(57)【要約】【課題】高い配向率を有することができる圧電素子を提供する。【解決手段】基体に設けられた第１電極と、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、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第１圧電体層と、下記式（１）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第２圧電体層と、を有し、前記第１圧電体層は、前記第１電極と前記第２圧電体層との間に設けられて、前記第１圧電体層の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、（１００）優先配向している、圧電素子。ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３・・・（１）なお、式（１）において、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、かつ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。【選択図】図６
2020136631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に設けられた第１電極と、
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、
鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第１圧電体層と、
下記式（１）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第２圧電体層と、
を有し、
前記第１圧電体層は、前記第１電極と前記第２圧電体層との間に設けられて、前記第１圧電体層の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、（１００）優先配向している、圧電素子。
ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３・・・（１）
なお、式（１）において、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、かつ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。
【請求項２】
請求項１において、
式（１）において、０．０６≦ｘ≦０．２３、０．３２≦ｙ≦０．５５、かつ、０．３２≦ｚ≦０．５４である、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第１電極と前記第１圧電体層との間に設けられ、チタンを含む層を含む、圧電素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記第２圧電体層の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、
前記第２圧電体層は、（１００）優先配向している、圧電素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電素子と、
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、
を含み、
前記基体は、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室と、前記圧力発生室に前記液体を供給する供給流路とが設けられた流路形成基板を有し、
前記ノズル孔は、
前記圧力発生室に連通している、液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項５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】
液体吐出ヘッドの代表例としては、例えば、振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧し、ノズル孔からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。
【０００４】
例えば特許文献１には、ｘＰｂ（Ｍｇ１／３，Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３で表される三成分系圧電材料からなる圧電体層を備えた圧電素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２２３８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３で表される圧電体層は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）からなる圧電体層に比べて、配向し難い。圧電体層が配向していないと、圧電体層にクラックが発生し易くなったり、リーク電流が増大したりする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧電素子の一態様は、
基体に設けられた第１電極と、
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、
鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第１圧電体層と、
下記式（１）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第２圧電体層と、
を有し、
前記第１圧電体層は、前記第１電極と前記第２圧電体層との間に設けられて、前記第１圧電体層の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、（１００）優先配向している。
ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３・・・（１）
なお、式（１）において、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、かつ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。
【０００８】
ここで、面方位に関しては、圧電体層の結晶構造を擬立方晶として取り扱う。これは、薄膜状の圧電体層の結晶構造を正確に同定することは困難であり、説明を簡略化するためである。ただし、面方位に関して圧電体層の結晶構造を擬立方晶として取り扱うことは、
