列された複数の圧力室Ｃと重なるように設けられている。圧電素子４４は、第１電極４４１と、配向制御層としてのシード層４４２と、圧電体４４３と、第２電極４４４とを有する。

第１電極４４１は、圧力室Ｃと一対一に対応して設けられる。第１電極４４１は、＋Ｘ方向へ引き出された配線に接続されており、バンプＢを介して、駆動回路５０と電気的に接続されている。
圧電体４４３は、隣り合う２つの第１電極４４１の間に、圧電体４４３が設けられていない貫通孔４４３ｂを有する。

図５は、１つの圧力室Ｃに対応して設けられた圧電素子４４の断面構成を示している。図５に示すように、圧電素子４４は、振動板３６上において、圧力室Ｃと重なる位置に設けられている。
振動板３６は、シリコン基板３６１と絶縁体層３６２とを有する。
圧電素子４４は、第１電極４４１と、シード層４４２と、圧電体４４３と、第２電極４４４とが、この順に振動板３６上に積層された構造を有する。ここで、圧電素子４４において、第１電極４４１、シード層４４２、圧電体４４３、および第２電極４４４が、Ｚ方向に重なる部分を、能動部４４０と称する。能動部４４０は、第１電極４４１と第２電極４４４との間に電圧が印加されると、圧電体４４３が変形する部分である。

絶縁体層３６２は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなる。
第１電極４４１は、チタン（Ｔｉ）層と白金（Ｐｔ）層とからなる。なお、第１電極４４１は、Ｔｉ層とＰｔ層との複数の層に限定されず、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料のうちの単層でもよく、これら金属材料のうち複数の層が積層されて形成されていてもよい。

シード層４４２は、後述する圧電体４４３を形成する工程において、圧電体４４３の配向を制御するための配向制御層として機能する。
シード層４４２の材料としては、例えば、多結晶のランタン酸ニッケル（ＬａＮｉＯ３）、または、ペロブスカイト型構造を有し、Ａサイトがビスマス（Ｂｉ）を含みＢサイトが鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含み、（１００）面に自己配向している複合酸化物、または、マンガン酸ビスマスを用いることができる。

圧電体４４３の材料としては、好適には、非鉛系圧電材料が用いられる。
非鉛系圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）ＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ３）、または、ビスマス（Ｂｉ）、Ｋ、Ｔｉ及び鉄（Ｆｅ）を含む複合酸化物（（Ｂｉ，Ｋ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３）、または、Ｂｉ、Ｆｅ、バリウム（Ｂａ）及びＴｉを含む複合酸化物（（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ３）、または、前述した複合酸化物にＭｎ、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を添加した複合酸化物（（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ，Ｍ）Ｏ３）（Ｍは、Ｍｎ、Ｃｏ又はＣｒ））を用いることができる。

第２電極４４４は、Ｉｒからなる。なお、第２電極４４４は、Ｉｒに限定されず、例えば、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属材料のうちの単層でもよく、これら金属材料のうち複数の層が積層されて形成されていてもよい。
第２電極４４４は、複数の能動部４４０に共通に設けられている。

第１電極４４１には、駆動信号として、駆動回路５０から能動部４４０毎に個別の電圧が印加され、第２電極４４４には、複数の能動部４４０に共通の電圧として、駆動回路５０から基準電圧が印加される。

４．第１電極の構成
次に、圧電素子４４の第１電極４４１の構成について、図６乃至図８を参照して説明する。第６および図７は、実施形態１に係る第１電極４４１を示し、図８は、実施形態２に係る第１電極４４１を示す。

４Ａ．実施形態１
図６は、図５の二点鎖線で示した領域VIの拡大断面図、図７は、図６の二点鎖線で示した領域VIIの拡大断面図である。
図６に示すように、実施形態１に係る第１電極４４１は、Ｙ方向の両端部に階段状の段差を有し、断面視で、２つの台形が上下に２段に重なったような形状を有する。
第１電極４４１は、上段の台形の上底に対応する平坦領域Ｆと、下段の台形の斜辺に対応する傾斜領域Ｔと、平坦領域Ｆと傾斜領域Ｔとの間の段差としての段差領域Ｓとを有する。

