(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電セラミックスであって、
前記複合酸化物は、ビスマス、バリウム、鉄、及びチタンを含み、
前記複合酸化物における（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）は、３以上である、圧電セラミックス。
【請求項２】
請求項１において、
前記複合酸化物において、前記バリウムに対する前記ビスマスの組成比（ＸBi/Ba）は、７０／３０≦ＸBi/Ba≦８０／２０である、圧電セラミックス。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記複合酸化物は、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、及びチタンのうち少なくとも１つを有する添加物を更に含む、圧電セラミックス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項において、
前記複合酸化物の結晶系は、擬立方晶である、圧電セラミックス。
【請求項５】
第１電極と、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電セラミックスからなる圧電体層と、前記圧電体層を挟み前記第１電極と対向する第２電極と、を含む、圧電素子。
【請求項６】
請求項５において、
前記圧電体層は、（１１１）面に単一配向している、圧電素子。
【請求項７】
請求項５または６において、
前記第１電極は、複数の導電層が積層されてなり、前記導電層の内で最も前記圧電体層側に位置する導電層は、導電性ストロンチウム化合物である、圧電素子。
【請求項８】
請求項７において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ルテニウム酸ストロンチウムである、圧電素子。
【請求項９】
請求項７において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムである、圧電素子。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、（１１１）面に優先配向している、圧電素子。
【請求項１１】
請求項５から１０のいずれか１項に記載の圧電素子を有する、液体噴射ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載の液体噴射ヘッドを有する、液体噴射装置。
【請求項１３】
請求項５から１０のいずれか１項に記載の圧電素子を有する、アクチュエーター。
【請求項１４】
請求項５から１０のいずれか１項に記載の圧電素子を有する、センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、および圧電セラミックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、インクジェットプリンター等の液体噴射装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１参照）。このような液体噴射ヘッドに備えられる圧電素子の圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（組成式Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３で表され、「ＰＺＴ」と略称される圧電セラミックス）などのＰＺＴ系圧電材料が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
鉛の含有量を抑えた圧電セラミックスは、一般的にＰＺＴ系圧電セラミックスに比べて歪量が小さい。しかしながら、近年、環境問題の観点から、ＰＺＴ系圧電材料の代替材料として、鉛の含有量を抑えたペロブスカイト型酸化物の圧電材料が望まれている。したがって、鉛の含有量を抑えた圧電セラミックスであって、歪量および信頼性が向上した圧電セラミックスを用いた圧電素子を備える液体噴射ヘッドが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様のいずれかによれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電セラミックスを用いた圧電素子を備える液体噴射ヘッドを提供することができる。また、本発明のいくつかの態様のいずれかによれば、上記圧電セラミックス、上記圧電素子、および上記液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明に係る液体噴射ヘッドは、
ノズル孔に連通する圧力発生室と、
圧電体層、及び前記圧電体層に電圧を印加する電極を有する圧電素子と、
を含み、
前記圧電体層は、ビスマス、バリウム、鉄、及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電体層は、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）が、３以上である。
【０００７】
本発明によれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電素子を備える液体噴射ヘッドを提供することができる。
【０００８】
（２）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記複合酸化物において、前記バリウムに対する前記ビスマスの組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）は、７０／３０≦ＸＢｉ／Ｂａ≦８０／２０であってもよい。
【０００９】
（３）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電体層は、（１１１）面に単一配向していてもよい。
【００１０】
これによれば、より歪量が向上した圧電素子を備える液体噴射ヘッドを提供することができる。