圧電体層の結晶構造が、例えば、正方晶、斜方晶、単斜晶、菱面体晶など、擬立方晶よりも対称性の低いＡＢＯ３構造であることを否定するものではない。例えば、圧電体層の結晶構造が正方晶である場合、（１００）配向は、（００１）配向および（１００）配向の両方を意味する。
【０００９】
前記圧電素子の一態様において、
式（１）において、０．０６≦ｘ≦０．２３、０．３２≦ｙ≦０．５５、かつ、０．３２≦ｚ≦０．５４であってもよい。
【００１０】
前記圧電素子の一態様において、
前記第１電極と前記第１圧電体層との間に設けられ、チタンを含む層を含んでもよい。
【００１１】
前記圧電素子の一態様において、
前記第２圧電体層の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、
前記第２圧電体層は、（１００）優先配向していてもよい。
【００１２】
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、
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、
を含み、
前記基体は、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室と、前記圧力発生室に前記液体を供給する供給流路とが設けられた流路形成基板を有し、
前記ノズル孔は、
前記圧力発生室に連通している。
【００１３】
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】
【００１４】
【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】実施例１および比較例２のＸＲＤ測定結果。
【図７】実施例１〜２４および比較例１の配向率、比誘電率、および相対変位量を示す表。
【図８】ＰＭＮ−ＰＺＴとＰＺとＰＴとの三元系状態図を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
圧電素子１００は、図１に示すように、例えば、第１電極１０と、配向制御層１２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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
第１電極１０は、基体２に設けられている。図示の例では、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、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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第１密着層が設けられていてもよい。第１密着層は、例えば、チタン層、酸化チタン層などである。この場合、第１電極１０は、第１密着層を介して、基体２に設けられている。
【００２３】
配向制御層１２は、第１電極１０上に設けられている。配向制御層１２は、第１電極１０と、圧電体層２０の第１圧電体層２２と、の間に設けられている。配向制御層１２の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。配向制御層１２は、チタンを含む層であり、例えば、チタン層、酸化チタン層などである。配向制御層１２は、第１圧電体層２２の配向性を制御することができる。
【００２４】
圧電体層２０は、配向制御層１２上に設けられている。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に設けられている。圧電体層２０の厚さは、例えば、５００ｎｍ以上２μｍ以下である。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。
【００２５】
圧電体層２０は、第１圧電体層２２と、第２圧電体層２４と、を有している。
【００２６】
第１圧電体層２２は、配向制御層１２上に設けられている。第１圧電体層２２は、第１電極１０と第２圧電体層２４との間に設けられている。図示の例では、第１圧電体層２２の厚さは、第２圧電体層２４の厚さよりも小さい。
【００２７】
第１圧電体層２２は、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタン（Ｔｉ）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、ＰＺＴからなるＰＺＴ層である。第１圧電体層２２は、鉛、ジルコニウム、チタン、および酸素（Ｏ）以外の添加物を含んでもよい。すなわち、第１圧電体層２２は、添加物が添加されたＰＺＴ層であっ
てもよい。なお、図示はしないが、圧電素子１００は、２つのＰＺＴ層と、該２つのＰＺＴ層に挟まれたＴｉ層を有していてもよい。
【００２８】
第２圧電体層２４は、第１圧電体層２２上に設けられている。第２圧電体層２４は、第１圧電体層２２と第２電極３０との間に設けられている。
【００２９】
第２圧電体層２４は、下記式（１）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む。より具体的には、第２圧電体層２４は、下記式（２）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む。
【００３０】
ｘＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３・・・（１）
ｘＰｂ（Ｍｇ１／３，Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３・・・（２）
【００３１】
なお、式（１），（２）において、０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、かつ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。好ましくは、式（１），（２）において、０．０６≦ｘ≦０．２３、０．３２≦ｙ≦０．５５、かつ、０．３２≦ｚ≦０．５４である。
【００３２】
このように、第２圧電体層２４は、ニオブ酸マグネシウム鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＭＮ）と、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３：ＰＴ）と、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３：ＰＺ）とが、固溶したＰＭＮ−ＰＺＴ層である。第２圧電体層２４は、鉛、マグネシウム、ニオブ、ジルコニウム、チタン、および酸素以外の添加物を含んでもよい。すなわち、第２圧電体層２４は、添加物が添加されたＰＭＮ−ＰＺＴ層であってもよい。