図７に示すように、段差領域Ｓは、さらに、上段の台形の斜辺に対応する副傾斜領域ＳＴと、下段の台形の上底に対応する副平坦領域ＳＦとを有する。

第１電極４４１上に設けられるシード層４４２の層厚において、平坦領域Ｆの法線方向の厚さを厚さＨ１とし、平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２の法線方向における厚さを厚さＨ２とし、副平坦領域ＳＦと傾斜領域Ｔとの間の角部Ｃ３の法線方向における厚さを厚さＨ３とした場合、角部Ｃ２の厚さＨ２は、平坦領域Ｆの厚さＨ１よりも薄い。同様に、角部Ｃ３の厚さＨ３は、平坦領域Ｆの厚さＨ１よりも薄い。
なお、シード層４４２の層厚において、厚さＨ２は、平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２に接する接線Ｌ２に垂直な方向の厚さであり、厚さＨ３は、副平坦領域ＳＦと傾斜領域Ｔとの間の角部Ｃ３に接する接線Ｌ３に垂直な方向の厚さである。

シード層４４２の膜厚が、角部Ｃ２および角部Ｃ３において、平坦領域Ｆよりも薄くなる理由は、シード層４４２が液相法によって形成されるからである。

液相法として、本実施形態では、シード層４４２を前駆体溶液から形成する溶液法を用いる。
溶液法では、シード層４４２の前駆体溶液を、第１電極４４１上にスピンコートする。スピンコートされたシード層４４２の前駆体溶液は、前駆体溶液の流動性によって、第１電極４４１の端の角部で流れやすく、前駆体溶液の液膜は、第１電極４４１の角部で薄くなる。そして、その後、加熱炉で焼成されて形成されるシード層４４２の膜厚も、第１電極４４１の角部で薄くなる。

本実施形態では、シード層４４２の前駆体溶液の液膜が、第１電極４４１の端の角部で薄くなり過ぎないように、第１電極４４１に段差領域Ｓを設けている。
よって、本実施形態１の構成によれば、第１電極４４１の角部Ｃ２，Ｃ３において、シード層４４２の前駆体溶液の液膜が、薄くなり過ぎることを抑制できる。
したがって、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生が回避される。

本実施形態では、シード層４４２の不具合が抑制されるため、シード層４４２の不具合に起因して生じる圧電体４４３の不具合の発生も抑制される。
よって、圧電体４４３が意図しない結晶方位に成長したり、圧電体４４３にクラックが生じたりすることが抑制されて、優れた圧電特性を有する圧電体４４３を設けることができる。

なお、本実施形態では、段差領域Ｓに、一組の副傾斜領域ＳＴと副平坦領域ＳＦとを設けた構成を示したが、段差領域Ｓに、二組以上の副傾斜領域ＳＴと副平坦領域ＳＦとを設けてもよい。換言すれば、段差領域Ｓに、複数段の段差を設ける構成としてもよい。

４Ｂ．実施形態２
図８は、実施形態２に係る第１電極４４１の拡大断面図である。
図８に示すように、実施形態２に係る第１電極４４１は、段差領域Ｓが、副傾斜領域ＳＴのみで構成される。第１電極４４１の副傾斜領域ＳＴと平坦領域Ｆとがなす角度θ１は、副傾斜領域ＳＴと傾斜領域Ｔとがなす角度θ２よりも小さい。

副傾斜領域ＳＴは、角度θ１と角度θ２とが、前述のような関係になるように設けられる。なお、副傾斜領域ＳＴは、段差領域Ｓに、実施形態１で示した副傾斜領域ＳＴと副平坦領域ＳＦとの組が、多数配置されて、換言すれば、階段状の段差が多数配置されて、傾斜状になっている場合であってもよい。

シード層４４２は、実施形態１と同様に、液相法によって形成される。よって、シード層４４２の膜厚は、平坦領域Ｆの法線方向の厚さＨ１よりも、平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２の法線方向における厚さＨ２の方が薄くなる。また、同様に、シード層４４２の膜厚は、平坦領域Ｆの法線方向の厚さＨ１よりも、副傾斜領域ＳＴと傾斜領域Ｔとの間の角部Ｃ４の法線方向における厚さＨ４の方が薄くなる。
なお、厚さＨ２は、平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２に接する接線Ｌ２に垂直な方向の厚さであり、厚さＨ４は、副傾斜領域ＳＴと傾斜領域Ｔとの間の角部Ｃ４に接する接線Ｌ４に垂直な方向の厚さである。