【００１１】
（４）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記電極は、前記圧力発生室側の第１電極と、前記圧電体層を挟んで前記第１電極と対向する第２電極と、を含み、
前記第１電極は、複数の導電層が積層されてなり、前記導電層の内で最も前記圧電体層側に位置する導電層は、導電性ストロンチウム化合物であってもよい。
【００１２】
（５）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ルテニウム酸ストロンチウムであってもよい。
【００１３】
（６）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムであってもよい。
【００１４】
（７）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記導電性ストロンチウム化合物は、（１１１）面に優先配向していてもよい。
【００１５】
（８）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力発生室と前記圧電素子との間に設けられた基板を更に有し、
前記基板の材質は、シリコン基板であってもよい。
【００１６】
（９）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記複合酸化物は、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、及びチタンのうち少なくとも１つを有する添加物を更に含んでいてもよい。
【００１７】
（１０）本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記複合酸化物の結晶系は、擬立方晶であってもよい。
【００１８】
（１１）本発明に係る液体噴射装置は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。
【００１９】
本発明によれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電素子を備える液体噴射装置を提供することができる。
【００２０】
（１２）本発明に係る圧電素子は、
圧電体層と、
前記圧電体層に電圧を印加する電極と、
を含み、
前記圧電体層は、ビスマス、バリウム、鉄、及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電体層は、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）が、３以上である。
【００２１】
本発明によれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電素子を提供することができる。
【００２２】
（１３）本発明に係る圧電素子において、
前記複合酸化物において、前記バリウムに対する前記ビスマスの組成比（ＸＢｉ／Ｂａ
）は、７０／３０≦ＸＢｉ／Ｂａ≦８０／２０であってもよい。
【００２３】
（１４）本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、（１１１）面に単一配向していてもよい。
【００２４】
（１５）本発明に係る圧電素子において、
前記電極として、第１電極と、前記圧電体層を挟み前記第１電極と対向する第２電極と、を含み、
前記第１電極は、複数の導電層が積層されてなり、前記導電層の内で最も前記圧電体層側に位置する導電層は、導電性ストロンチウム化合物であってもよい。
【００２５】
（１６）本発明に係る圧電素子において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ルテニウム酸ストロンチウムであってもよい。
【００２６】
（１７）本発明に係る圧電素子において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムであってもよい。
【００２７】
（１８）本発明に係る圧電素子において、
前記導電性ストロンチウム化合物は、（１１１）面に優先配向していてもよい。
【００２８】
（１９）本発明に係る圧電素子において、
前記複合酸化物は、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、及びチタンのうち少なくとも１つを有する添加物を更に含んでいてもよい。
【００２９】
（２０）本発明に係る圧電素子において、
前記複合酸化物の結晶系は、擬立方晶であってもよい。
【００３０】
（２１）本発明に係る圧電セラミックスは、
ペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電セラミックスであって、
前記複合酸化物は、ビスマス、バリウム、鉄、及びチタンを含み、
前記前記複合酸化物における（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）は、３以上である。
【００３１】
本発明によれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電セラミックスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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】実施例１、２および比較例１のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図３】実施例１、２および比較例１のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図４】比較例２、３のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図５】比較例２、３のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図６】実施例３、４、５のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図７】実施例３および比較例４、５のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図８】実施例１および比較例１の印加電圧に対する歪量を示すグラフ。