【００３３】
第１圧電体層２２の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、第１圧電体層２２は、（１００）優先配向している。第２圧電体層２４の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、第２圧電体層２４は、（１００）優先配向している。ここで、「（１００）優先配向」とは、Ｘ線回折（X-ray diffraction：ＸＲＤ）測定により得られるＸ線プロファイルにおいて、（１００）面に由来するピーク強度をＩ（１００）、（１１０）面に由来するピーク強度をＩ（１１０）、（１１１）面に由来するピーク強度をＩ（１１１）とすると、下記式（３）で表される配向率Ｆが７０％以上であることをいう。なお、Ｆを配向率と呼称しているが、あくまで評価指標の１つであり、圧電体層２０における配向の体積分率を表しているわけではない。
【００３４】
Ｆ＝Ｉ（１００）／（Ｉ（１００）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１））×１００・・・（３）
【００３５】
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、第１電極１０と電気的に分離されていれば、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。
【００３６】
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、白金層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン層、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。
【００３７】
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。
【００３８】
圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００３９】
圧電素子１００では、圧電体層２０は、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第１圧電体層２２と、式（１）で表されるペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む第２圧電体層２４と、を有し、第１圧電体層２２は、第１電極１０と第２圧電体層２４との間に設けられて、第１圧電体層２２の結晶構造を擬立方晶とみなした場合、（１００）優先配向している。そのため、圧電素子１００では、第１電極と第２圧電体層との間に第１圧電体層が設けられていない場合に比べて、後述する「５．  実施例および比較例」に示すように、圧電体層２０が配向し易く、高い配向率を有することができる。したがって、圧電素子１００では、圧電体層２０にクラックが発生することを抑制することできる。さらに、リーク電流を低減することができる。よって、信頼性を向上させることができる。
【００４０】
圧電素子１００では、式（１）において、０．０６≦ｘ≦０．２３、０．３２≦ｙ≦０．５５、かつ、０．３２≦ｚ≦０．５４である。そのため、圧電素子１００では、ｘ，ｙ，ｚが上記範囲外の場合に比べて、後述する「５．  実施例および比較例」に示すように、良好な圧電特性を有することができる。
【００４１】
圧電素子１００では、第１電極１０と第１圧電体層２２との間に設けられ、チタンを含む配向制御層１２を含む。そのため、圧電素子１００では、第１圧電体層２２は、より（１００）優先配向し易い。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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上に配向制御層１２を形成する。配向制御層１２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、配向制御層１２および第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。なお、第１電極１０と配向制御層１２とは、別々の工程でパターニングされてもよい。
【００４５】
次に、配向制御層１２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。
【００４６】
まず、鉛を含む金属錯体、ジルコニウムを含む金属錯体、およびチタンを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解または分散させて第１前駆体溶液を調整する。また、鉛を含む金属錯体、ジルコニウムを含む金属錯体、チタンを含む金属錯体、マグネシ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第２前駆体溶液を調整する。
【００４７】
鉛を含む金属錯体としては、例えば、酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウムを含む金
属錯体としては、例えば、ジルコニウムブトキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナートなどが挙げられる。チタンを含む金属錯体としては、例えば、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドなどが挙げられる。マグネシウムを含む金属錯体としては、例えば、酢酸マグネシ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、ペンタブトキシニオブ、ニオブペンタ−ｎ−プロポキシドなどが挙げられる。
【００４８】
金属錯体の溶媒としては、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、ポリ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−オクタンまたはこれらの混合溶媒などが挙げられる。
【００４９】
