(57)【要約】【課題】クラックの発生を抑制することができる圧電素子を提供する。【解決手段】第１電極および第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた圧電体層と、を含み、前記圧電体層は、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含み、前記圧電体層の断面において、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの前記領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値の標準偏差は、０．１４０以下であり、前記領域は、前記圧電体層の中心線を含み、前記領域は、前記圧電体層の厚さ方向の大きさ、および前記厚さ方向と直交する方向の大きさが１５０ｎｍの正方形であり、８つの前記領域は、前記厚さ方向と直交する方向に並ぶ、圧電素子。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極および第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた圧電体層と、
を含み、
前記圧電体層は、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含み、
前記圧電体層の断面において、
８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの前記領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値の標準偏差は、０．１４０以下であり、
前記領域は、前記圧電体層の中心線を含み、
前記領域は、前記圧電体層の厚さ方向の大きさ、および前記厚さ方向と直交する方向の大きさが１５０ｎｍの正方形であり、
８つの前記領域は、前記厚さ方向と直交する方向に並ぶ、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
８つの前記領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの前記領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値の標準偏差は、０．０７０以下である、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電素子と、
前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室と、前記圧力発生室に連通し、前記圧力発生室に液体を供給する供給流路と、が設けられた流路形成基板と、
前記圧力発生室に連通し、前記液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
を含む、液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む、プリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液体吐出ヘッド、およびプリンターに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電気機械変換特性を有する圧電体層と、圧電体層を挟持する２つの電極と、を有している。このような圧電素子は、例えば、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体吐出ヘッドに搭載される。
【０００３】
例えば特許文献１には、圧電素子の圧電体層の材料として、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３：ＫＮＮ）を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１４３２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなＫＮＮ系の材料からなる圧電体層を含む圧電素子において、圧電体層の厚さを大きくすると、圧電体層にクラックが発生する場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電素子の一態様は、
第１電極および第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた圧電体層と、
を含み、
前記圧電体層は、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含み、
前記圧電体層の断面において、
８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの前記領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値の標準偏差は、０．１４０以下であり、
前記領域は、前記圧電体層の中心線を含み、
前記領域は、前記圧電体層の厚さ方向の大きさ、および前記厚さ方向と直交する方向の大きさが１５０ｎｍの正方形であり、
８つの前記領域は、前記厚さ方向と直交する方向に並ぶ。
【０００７】
前記圧電素子の一態様において、
８つの前記領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの前記領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値の標準偏差は、０．０７０以下であってもよい。
【０００８】
本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、
前記圧電素子の一態様と、
前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室と、前記圧力発生室に連通し、前記圧力発生室に液体を供給する供給流路と、が設けられた流路形成基板と、
前記圧力発生室に連通し、前記液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
を含む。
【０００９】
本発明に係るプリンターの一態様は、
前記液体吐出ヘッドの一態様と、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図３】本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す平面図。