【図９】実施例１の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１０】比較例１の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１１】実施例３の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１２】比較例４の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１３】比較例５の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１４】実施例３、４、５のヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフ。
【図１５】実施例３、４、５の印加電圧に対する歪量を示すグラフ。
【図１６】実施例１、２および比較例１の耐電圧性を示すグラフ。
【図１７】実施例３、４、５の耐電圧性を示すグラフ。
【図１８】実施例３、６のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図１９】実施例３および比較例６のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図２０】実施例３および比較例６のＸ線回折パターンを示すグラフ。
【図２１】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図２２】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図２３】本実施形態に係る液体噴射装置を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
１．圧電セラミックス
まず、本実施形態に係る圧電セラミックスについて説明する。本実施形態に係る圧電セラミックスは、ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物を主成分とする。つまりは、圧電セラミックスは、製造工程において不可避の不純物を含んでいてもよい。本実施形態に係る複合酸化物は、一般式ＡＢＯ３で表され、Ａサイトの元素の総モル数と、Ｂサイトの元素の総モル数と、酸素原子のモル数の比は、１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で、１：１：３からずれていてもよい。
【００３５】
本実施形態に係る複合酸化物は、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなり、Ａサイト元素として、ビスマス（Ｂｉ）およびバリウム（Ｂａ）を含み、Ｂサイト元素として、鉄（Ｆｅ）、およびチタン（Ｔｉ）を含む。本実施形態に係る複合酸化物の少なくとも一部は、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、およびチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の混晶セラミックスからなる固溶体（以下、「ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックス」ともいう）であってもよい。
【００３６】
本実施形態に係る複合酸化物は、例えば、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）などの任意の添加物（例えば、含有率１０ｍｏｌ％以下程度）を加えることで特性改善をすることが知られている。本実施形態に係る複合酸化物は、本発明の効果を得られる範囲であれば、当然このような添加物を更に含んでいてもよい。例えば、本実施形態に係る複合酸化物は、マンガン（Ｍｎ）を添加物として含有していてもよい。その他の添加物としては、コバルト、クロム、アルミニウム、カリウム、リチウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケル、亜鉛、ケイ素、ランタン、セリウム、プラセオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム等を挙げることができる。
【００３７】
本実施形態に係る複合酸化物において、Ａサイト元素の総量に対するビスマスの割合をｘ（０＜ｘ＜１）としたとき、ｘは、０．７≦ｘ≦０．８の範囲内であってもよい。また、本実施形態に係る複合酸化物において、Ｂサイト元素の総量に対するチタンの割合をｙ（ｘ＋ｙ＝１、０＜ｙ＜１）としたとき、ｙは、０．２≦ｙ≦０．３の範囲内であってもよい。換言すれば、バリウム（Ｂａ）に対するビスマス（Ｂｉ）の組成比をＸＢｉ／Ｂａとした場合、ＸＢｉ／Ｂａは７０／３０≦ＸＢｉ／Ｂａ≦８０／２０であることができる。
【００３８】
つまりは、本実施形態に係る複合酸化物は、下記一般式（１）で表されるペロブスカイト型構造からなり、０．７≦ｘ≦０．８、０．２≦ｙ≦０．３、ｘ＋ｙ＝１である複合酸
化物であってもよい。ここで、下記一般式（１）において、Ｍはマンガンやコバルト等の添加物である。一般式（１）において、添加物は、含有率が鉄（Ｆｅ）元素に対して５ｍｏｌ％となるように添加されている。しかしながら、これに限定されず、本発明の効果を得られる範囲であれば、添加物Ｍの添加量は適宜調整することができる。
（Ｂｉｘ、Ｂａｙ）（Ｆｅ０．９５ｘ、Ｍ０．０５ｘ、Ｔｉｙ）Ｏ３・・・（１）
【００３９】