実施形態２の構成も実施形態１と同様に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生が、回避できる。
よって、実施形態１と同様に、圧電体４４３が意図しない結晶方位に成長したり、圧電体４４３にクラックが生じたりすることが抑制されて、優れた圧電特性を有する圧電体４４３を設けることができる。

５．圧電素子の製造方法
次に、圧電素子４４の製造方法について、図９乃至図１２を参照して説明する。図９および図１０Ａ乃至図１０Ｈは、製造方法１を説明する図面であり、図１１および図１２は、製造方法２を説明する図面である。

５Ａ．製造方法１
図９は、圧電素子の製造方法１に係るフローチャートであり、図１０Ａ乃至図１０Ｈは、それぞれ製造方法１の一工程を示す断面図である。

ステップＳ１では、図１０Ａに示すように、振動板３６上に第１電極４４１を構成する第１導電膜４４１ａを形成する。第１導電膜４４１ａの形成には、例えば、スパッタリング法や蒸着法を用いることができる。

ステップＳ２では、図１０Ｂに示すように、第１導電膜４４１ａをエッチングして、第１電極４４１の下段の台形に対応する部分をパターニングする。第１電極４４１の下段の台形の下底、すなわち、Ｙ方向の長さは、例えば、５０μｍである。また、第１導電膜４４１ａのパターニングには、例えば、フォトリソグラフィ法を用いることができる。

ステップＳ３では、図１０Ｃに示すように、パターニングした第１導電膜４４１ａ上に、第２導電膜４４１ｂを形成する。
ステップＳ４では、図１０Ｄに示すように、第２導電膜４４１ｂをエッチングして、第１電極４４１の上段の台形に対応する部分をパターニングする。

ステップＳ４によって、振動板３６上に、第１導電膜４４１ａと第２導電膜４４１ｂとの２層構造からなる第１電極４４１が形成される。第１電極４４１は、上段の台形に対応する第２導電膜４４１ｂにおいて、上底に対応する平坦領域Ｆと、下段の台形に対応する第１導電膜４４１ａにおいて、斜辺に対応する傾斜領域Ｔと、第２導電膜４４１ｂの平坦領域Ｆと第１導電膜４４１ａの傾斜領域Ｔとの間の段差領域Ｓとを有する。

第１電極４４１の段差領域ＳのＹ方向の長さは、約５０ｎｍである。また、第１導電膜４４１ａの膜厚、すなわち、Ｚ方向の長さは、約５０ｎｍであり、第２導電膜４４１ｂの膜厚は、約５０ｎｍである。よって、段差領域Ｓの副平坦領域ＳＦは、第１電極４４１の膜厚の約５割の高さに位置する。なお、副平坦領域ＳＦは、第１電極４４１の膜厚の約３～７割の高さに位置すればよい。また、段差領域Ｓに、複数の段差を設ける場合、すなわち、段差領域Ｓに複数の副平坦領域ＳＦが設けられる場合は、副平坦領域ＳＦの数に応じて、各副平坦領域ＳＦを、第１電極４４１の膜厚の適当な高さの位置に設ければよい。

ステップＳ５では、図１０Ｅに示すように、第１電極４４１上にシード層４４２を液相法で形成する。ステップＳ５では、第１電極４４１上に、図示しないシード層４４２の前駆体溶液をスピンコートして、第１電極４４１上に前駆体溶液の液膜を形成する。その後、加熱炉で焼成して、シード層４４２を形成する。

上述したように、シード層４４２の膜厚は、平坦領域Ｆにおける厚さＨ１よりも、角部Ｃ２における厚さＨ２の方が薄くなる。同様に、シード層４４２の膜厚は、平坦領域Ｆにおける厚さＨ１よりも、角部Ｃ３における厚さＨ３の方が薄くなる。
しかし、第１電極４４１は、平坦領域Ｆと傾斜領域Ｔとの間に段差領域Ｓを有するため、第１電極４４１の角部Ｃ２，Ｃ３において、シード層４４２が成膜されない、ということを回避できる。さらには、シード層４４２の厚さＨ２，Ｈ３が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなることも回避できる。