次に、調整された第１前駆体溶液を、配向制御層１２上に、スピンコート法などを用いて塗布して第１前駆体層を形成する。次に、第１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、乾燥した第１前駆体層を、例えば３００℃以上５５０℃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、脱脂した第１前駆体層を、例えば７００℃以上８００℃以下で焼成することによって結晶化させる。以上により、第１圧電体層２２を形成することができる。
【００５０】
次に、調整された第２前駆体溶液を、第１圧電体層２２上に、スピンコート法などを用いて塗布して第２前駆体層を形成する。次に、第２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、乾燥した第２前駆体層を、例えば３００℃以上５５０℃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、脱脂した第２前駆体層を、例えば７００℃以上８００℃以下で焼成することによって結晶化させる。そして、上記の、第２前駆体溶液の塗布から第２前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返す。以上により、第１圧電体層２２および第２圧電体層２４を有する圧電体層２０を形成することができる。
【００５１】
第１前駆体層および第２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。第１前駆体層および第２前駆体層の焼成で用いられる加熱装置は、赤外線ランプアニール装置（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）装置である。
【００５２】
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。
【００５３】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００５４】
なお、圧電体層２０は、ＣＳＤ法ではなく、レーザーアブレーション法、スパッタ法、パルス・レーザー・デポジション（ＰＬＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、エアロゾル・デポジション法などによって形成されてもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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２００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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、超音波モーター、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、圧電スピーカー、圧電ポンプ、圧力−電気変換機器などの圧電アクチュエーターとして好適に用いられる。また、圧電素子１００は、例えば、超音波検出器、角速度センサー、加速度センサー、振動センサー、傾きセンサー、圧力センサー、衝突センサー、人感センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、熱検知センサー、焦電センサー、圧電センサーなどの圧電方式のセンサー素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシターなどの強誘電体素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、波長変換器、光導波路、光路変調器、屈折率制御素子、電子シャッター機構などの電圧制御型の光学素子として好適に用いられる。
【００７６】
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。
【００７７】
５．１．  試料の作製
５．１．１．  実施例１
実施例１では、６インチのシリコン基板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、スパッタ法により、二酸化シリコン層上にジルコニウム層を形成し、熱酸化させることで酸化ジルコニウム層を形成した。次に、スパッタ法により、酸化ジルコニウム層上に、チタン層、白金層、イリジウム層、およびチタン層をこの順番で形成し、チタン層からなる密着層、白金層およびイリジウム層からなる第１電極、およびチタン層からなる配向制御層を形成した。
【００７８】
以下の手順で、配向制御層上に、圧電体層を形成した。
【００７９】
容器に酢酸および水を量り取り、次に酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド、およびポリエチレングリコールを量り取り、これらを９０℃で加熱撹拌することで、ＰＺＴ前駆体溶液を作製した。
【００８０】
また、容器に２−ブトキシエタノール、ジメチルアミノエタノール、およびポリエチレングリコールを量り取り、次に酢酸鉛、酢酸マグネシウム、ペンタブトキシ二オブ、ジルコニウムブトキシド、およびチタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドを量り取り、室温で加熱攪拌することで、ＰＭＮ−ＰＺＴ前駆動体溶液を作製した。
【００８１】
上記のＰＺＴ前駆体溶液を、スピンコート法で第１電極上に塗布することで、ＰＺＴ前駆体層を形成した。次に、ＰＺＴ前駆体層を１５５℃、２７５℃、５３０℃の順番で加熱した。その後、ＲＴＡ装置を使用して７３７℃で焼成することで、ＰＺＴからなるＰＺＴ層を形成した。
【００８２】
次に、上記のＰＭＮ−ＰＺＴ前駆動体溶液を、スピンコート法でＰＺＴ層上に塗布することで、ＰＭＮ−ＰＺＴ前駆体層を形成した。次に、ＰＭＮ−ＰＺＴ前駆体層を１５５℃、２７５℃、５３０℃の順番で加熱した。その後、ＲＴＡ装置を使用して７５０℃で焼成した。ＰＭＮ−ＰＺＴ前駆動体溶液の塗布から焼成までの一連の工程を、５回繰り返し、ＰＭＮ−ＰＺＴからなるＰＭＮ−ＰＺＴ層を形成した。
【００８３】
以上により、ＰＺＴ層およびＰＭＮ−ＰＺＴ層を有する圧電体層を形成した。
【００８４】
次に、スパッタ法により、ＰＭＮ−ＰＺＴ層上にＩｒ層を形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによりＩｒ層を所定形状にパターニングすることで、第２電極を形成した。さらに、圧電体層を所定形状にパターニングした。
【００８５】
次に、シリコン基板を回転式のダイシング装置で切断・分割することで、圧電素子を作製した。