例えば、特許文献の特開２０１０−２５４５６０において、ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックス（ｘＢｉＦｅＯ3−ｙＢａＴｉＯ3）が、０．７≦ｘ≦０．８、０．２≦ｙ≦０．３、ｘ＋ｙ＝１の組成比である場合、ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックスの結晶系は擬立方晶となり、それ以外の組成比である場合は菱面体晶となることが報告されている。これによれば、ＢＦＯ系のセラミックスである本実施形態に係る複合酸化物は、上記一般式（１）において、組成比が０．７≦ｘ≦０．８、０．２≦ｙ≦０．３であることにより、結晶系が擬立方晶をとることが推定され、圧電セラミックスとしての実用性が高いことが推測される。したがって、本実施形態に係る複合酸化物の組成比は、その結晶系が擬立方晶をとりえる組成比においてビスマスおよびチタンを含むことができる。
【００４０】
本実施形態に係る複合酸化物は、製造工程において、配向が制御された圧電セラミックスである。本実施形態に係る圧電セラミックスの（１１１）面の配向強度をαとし、（１００）面の配向強度をβとしたとき、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）は、３以上である。これにより、本実施形態に係る圧電セラミックスの歪量および信頼性を向上することができる（詳細は後述される）。
【００４１】
また、圧電セラミックスは、（１１１）面に９０％以上の優先配向をしていてもよい。または、圧電セラミックスにおける強度比γは、∞であってもよい。換言すれば、圧電セラミックスは、（１１１）面に単一配向していてもよい。これにより、本実施形態に係る圧電セラミックスの歪量をより向上することができる（詳細は後述される）。
【００４２】
２．圧電素子
次に、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、本実施形態にかかる圧電素子１００を模式的に示す断面図である。
【００４３】
圧電素子１００は、図１に示すように、圧電体層２０、および圧電体層２０に電圧を印加する電極（１０、３０）を含む。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、を含むことができる。圧電素子１００は、例えば、基板１の上方に形成されている。電極部（１０、３０）は、図１に示すように、基板１（圧力発生室６２２、図１０参照）側の第１電極１０と、圧電体層２０を挟んで第１電極１０と対向する第２電極３０と、を含む。
【００４４】
基板１は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板である。基板１は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。基板１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、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。基板１は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することのできる基板であって、振動板と称されてもよい。基板１の材質としては、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、またはこれらの積層体が挙げられる。
【００４５】
好適には、基板１の材質は、シリコン基板であってもよい。シリコン基板の表面は酸化処理によって酸化シリコンが形成されていてもよい。シリコン基板は、高品質な基板を比較的安価で安定的に入手可能であるため、商業的観点から好適な材質である。したがって、基板１の材質にシリコン基板を採用することにより、生産性を向上し、安定的に生産す
ることが可能となる。
【００４６】
第１電極１０は、基板１上に形成されている。第１電極１０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第１電極１０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。第１電極１０の平面形状は、第２電極３０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形である。
【００４７】
第１電極１０は、図１に示すように、複数の導電層が積層されて形成される。例えば、第１電極１０は、少なくとも、第１導電層１１と第２導電層１２とを含む。第２導電層１２は、複数の導電層の内で最も圧電体層２０側に位置する導電層である。例えば、第１導電層１１と基板１との間に図示されない導電層をさらに含んでいてもよい。
【００４８】
第１導電層１１の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第１導電層１１の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｇ，Ｐｄ、Ｃｕなどの各種の金属およびこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。
【００４９】
第２導電層１２の材質は、導電性ストロンチウム化合物である。導電性ストロンチウム化合物としては、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）または、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）が挙げられる。導電性ストロンチウム化合物が、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）である場合、ニオブ（Ｎｂ）が添加されていてもよい。
【００５０】
第２導電層１２が、ルテニウム酸ストロンチウムである場合、第２導電層の厚みは、例えば、４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であってもよい。この場合、第２導電層１２は、（１１１）面に優先配向していることができる。ここで、第２導電層１２は、（１１１）面に９０％以上の優先配向をしていてもよく、（１１１）面に単一配向していてもよい。
【００５１】