ステップＳ６では、図１０Ｆに示すように、シード層４４２上に圧電体４４３を構成する圧電体膜４４３ａを形成する。圧電体膜４４３ａは、シード層４４２と同様の方法で形成することができる。なお、圧電体膜４４３ａは、複数層で構成されてもよい。複数層からなる圧電体膜４４３ａは、スピンコートから焼成までの工程を複数回繰り返すことで形成することができる。

ステップＳ７では、図１０Ｇに示すように、圧電体膜４４３ａをエッチングして、圧電体４４３を形成する。
ステップＳ８では、図１０Ｈに示すように、圧電体４４３上に、第２電極４４４を形成する。

５Ｂ．製造方法２
図１１は、圧電素子の製造方法２に係るフローチャートであり、図１２は、製造方法２の一工程を示す断面図である。製造方法２では、第１導電膜４４１ａをエッチングして、第１電極４４１を形成する。

ステップＳ１１では、振動板３６上に第１電極４４１を構成する第１導電膜４４１ａを形成する。

ステップＳ１２では、第１導電膜４４１ａをエッチングして、第１導電膜４４１ａの端部に段差を有する第１電極４４１をパターニングする。ステップＳ１２によって、第１電極４４１は、図１２に示すように、平坦領域Ｆと段差領域Ｓと傾斜領域Ｔとを有する形状にパターニングされる。

ステップＳ１２は、２つの工程を含む。１つ目の工程では、第１導電膜４４１ａをパターニングする。２つ目の工程では、第１電極４４１の端部をエッチングして、段差領域Ｓを形成する。
このように製造方法２では、第２導電膜４４１ｂを形成する工程がないため、製造方法１よりも少ない工程で、段差領域Ｓを有する第１電極４４１を形成することができる。

ステップＳ１３では、第１電極４４１上にシード層４４２を液相法で形成する。
ステップＳ１４では、シード層４４２上に圧電体４４３を構成する圧電体膜４４３ａを形成する。
ステップＳ１５では、圧電体膜４４３ａをエッチングして、圧電体４４３を形成する。
ステップＳ１６では、圧電体４４３上に、第２電極４４４を形成する。

５Ｃ．製造方法２の変形例１
次に製造方法２の変形例１について説明する。
変形例１では、製造方法２のステップＳ１２において、ハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法を用いる。ハーフトーンマスクを用いることで、第１導電膜４４１ａ上に、２種類の厚さのレジストを形成することができる。よって、１回のエッチングで、段差領域Ｓを有する第１電極４４１をパターニングすることができる。

このように製造方法２の変形例１では、第１導電膜４４１ａをエッチングする工程が１回で済むため、製造方法２よりも少ない工程で、段差領域Ｓを有する第１電極４４１を形成することができる。

５Ｄ．製造方法２の変形例２
次に製造方法２の変形例２について説明する。
変形例２では、製造方法２のステップＳ１２において、グラデーションマスクを用いたフォトリソグラフィ法を用いる。グラデーションマスクを用いることで、第１導電膜４４１ａ上に、テーパー形状を有するレジストを形成することができる。よって、１回のエッチングで、図８に示した段差領域Ｓを有する第１電極４４１をパターニングすることができる。

このように製造方法２の変形例２では、第１導電膜４４１ａをエッチングする工程が１回で済むため、製造方法２よりも少ない工程で、図８に示した段差領域Ｓを有する第１電極４４１を形成することができる。

以上、述べたとおり、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明の一態様に係る圧電素子４４の製造方法は、基板としての振動板３６に第１導電膜４４１ａを形成する工程と、第１導電膜４４１ａをエッチングする工程と、第１導電膜４４１ａ上に第２導電膜４４１ｂを形成する工程と、第２導電膜４４１ｂをエッチングして、端部に第２導電膜４４１ｂと第１導電膜４４１ａとからなる段差としての段差領域Ｓを有する第１電極４４１を形成する工程と、第１電極４４１を覆う配向制御層としてのシード層４４２を、液相法によって形成する工程と、シード層４４２上に圧電体膜４４３ａを形成する工程と、圧電体膜４４３ａをエッチングして、圧電体４４３を形成する工程と、圧電体４４３を覆う第２電極４４４を形成する工程と、を含む。