【００８６】
５．１．２．  比較例１
比較例１では、ＰＺＴ前駆動体溶液の塗布から焼成までの一連の工程を４回繰り返し、ＰＭＮ−ＰＺＴ層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の工程で、圧電素子を作製した。すなわち、比較例１では、圧電体層は、ＰＺＴ層である。
【００８７】
５．１．３．  比較例２
比較例２では、ＰＺＴ層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の工程で、圧電素子を作製した。すなわち、比較例２では、圧電体層は、ＰＭＮ−ＰＺＴ層である。
【００８８】
５．２．  ＸＲＤ測定
実施例１および比較例１，２において、圧電体層を形成した後に、Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒを用い、ＸＲＤ測定を行った。線源を加速電圧１００Ｖ、加速電流を５０ｍＡのＣｕＫα線を使用し、検出器は２次元検出器ＧＡＤＤＳを用いた。測定は、２θ―ω法で２θ＝２０°〜５０°範囲で行った。
【００８９】
ここで、ＰＺＴ層を擬立方晶として取り扱う。これは、ＰＺＴ層は、菱面体晶、正方晶、および単斜晶のいずれかの１つ以上の結晶構造を有しているが、薄膜セラミックスであることから正確な結晶構造の同定は、極めて困難なためである。ＰＭＮ−ＰＺＴ層も同様に結晶構造の同定が極めて困難であるため、同様に擬立方晶として取り扱う。
【００９０】
なお、解析を簡略化するため圧電体層の結晶構造を擬立方晶として取り扱ったが、圧電体層の結晶構造が前記した対称性が低い結晶構造であっても、解析結果およびそれにより生じる効果に対して、影響を与えるものではない。
【００９１】
ＸＲＤ測定結果から、実施例１および比較例１，２では、ＡＢＯ３型ペロブスカイト構
造を有する圧電体層に由来するピーク、第１電極に由来するピーク、および第１電極下の基板に由来するピークのみが観測され、異相等は観測されなかった。
【００９２】
実施例１および比較例１のＸＲＤ測定結果から、２次元像でスポット状の（１００）面に由来するピークが強く観測された。このことから実施例１および較例１に係る圧電体層は、（１００）優先配向していることがわかった。
【００９３】
図６は、実施例１および比較例２のＸＲＤ測定結果である。実施例１では、上記式（３）で示される配向率Ｆが９２．８％であり、圧電体層が（１００）優先向配向していることがわかった。一方、比較例２では、（１１０）面に由来するピーク強度が（１００）面に由来するピーク強度より強く、配向率Ｆが５０．０％未満であり、２次元像でも両ピークがライン状であった。このことから、ＰＭＮ−ＰＺＴ層は、その下にＰＺＴ層を有していないと、無配向となることがわかった。
【００９４】
図７は、実施例１〜２４および比較例１の配向率Ｆを示す表である。図７に示すように、ＰＺＴ層上にＰＭＮ−ＰＺＴ層を形成すると、配向率Ｆは７５％以上となることがわかった。なお、実施例２〜２４は、ＰＭＮ−ＰＺＴ前駆動体溶液を作製する際に、各金属錯体の混合比を変えたこと以外は、実施例１と同様の工程で、圧電素子を作製した。実施例２〜２４において、実施例１と同様に、ＸＲＤ測定を行った。
【００９５】
５．３．  変位量測定
実施例１〜２４および比較例１の圧電特性を評価するため、短冊片持ち梁構造であるカンチレバーを用いて、変位量を測定した。Ｐｏｌｙｔｅｃ社製ＮＬＶ−２５００を用い、１ｋＨｚ、１１Ｖ±１１ＶのＳｉｎ波を印加したときの変位量を測定した。カンチレバーは、固定端を基準として長さ２５ｍｍ、幅４ｍｍ、板厚０．４ｍｍとした。第２電極は、カンチレバー上に長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍとし、変位に影響を及ぼさない程度の細い配線部とした。
【００９６】
図７に、実施例１〜２４および比較例１の相対変位量を示す。相対変位量とは、比較例１を基準として規格化した場合の値である。図７に示すように、実施例１，３〜５，７〜１１，１３〜１８は、相対変位量が１．００より大きかった。したがって、上記式（１）において、０．０６≦ｘ≦０．２３、０．３２≦ｙ≦０．５５、かつ、０．３２≦ｚ≦０．５４とすることにより、良好な圧電特性を有することがわかった。
【００９７】
図８は、ＰＭＮ−ＰＺＴとＰＺとＰＴとの三元系状態図を模式的に示す図である。図８では、実施例１，３，７〜１１，１３〜１８に相当するものを黒丸で示し、実施例２，６，１２，１９〜２４に相当するものを白抜きの四角で示している。
【００９８】
５．４．  比誘電率測定
実施例１〜２４および比較例１の比誘電率測定のため、Ａｇｉｌｅｎｔ社製インピーダンスアナライザー４２９４Ａを用い静電容量の測定を行った。直径５００μｍの円形の第２電極に対し、直流電圧１０Ｖ下において、周波数１ｋＨｚ、振幅±５００ｍＶの交流電圧を印加することで測定した。比誘電率は、得られた静電容量と電極面積とから算出した。
【００９９】
ここで、下記式（４）に示すように、一般的に、比誘電率が大きいほど、圧電定数が大きくなる。
【０１００】
【数１】
2020136631.tif 000003
【０１０１】
なお、式（４）において、ｄ３１は圧電定数であり、ｋ３１は電気機械結合係数であり、ε３３は比誘電率であり、Ｙはヤング率である。
【０１０２】
図７に示すように、実施例１，３〜５，７〜１１，１３〜１８は、相対変位量が比較例１より大きいにもかかわらず、比誘電率が比較例１よりも小さかった。相対変位量が同等以上で比誘電率が小さくなると、同一動作における消費電力および発熱量が低くなる。このため、実施例１〜５，７〜１１，１３〜１８では、低消費電力化、低環境負荷、発熱低減による設計性向上および信頼性向上の効果を得ることができる。
【０１０３】
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】
【０１０４】
２…基体、１０…第１電極、１２…配向制御層、２０…圧電体層、２２…第１圧電体層、２４…第２圧電体層、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】
2020136631.tif 000004
【図２】
2020136631.tif 000005
【図３】
2020136631.tif 000006
【図４】
2020136631.tif 000007
【図５】
2020136631.tif 000008
【図６】
2020136631.tif 000009
【図７】
2020136631.tif 000010
【図８】
2020136631.tif 000011