【図４】本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係るプリンターを模式的に示す斜視図。
【図６】８つの領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値、その最大値および最小値、最大値と最小値との差、ならびにその標準偏差を示す表。
【図７】８つの領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値をプロットしたグラフ。
【図８】８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値、その最大値および最小値、最大値と最小値との差、ならびにその標準偏差を示す表。
【図９】８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値をプロットしたグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１２】
１．  圧電素子
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。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。
【００１３】
圧電素子１００は、図１に示すように、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、を含む。圧電素子１００は、基体２上に設けられている。
【００１４】
基体２は、例えば、半導体、絶縁体などで形成された平板である。基体２は、単層であっても、複数の層が積層された積層体であってもよい。基体２は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、内部に空間などが形成された構造であってもよい。
【００１５】
基体２は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形する振動板であってもよい。振動板は、例えば、酸化シリコン層、酸化ジルコニウム層、または酸化シリコン層上に酸化ジルコニウム層が設けられた積層体などである。
【００１６】
第１電極１０は、基体２上に設けられている。第１電極１０の形状は、例えば、層状である。第１電極１０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第１電極１０は、例えば、白金層、イリジウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層などである。第１電極１０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
【００１７】
第１電極１０は、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極である。第１電極１０は、圧電体層２０の下に設けられた下部電極である。
【００１８】
なお、図示はしないが、第１電極１０と基体２との間には、第１電極１０と基体２との密着性を向上させる密着層が設けられていてもよい。密着層は、例えば、チタン層、酸化チタン層などである。
【００１９】
圧電体層２０は、第１電極１０上に設けられている。圧電体層２０の厚さは、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上３μｍ以下であり、好ましくは４５０ｎｍ以上２μｍ以下である。例えば、圧電体層２０の厚さを４５０ｎｍ以上にすると、振動板の変位を大きくすることができる。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に設けられている。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に電圧が印加されることにより、変形することができる。
【００２０】
圧電体層２０は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびニオブ（Ｎｂ）を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む。圧電体層２０は、例えば、ＫＮＮからなるＫＮＮ層である。圧電体層２０は、さらに、マンガン（Ｍｎ）を含んでいてもよい。圧電体層２０がマンガンを含むことにより、圧電素子１００のリーク電流を低減することができる。このように、圧電体層は、カリウム、ナトリウム、ニオブ、および酸素（Ｏ）以外の添加物を含んでもよい。
【００２１】
圧電体層２０は、例えば、複数の層が積層されることにより構成されている。該層の数は特に限定されないが、例えば、６つ以上３０個以下、好ましくは、１０個以上２０個以下である。
【００２２】
圧電体層２０の断面において、８つの領域２２におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域２２におけるナトリウムの原子濃度の平均値ＡＮａで規格化した値の標準偏差σＮａは、例えば、０．１４０以下であり、好ましくは０．１３３以下である。具体的には、標準偏差σＮａは、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度を、平均値ＡＮａを「１」として規格化した値の標準偏差である。８つの領域２２におけるナトリウムの原子濃度を、平均値ＡＮａで規格化した値のうち最大値と最小値との差は、例えば、０．４０以下である。
【００２３】
圧電体層２０の断面において、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度の平均値ＡＫで規格化した値の標準偏差σＫは、０．０７０以下であり、好ましくは０．０６８以下である。具体的には、標準偏差σＫは、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度を、平均値ＡＫを「１」として規格化した値の標準偏差である。８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度を、平均値ＡＫで規格化した値のうち最大値と最小値との差は、例えば、０．３０以下である。
【００２４】