このように本実施形態では、段差領域Ｓを有する第１電極４４１を設ける工程を含む。
よって、シード層４４２を液相法によって形成する工程において、第１電極４４１の角部Ｃ２，Ｃ３において、シード層４４２の前駆体溶液の液膜が、薄くなり過ぎることを抑制できるので、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生が回避される。

本実施形態では、シード層４４２の不具合が抑制されるため、圧電体膜４４３ａを形成する工程において、シード層４４２の不具合に起因して生じる圧電体４４３の不具合の発生も抑制される。
よって、圧電体４４３が意図しない結晶方位に成長したり、圧電体４４３にクラックが生じたりすることが抑制されて、優れた圧電特性を有する圧電体４４３を設けることができる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４の製造方法は、基板としての振動板３６に第１導電膜４４１ａを形成する工程と、第１導電膜４４１ａの端部に段差としての段差領域Ｓを有するようにエッチングして、第１電極４４１を形成する工程と、第１電極４４１を覆う配向制御層としてのシード層４４２を形成する工程と、シード層４４２上に圧電体膜４４３ａを形成する工程と、圧電体膜４４３ａをエッチングして、圧電体４４３を形成する工程と、圧電体４４３を覆う第２電極４４４を形成する工程と、を含む。

このように本実施形態では、段差領域Ｓを有する第１電極４４１を設ける工程を含む。
よって、シード層４４２を形成する工程において、第１電極４４１の角部Ｃ２，Ｃ３において、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生が回避される。

本実施形態では、シード層４４２の不具合が抑制されるため、圧電体膜４４３ａを形成する工程において、シード層４４２の不具合に起因して生じる圧電体４４３の不具合の発生も抑制される。
よって、圧電体４４３が意図しない結晶方位に成長したり、圧電体４４３にクラックが生じたりすることが抑制されて、優れた圧電特性を有する圧電体４４３を設けることができる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４の製造方法は、さらに、第１電極４４１を形成する工程は、第１導電膜４４１ａをパターニングする工程と、第１導電膜４４１ａに段差を形成する工程と、を含む。
よって、本実施形態の圧電素子４４の製造方法によれば、第１導電膜４４１ａから段差領域Ｓを有する第１電極４４１を形成することができるため、製造コスト削減や製造時間短縮等の工程数削減による効果を享受することができる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４の製造方法は、さらに、第１電極４４１を形成する工程は、ハーフトーンマスクを用いて、第１導電膜４４１ａに段差を形成する工程を含む。
よって、本実施形態の圧電素子４４の製造方法によれば、段差領域Ｓを有する第１電極４４１を少ない工程で形成することができるため、製造コスト削減や製造時間短縮等の工程数削減による効果を享受することができる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４は、第１電極４４１と、第１電極４４１上に設けられた配向制御層としてのシード層４４２と、シード層４４２上に設けられ、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体４４３と、圧電体４４３上に設けられた第２電極４４４と、を備え、第１電極４４１は、平坦領域Ｆと傾斜領域Ｔとを有し、第１電極４４１は、平坦領域Ｆと傾斜領域Ｔとの間に段差領域Ｓを有する。

このように、圧電体４４３は、カリウムとナトリウムとニオブとを含む材料から構成される。換言すれば、圧電体４４３は、非鉛系圧電材料から構成される。さらには、第１電極４４１は、平坦領域Ｆと傾斜領域Ｔとの間に段差領域Ｓを有する。
よって、シード層４４２を非鉛系圧電材料で形成したとしても、第１電極４４１の端部の角部に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生を回避できる。

本実施形態では、シード層４４２の不具合が抑制されるため、シード層４４２の不具合に起因して生じる圧電体４４３の不具合の発生も抑制される。
よって、圧電体４４３が意図しない結晶方位に成長したり、圧電体４４３にクラックが生じたりすることが抑制されて、優れた圧電特性を有する圧電体４４３を設けることができる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４は、さらに、第１電極４４１の段差領域Ｓは、副傾斜領域ＳＴと副平坦領域ＳＦとを有し、副傾斜領域ＳＴは、平坦領域Ｆと副平坦領域ＳＦとの間に配置され、副平坦領域ＳＦは、副傾斜領域ＳＴと傾斜領域Ｔとの間に配置される。
よって、第１電極４４１の端部の角部に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生を回避できる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４は、さらに、配向制御層としてのシード層４４２の膜厚は、平坦領域Ｆの法線方向における厚さＨ１よりも、平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２の法線方向における厚さＨ２の方が薄い。
よって、第１電極４４１の端部の角部に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生を回避できる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４は、さらに、第１電極４４１の段差領域Ｓは、副傾斜領域ＳＴを有し、副傾斜領域ＳＴと平坦領域Ｆとがなす角度θ１は、副傾斜領域ＳＴと傾斜領域Ｔとがなす角度θ２よりも小さい。
よって、第１電極４４１の端部の角部に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生を回避できる。