また、第２導電層１２が、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムである場合、第２導電層の厚みは、例えば、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であってもよい。チタン酸ストロンチウムに対してニオブは、例えば、３％以上、８％以下の範囲で添付されていてもよい。この場合、第２導電層１２は、（１１１）面に優先配向していることができる。ここで、第２導電層１２は、（１１１）面に９０％以上の優先配向をしていてもよく、（１１１）面に単一配向していてもよい。
【００５２】
このように最も圧電体層２０側に位置する導電層である第２導電層１２が、導電性ストロンチウム化合物であることによって、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）が３以上である圧電セラミックスを形成することができる。詳細は後述される。
【００５３】
なお、図示の例では、第２導電層１２は、第１導電層１１の上面に形成されているが、第１導電層１１が形成されていない領域においては、基板１の上に連続して形成されていてもよい。
【００５４】
第１電極１０の機能の一つとしては、第２電極３０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層２０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。
【００５５】
なお、基板１が振動板を有さず、第１電極１０が振動板としての機能を有していてもよい。すなわち、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として
の機能と、圧電体層２０の動作によって変形することのできる振動板としての機能と、を有していてもよい。
【００５６】
また、図示はしないが、第１電極１０と基板１との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの酸化物の層が挙げられる。
【００５７】
圧電体層２０は、第１電極１０（第２導電層１２）上に形成されている。圧電体層２０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。圧電体層２０の厚みは、例えば、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。圧電体層２０は、圧電性を有することができ、第１電極１０および第２電極３０によって電界が印加されることで変形することができる（電気機械変換）。
【００５８】
圧電体層２０は、上述の「１．圧電セラミックス」の項で述べた圧電セラミックスからなる。そのため、圧電素子１００は、環境負荷が小さく、かつ、歪量および信頼性が向上した圧電特性を有することができる。
【００５９】
ここで、図１に示すように、圧電体層２０は、電極部（１０、３０）によって挟まれた能動領域２１を有する。本実施形態にかかる圧電素子１００は、少なくとも能動部における圧電体層２０において、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）が３以上であればよい。また、圧電体層２０は、（１１１）面に９０％以上の優先配向をしていてもよい。また、圧電体層２０における強度比γは、∞であってもよい。換言すれば、圧電体層２０は、（１１１）面に単一配向していてもよい。
【００６０】
第２電極３０は、圧電体層２０上に形成されている。第２電極３０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第２電極３０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極３０の平面形状は、特に限定されず、例えば、矩形、円形である。第２電極３０としては、第１電極１０の材質として列挙した上記材料を用いることができる。
【００６１】
第２電極３０の機能の一つとしては、第１電極１０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極（例えば、圧電体層２０の上方に形成された上部電極）となることが挙げられる。
【００６２】
なお、図示の例では、第２電極３０は、圧電体層２０の上面に形成されているが、さらに、圧電体層２０の側面、基板１の上面に形成されていてもよい。
【００６３】
以上のような圧電素子１００は、例えば、圧力発生室内の液体を加圧する圧電アクチュエーターとして、液体噴射ヘッドや、該液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置（インクジェットプリンター）などに適用されてもよいし、圧電体層の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。
【００６４】
３．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図１に示すように、基板１上に、第１電極１０を形成する。ここで、基板１は、例えば、シリコン基板上に、酸化シリコン層を積層し、その上に酸化チタン層、酸化ジルコン層、酸化アルミニウムのいずれかを積層することにより形成してもよい。酸化シリコン層は、例えば、熱酸化法により形成される。酸化ジルコン層や酸化チタン層は、例えば、スパッタ法などにより形成される。
【００６６】
第１電極１０の製造方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、第１導電層１１および第２導電層１２は、例えば、スピンコート法、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの公知の
成膜方法により形成される。第１電極１０を形成する工程においては、必要に応じて、乾燥工程、脱脂工程、結晶化のための熱処理工程、およびパターニング工程が行われてもよい。
【００６７】
ここで、第２導電層１２が、ルテニウム酸ストロンチウムである場合、ＲＦスパッタ法によって所望の膜厚となるまで成膜される。ここで、ＲＦスパッタにおける成膜は、例えば、６９０℃以上、７１０℃以下で行われてもよい。また、ＲＦパワーは、５０Ｗ以上、1００Ｗ以下、スパッタガス圧力は、１Ｐａ以上、５Ｐａ以下であってもよい。これによ