なお、圧電体層２０の断面とは、圧電体層２０の厚さ方向に平行な断面である。以下、圧電体層２０の厚さ方向を、単に「厚さ方向」ともいい、厚さ方向と直交する方向を「面内方向」ともいう。
【００２５】
領域２２は、圧電体層２０の断面において、圧電体層２０の中心線Ｃを含む。中心線Ｃは、圧電体層２０の第１電極１０と第２電極３０とに挟まれた部分において、第１電極１０までの距離と第２電極３０までの距離とが同じになる線である。
【００２６】
領域２２は、正方形である。図示の例では、領域２２の中心は、中心線Ｃに位置している。領域２２の厚さ方向の大きさＬｘは、１５０ｎｍである。領域２２の面内方向の大き
さＬｙは、１５０ｎｍである。８つの領域２２は、面内方向に並んで、列を構成している。隣り合う領域２２は、互いに接している。８つの領域２２がなす列の面内方向の大きさは、１２００ｎｍである。
【００２７】
第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられている。なお、図示はしないが、第２電極３０は、さらに、圧電体層２０の側面および基体２上に設けられていてもよい。
【００２８】
第２電極３０の形状は、例えば、層状である。第２電極３０の厚さは、例えば、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極３０は、例えば、イリジウム層や白金層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ルテニウム酸ストロンチウム層などである。第２電極３０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
【００２９】
第２電極３０は、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極である。第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられた上部電極である。
【００３０】
圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００３１】
圧電素子１００では、８つの領域２２におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域２２におけるナトリウムの原子濃度の平均値ＡＮａで規格化した値の標準偏差σＮａは、０．１４０以下である。そのため、圧電素子１００では、標準偏差σＮａが０．１４０より大きい場合に比べて、後述する「５．  実施例および比較例」に示すように、クラックの発生を抑制することができる。
【００３２】
圧電素子１００では、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域２２におけるカリウムの原子濃度の平均値ＡＫで規格化した値の標準偏差σＫは、０．０７０以下である。そのため、圧電素子１００では、標準偏差σＫが０．０７０より大きい場合に比べて、後述する「５．  実施例および比較例」に示すように、クラックの発生を抑制することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
図１に示すように、基体２を準備する。具体的には、シリコン基板を熱酸化することによって酸化シリコン層を形成する。次に、酸化シリコン層上にスパッタ法などによってジルコニウム層を形成し、該ジルコニウム層を熱酸化することによって酸化ジルコニウム層を形成する。以上の工程により、基体２を準備することができる。
【００３５】
次に、基体２上に、第１電極１０を形成する。第１電極１０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、第１電極１０を、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。
【００３６】
次に、第１電極１０上に、圧電体層２０を形成する。圧電体層２０は、例えば、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）などの化学溶液堆積（Chemical Solution Deposition：ＣＳＤ）法によって形成される。以下、圧電体層２０の形成方法について説明する。
【００３７】
まず、例えば、カリウムを含む金属錯体、ナトリウムを含む金属錯体、およびニオブを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解または分散させて前駆体溶液を調整する。
【００３８】
カリウムを含む金属錯体としては、例えば、２−エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウムなどが挙げられる。ナトリウムを含む金属錯体としては、例えば、２−エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウムなどが挙げられる。ニオブを含む金属錯体としては、例えば、２−エチルヘキサン酸ニオブ、ペンタエトキシニオブ、ペンタブトキシニオブなどが挙げられる。なお、２種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、カリウムを含む金属錯体として、２−エチルへキサン酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。
【００３９】
溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２−ｎブトキシエタノール、ｎ−オクタン、２−ｎエチルヘキサン、またはこれらの混合溶媒などが挙げられる。
【００４０】
次に、調整された前駆体溶液を、第１電極１０上に、スピンコート法などを用いて塗布して前駆体層を形成する。次に、前駆体層を、例えば１３０℃以上２５０℃以下で加熱して一定時間乾燥させ、さらに、乾燥した前駆体層を、例えば３００℃以上４５０℃以下で加熱して一定時間保持することによって脱脂する。次に、脱脂した前駆体層を、例えば７５０℃以上８００℃以下で焼成し、この温度で４分以上８分以下保持することによって結晶化させる。焼成時間が８分より長いと、カリウムおよびナトリウムの少なくとも一方が蒸発してしまう場合がある。
【００４１】
以上により、圧電体層２０を構成する層を形成することができる。そして、上記の、前駆体溶液の塗布から前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返す。これにより、複数の層からなる圧電体層を形成することができる。