本発明の一態様に係る圧電素子４４は、さらに、第１電極４４１の平坦領域Ｆの法線方向の厚さＨ１は、第１電極４４１の平坦領域Ｆと副傾斜領域ＳＴとの間の角部Ｃ２の法線方向の厚さＨ２よりも厚い。
よって、第１電極４４１の端部の角部に、シード層４４２が成膜されずに断絶したり、シード層４４２の膜厚が、配向制御層としての機能を発揮できない程に薄くなったり、という不具合の発生を回避できる。

本発明の一態様に係る液滴吐出ヘッド２６は、前述の圧電素子４４と、圧電素子４４に電圧を印加する電圧印加部としての駆動回路５０と、圧電素子４４によって容積が変化する圧力室Ｃが設けられた圧力室基板３４と、圧力室Ｃに連通する連通流路２６ｃが設けられた流路基板３２と、連通流路２６ｃに連通するノズルＮが設けられたノズルプレート６２と、を含む。
液滴吐出ヘッド２６は、優れた圧電特性を有する圧電素子４４を含むため、産業上利用価値が高い液滴吐出ヘッド２６とすることができる。

以上、好適な実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されない。また、本発明の各部の構成は、前述の実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成に置換でき、また、任意の構成を付加できる。

１２…媒体、１４…液体収容部、１６…搬送機構、２０…ヘッド移動機構、２１…搬送ベルト、２２…キャリッジ、２６…液滴吐出ヘッド、２６ａ…供給液室、２６ｂ…供給流路、２６ｃ…連通流路、３２…流路基板、３２ａ…第１開口部、３２ｂ…第２開口部、３２ｃ…第３開口部、３２ｄ…隔壁、３４…圧力室基板、３４ａ…開口部、３６…振動板、３６１…シリコン基板、３６２…絶縁体層、４４…圧電素子、４４０…能動部、４４１…第１電極、４４１ａ…第１導電膜、４４１ｂ…第２導電膜、４４２…シード層、４４３…圧電体、４４３ａ…圧電体膜、４４３ｂ…貫通孔、４４４…第２電極、４６…配線基板、４８…筐体部、４８ａ…貫通孔、５０…駆動回路、６２…ノズルプレート、Ｎ…ノズル、６４…吸振体、８０…制御部、１００…液滴吐出装置、Ｂ…バンプ、Ｃ…圧力室、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…角部、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…厚さ、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…接線、θ１，θ２…角度、Ｒａ，Ｒｂ…空間、Ｆ…平坦領域、Ｓ…段差領域、ＳＴ…副傾斜領域、ＳＦ…副平坦領域、Ｔ…傾斜領域。

Claims (2)

1. 第１電極と、
   前記第１電極上に設けられた配向制御層と、
   前記配向制御層上に設けられ、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体と、
   前記圧電体上に設けられた第２電極と、を備え、
   前記第１電極は、平坦領域と傾斜領域とを有し、
   前記第１電極は、前記平坦領域と前記傾斜領域との間に段差領域を有し、
   前記第１電極の前記段差領域は、副傾斜領域を有し、
   前記副傾斜領域と前記平坦領域とがなす角度は、前記副傾斜領域と前記傾斜領域とがなす角度よりも小さい、
   圧電素子。
2. 請求項１に記載の圧電素子と、
   前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加部と、
   前記圧電素子によって容積が変化する圧力室が設けられた圧力室基板と、
   前記圧力室に連通する連通流路が設けられた流路基板と、
   前記連通流路に連通するノズルが設けられたノズルプレートと、を含む、
   液滴吐出ヘッド。