【００４２】
前駆体層の乾燥および脱脂で用いられる加熱装置は、例えば、ホットプレートである。前駆体層の焼成で用いられる加熱装置は、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置である。
【００４３】
次に、圧電体層２０上に第２電極３０を形成する。第２電極３０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、第２電極３０および圧電体層２０を、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。なお、第２電極３０と圧電体層２０とは、別々の工程でパターニングされてもよい。また、第２電極３０を形成する工程の後に、前駆体の焼成の温度よりも低い温度で、加熱を行ってもよい。
【００４４】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００４５】
３．  液体吐出ヘッド
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す分解斜視図である。図３は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す平面図である。図４は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。なお、図２〜図４では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。また、図２および図４では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
【００４６】
液体吐出ヘッド２００は、図２〜図４に示すように、例えば、基体２と、圧電素子１００と、ノズルプレート２２０と、保護基板２４０と、回路基板２５０と、コンプライアンス基板２６０と、を含む。基体２は、流路形成基板２１０と、振動板２３０と、を有している。なお、便宜上、図３では、回路基板２５０の図示を省略している。
【００４７】
流路形成基板２１０は、例えば、シリコン基板である。流路形成基板２１０には、圧力発生室２１１が設けられている。圧力発生室２１１は、複数の隔壁２１２によって区画されている。圧力発生室２１１は、圧電素子１００により容積が変化する。
【００４８】
流路形成基板２１０の、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端部には、第１連通路２１３および第２連通路２１４が設けられている。第１連通路２１３は、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端部をＹ軸方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。第２連通路２１４のＹ軸方向の大きさは、例えば、圧力発生室２１１のＹ軸方向の大きさと同じである。第２連通路２１４の＋Ｘ軸方向には、複数の第２連通路２１４と連通する第３連通路２１５が設けられている。第３連通路２１５は、マニホールド２１６の一部を構成する。マニホールド２１６は、各圧力発生室２１１の共通の液室となる。このように、流路形成基板２１０には、第１連通路２１３、第２連通路２１４、および第３連通路２１５からなる供給流路２１７と、圧力発生室２１１とが設けられている。供給流路２１７は、圧力発生室２１１に連通し、圧力発生室２１１に液体を供給する。
【００４９】
ノズルプレート２２０は、流路形成基板２１０の一方側の面に設けられている。ノズルプレート２２０の材質は、例えば、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）である。ノズルプレート２２０は、例えば接着剤や熱溶着フィルムなどによって、流路形成基板２１０に接合されている。ノズルプレート２２０には、Ｙ軸に沿って複数のノズル孔２２２が設けられている。ノズル孔２２２は、圧力発生室２１１に連通し、液体を吐出する。
【００５０】
振動板２３０は、流路形成基板２１０の他方側の面に設けられている。振動板２３０は、例えば、流路形成基板２１０上に設けられた酸化シリコン層２３２と、酸化シリコン層２３２上に設けられた酸化ジルコニウム層２３４と、により構成されている。
【００５１】
圧電素子１００は、例えば、振動板２３０上に設けられている。圧電素子１００は、複数設けられている。圧電素子１００の数は、特に限定されない。
【００５２】
液体吐出ヘッド２００では、電気機械変換特性を有する圧電体層２０の変形によって、振動板２３０および第１電極１０が変位する。すなわち、液体吐出ヘッド２００では、振動板２３０および第１電極１０が、実質的に振動板としての機能を有している。なお、振動板２３０を省略して、第１電極１０のみが振動板として機能するようにしてもよい。流路形成基板２１０上に第１電極１０を直接設ける場合には、第１電極１０に液体が接触しないように、第１電極１０を絶縁性の保護膜などで保護することが好ましい。
【００５３】
第１電極１０は、圧力発生室２１１ごとに独立する個別電極として構成されている。第１電極１０のＹ軸方向の大きさは、圧力発生室２１１のＹ軸方向の大きさよりも小さい。第１電極１０のＸ軸方向の大きさは、圧力発生室２１１のＸ軸方向の大きさよりも大きい。Ｘ軸方向において、第１電極１０の両端部は、圧力発生室２１１の両端部より外側に位置している。第１電極１０の−Ｘ軸方向の端部には、リード電極２０２が接続されている。
【００５４】
圧電体層２０のＹ軸方向の大きさは、例えば、第１電極１０のＹ軸方向の大きさよりも大きい。圧電体層２０のＸ軸方向の大きさは、例えば、圧力発生室２１１のＸ軸方向の大きさよりも大きい。圧電体層２０の＋Ｘ軸方向の端部は、例えば、第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端部よりも外側に位置している。第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端部は、圧電体層２０によって覆われている。一方、圧電体層２０の−Ｘ軸方向の端部は、例えば、第１電極１０の−Ｘ軸方向側の端部よりも内側に位置している。第１電極１０の−Ｘ軸方向側の端部は、圧電体層２０によって覆われていない。
【００５５】
第２電極３０は、例えば、圧電体層２０および振動板２３０上に連続して設けられている。第２電極３０は、複数の圧電素子１００に共通する共通の電極として構成されている。
【００５６】
保護基板２４０は、接着剤２０３によって流路形成基板２１０に接合されている。保護基板２４０には、貫通孔２４２が設けられている。図示の例では、貫通孔２４２は、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通しており、第３連通路２１５と連通している。貫通孔２４２および第３連通路２１５は、各圧力発生室２１１の共通の液室となるマニホールド２１６を構成している。さらに、保護基板２４０には、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通する貫通孔２４４が設けられている。貫通孔２４４には、リード電極２０２の端部が位置している。
【００５７】
保護基板２４０には、開口部２４６が設けられている。開口部２４６は、圧電素子１００の駆動を阻害しないための空間である。開口部２４６は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。
【００５８】
回路基板２５０は、保護基板２４０上に設けられている。回路基板２５０には、圧電素子１００を駆動させるための半導体集積回路（Integrated Circuit：ＩＣ）を含む。回路基板２５０とリード電極２０２は、接続配線２０４を介して電気的に接続されている。
【００５９】
コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられている。コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられた封止層２６２と、封止層２６２上に設けられた固定板２６４と、を有している。封止層２６２は、マニホールド２１６を封止するための層である。封止層２６２は、例えば、可撓性を有する。固定板２６４には、貫通孔２６６が設けられている。貫通孔２６６は、固定板２６４をＺ軸方向に貫通している。貫通孔２６６は、Ｚ軸方向からみて、マニホールド２１６と重なる位置に設けられている。
【００６０】
４．  プリンター
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係るプリンター３００を模式的に示す斜視図である。
【００６１】
プリンター３００は、インクジェット式のプリンターである。プリンター３００は、図５に示すように、ヘッドユニット３１０を含む。ヘッドユニット３１０は、例えば、液体吐出ヘッド２００を有している。液体吐出ヘッド２００の数は、特に限定されない。ヘッドユニット３１０は、供給手段を構成するカートリッジ３１２，３１４が着脱可能に設けられている。ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、装置本体３２０に取り付けられたキャリッジ軸３２２に軸方向移動自在に設けられており、液体供給手段から供給された液体を吐出する。
【００６２】
ここで、液体とは、物質が液相であるときの状態の材料であればよく、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども液体に含まれる。液体の代表的な例としては、インクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは、一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。
【００６３】
プリンター３００では、駆動モーター３３０の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト３３２を介してキャリッジ３１６に伝達されることで、ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、キャリッジ軸３２２に沿って移動される。一方、装置本体３２０には、液体吐出ヘッドに対して、紙などの被記録媒体であるシートＳを相対
移動させる搬送機構としての搬送ローラー３４０が設けられている。シートＳを搬送する搬送機構は、搬送ローラーに限られず、ベルトやドラムなどであってもよい。
【００６４】
プリンター３００は、液体吐出ヘッド２００および搬送ローラー３４０を制御する制御部としてのプリンターコントローラー３５０を含む。プリンターコントローラー３５０は、液体吐出ヘッド２００の回路基板２５０と電気的に接続されている。プリンターコントローラー３５０は、例えば、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および液体吐出ヘッド２００へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路などを備えている。
【００６５】
なお、圧電素子１００は、液体吐出ヘッドおよびプリンターに限らず、広範囲な用途に用いることができる。圧電素子１００は、例えば、ジャイロセンサー、加速度センサーなどの各種センサー、音叉型振動子などのタイミングデバイス、超音波モーターなどの超音波デバイスに好適に用いることができる。
【００６６】
５．  実施例および比較例
以下に実施例および比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例および比較例によって何ら限定されるものではない。
【００６７】
５．１．  試料の作製
５．１．１．  実施例１
シリコン基板の表面を熱酸化することで、シリコン基板上に二酸化シリコン層を形成した。次に、二酸化シリコン層上に、ジルコニウム層をスパッタ法により形成し、ジルコニウム層を熱酸化することで、酸化ジルコニウム層を形成した。
【００６８】
次に、以下の手順で、酸化ジルコニウム層上に圧電体層を形成した。
【００６９】
まず、酢酸カリウムの２−ｎ−ブトキシエタノール溶液、酢酸ナトリウムのｎ−オクタン溶液、およびペンタエトキシニオブの２−ｎ−エチルヘキサン溶液を混合し、金属元素の濃度が０．６Ｍ／Ｌの前駆体溶液を調整した。前駆体溶液において、カリウムおよびナトリウムの原子濃度の比は、Ｋ：Ｎａ＝１：１である。
【００７０】
次に、調整した前駆体溶液を、スピンコート法により、３０００ｒｐｍで酸化ジルコニウム層上に塗布した。次に、ホットプレート上にシリコン基板を載せ、１８０℃で２分間、乾燥させた。次に、ホットプレート上のシリコン基板に対して、３５０℃で２分間、脱脂を行った。次に、ＲＴＡ装置により、７５０℃で４分間、焼成を行った。これにより、厚さが７５ｎｍの層を１層形成した。
【００７１】
次に、上記の、前駆体溶液の塗布から焼成までの一連の工程を、１３回繰り返し、１４層からなる厚さ１０５０ｎｍの圧電体層を形成した。
【００７２】
５．１．２．  比較例１
ＲＴＡ装置による焼成において、７５０℃で３分間、焼成を行い、５層からなる厚さ３７５ｎｍの圧電体層を形成したこと以外は、実施例１と同じである。
【００７３】
なお、ＲＴＡ装置による焼成において、７５０℃で３分間、焼成を行い、６層からなる厚さ４５０ｎｍの圧電体層を形成したところ、圧電体層にクラックが発生した。このことから、焼成時間を４分間とした実施例１は、焼成時間を３分間とした比較例１に比べて、クラックが発生し難いことがわかる。
【００７４】
５．２．  評価方法
上記の試料を、ＦＥＩ社製のＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置「Ｈｅｌｉｏｓ」によって加工し、圧電体層の断面出しを行った。その後、日立製作所社製のＳ−ＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscopy）「ＨＤ２０００」において、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectrometry）により圧電体層の断面について組成マッピングを行い、カリウムおよびナトリウムの２次元組成分布情報を得た。
【００７５】
組成マッピングでは、任意の視野から、厚さ方向の中心を含み、面内方向の大きさが１２００ｎｍの領域を切り出し、該領域を８分割して、８つの領域について解析を行い、原子濃度を求めた。分割された８つの領域の各々の面内方向の大きさは、１５０ｎｍであり、厚さ方向の大きさは、１５０ｎｍである。分割された領域内の積算強度を１つのデータとして、カリウムおよびナトリウムの各々において、面内方向に８つのデータを得た。
【００７６】
５．３．  評価結果
図６は、８つの領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値、その最大値および最小値、最大値と最小値との差、ならびにその標準偏差σＫを示す表である。図７は、８つの領域におけるカリウムの原子濃度を、８つの領域におけるカリウムの原子濃度の平均値で規格化した値をプロットしたグラフである。
【００７７】
図８は、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値、その最大値および最小値、最大値と最小値との差、ならびにその標準偏差σＮａを示す表である。図９は、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度を、８つの領域におけるナトリウムの原子濃度の平均値で規格化した値をプロットしたグラフである。
【００７８】
なお、図６〜図９において、「Ｎｏ．」は、領域の番号を示しており、面内方向において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の順で並んでいる。また、図６および図８において、「ＭＡＸ」および「ＭＩＮ」は、それぞれ、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８のうちの最大値および最小値であり、「ＭＡＸ−ＭＩＮ」は、最大値と最小値との差である。
【００７９】
図６に示すように、実施例１の標準偏差σＫは、０．０７０以下であり、クラックが発生し易い比較例１の標準偏差σＫよりも小さかった。また、図８に示すように、実施例１の標準偏差σＮａは、０．１４０以下であり、クラックが発生し易い比較例１の標準偏差σＮａよりも小さかった。
【００８０】
以上より、標準偏差σＫが０．０７０以下であると、標準偏差σＫが０．０７０よりも大きい場合に比べて、クラックが発生し難いことがわかった。また、標準偏差σＮａが０．１４０以下であると、標準偏差σＮａが０．１４０よりも大きい場合に比べて、クラックが発生し難いことがわかった。
【００８１】
ここで、ＫＮＮを構成するＫＮｂＯ３とＮａＮｂＯ３とでは、格子定数が２％〜３％程度異なる。結晶粒内でカリウムまたはナトリウムの原子濃度が異なっている場合、その原子濃度に対応して結晶の格子定数が異なるため、面内方向において、結晶の連続性が保持されると結晶には応力が発生する。そして、応力を開放しようとして、面内方向において、結晶が不連続になると、結晶内で欠陥が生成されるため、応力が集中し易くなり、靭性が弱くなる。結晶格子間での応力の発生、靭性の低下によりクラックが発生しやすくなる。したがって、面内方向において、カリウムの原子濃度の差およびナトリウムの原子濃度の差が小さく、標準偏差σＫおよび標準偏差σＮａが小さい方が、クラックは、発生し難
いといえる。
【００８２】
一般的に、セラミックスは、引張り応力よりも圧縮応力に対して、靭性が強い。ＫＮｂＯ３の格子定数は、ＮａＮｂＯ３の格子定数よりも大きく、ＫＮＮを構成した場合、ＮａＮｂＯ３に引張り応力が生じる。そのため、クラックの発生を抑制するには、標準偏差σＫを小さくするよりも、標準偏差σＮａを小さくした方が効果的である。
【００８３】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８４】
２…基体、１０…第１電極、２０…圧電体層、２２…領域、３０…第２電極、１００…圧電素子、２００…液体吐出ヘッド、２０２…リード電極、２０３…接着剤、２０４…接続配線、２１０…流路形成基板、２１１…圧力発生室、２１２…隔壁、２１３…第１連通路、２１４…第２連通路、２１５…第３連通路、２１６…マニホールド、２１７…供給流路、２２０…ノズルプレート、２２２…ノズル孔、２３０…振動板、２３２…酸化シリコン層、２３４…酸化ジルコニウム層、２４０…保護基板、２４２，２４４…貫通孔、２４６…開口部、２５０…回路基板、２６０…コンプライアンス基板、２６２…封止層、２６４…固定板、２６６…貫通孔、３００…プリンター、３１０…ヘッドユニット、３１２，３１４…カートリッジ、３１６…キャリッジ、３２０…装置本体、３２２…キャリッジ軸、３３０…駆動モーター、３３２…タイミングベルト、３４０…搬送ローラー、３５０…プリンターコントローラー
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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