れば、好適に（１１１）面に優先配向（（１１１）面への配向強度比が９０％以上）もしくは単一配向（（１１１）面への配向強度比が実質的に１００％）した第２導電層１２を形成することができる。
【００６８】
また、第２導電層１２が、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムである場合、スピンコート法によって所望の膜厚となるまで成膜した後、例えば、３００℃以上、４００℃以下で脱脂される。第２導電層１２が、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムである場合、結晶化のための焼成工程はおこなわれない。これによれば、非晶質（アモルファス）の前駆体膜からなる第２導電層１２を形成することができる。
【００６９】
第２導電層１２は、後述される圧電体層２０が形成される面に形成される導電層であって、圧電体層２０を（１１１）面へ配向制御するための種（シード）層であることができる。第２導電層１２の膜厚は、特に限定されないが、好適には、４０ｎｍ以上、６０ｎｍ以下であってもよい。
【００７０】
次に、第１電極１０上に、本実施形態に係る圧電セラミックスからなる圧電体層２０を形成する。圧電体層２０は、例えば、スパッタ法、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法や、ゾルゲル法およびＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法などに代表される液相法により形成される。圧電体層２０の結晶化温度は、例えば、５００℃以上８５０℃以下である。
【００７１】
また、圧電体層２０は、所望の膜厚を得るために、圧電体層の前駆体膜の成膜及び乾燥・脱脂を繰り返して複数の圧電体層を積層することで形成してもよい。例えば、膜厚が７０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下の第１前駆体膜を成膜した後、１８０℃以上、３６０℃以下の温度範囲である段階的な乾燥・脱脂を行って、焼成を行い、第１圧電体層を形成してもよい。
【００７２】
また、圧電体層２０を形成する工程は、第１電極１０上に第１圧電体層を形成した後、複数の前駆体膜を積層し、焼成（結晶化）する工程を含んでいてもよい。具体的には、第１圧電体層を形成した後、第２前駆体膜及び第３前駆体膜を第１前駆体膜と同様の条件の下で形成し、結晶化温度にて焼成して第２圧電体層、第３圧電体層を形成してもよい。第４前駆体膜以降は、第２前駆体膜及び第３前駆体膜と同様に、２層ずつ前駆体膜を形成し、結晶化温度で焼成して、複数の圧電体層を積層し、所望の膜厚を有する圧電体層２０を形成してもよい。これによれば、より確実に圧電体層２０の配向を制御することができる。
【００７３】
ここで、段階的な乾燥・脱脂とは、段階的に昇温することを意味する。例えば、昇温を３段階とし、第１温度を１５０℃以上、２００℃以下とし、第２温度を２１０℃以上、２
９０℃以下とし、第３温度を３００℃以上、３６０℃以下としてもよい。これによれば、より確実に圧電体層２０の配向を制御することができる。
【００７４】
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、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ法により形成される。そして、所望の形状に第２電極３０および圧電体層２０をパターニングする。なお、第２電極３０および圧電体層２０のパターニングは、同じ工程で行ってもよいし、別々の工程で行ってもよい。
【００７５】
圧電体層２０および第２電極３０の構成は、上述した通りであるが、圧電体層３０のうち、第１電極１０の第２導電層１２の上に成膜され、結晶化した圧電体層２０は、第２導電層１２の作用によって、配向が制御され、（１１１）面の配向強度をαとし、（１００）面の配向強度をβとしたとき、（１１１）面の配向強度αの、（１００）面の配向強度βに対する強度比γ（α／β）は、３以上となる。
【００７６】
以上の工程により、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電素子１００を製造することができる。
【００７７】
また、以上の工程に沿い、圧電素子１００を製造することで、シリコン基板上において圧電セラミックスを前述のように配向制御することが可能となる。通常の製造方法により、シリコン基板上で製造した場合、ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックスは（１１１）面への配向制御が技術的に困難であり、（１１０）面や（１００）面に容易に配向する。したがって、これまで、商業的生産工程において生産性の観点からシリコン基板を用いたい場合、（１１１）面へ配向制御された圧電セラミックスを製造することは技術的に困難であった（詳細は後述される）。
【００７８】
４．実施例
以下に実施例１〜６および比較例１〜６を示し、図面を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によってなんら限定されるものではない。
【００７９】
４．１．実施例
［実施例１］
まず、基板を以下の工程にて作製した。単結晶シリコン基板上に二酸化シリコン層を熱酸化にて作製した。この二酸化シリコン層上にＤＣスパッタ法により膜厚が２０ｎｍのチタン層を形成し、熱酸化することで酸化チタン層を形成した。さらに、この酸化チタン層上にＤＣスパッタ法により膜厚が１５０ｎｍの白金層を成膜して、第１導電層を作製した。第１導電層の上に、ＲＦスパッタ法にて５０ｎｍのルテニウム酸ストロンチウムを成膜した。ＲＦスパッタ法の実施条件は、温度を７００℃、ＲＦパワーを５０Ｗ、スパッタガス圧力を２Ｐａに設定した。
【００８０】
次に、第１電極（第２導電層）上に圧電体層を液相法により形成した。その手法は、以下のとおりである。
【００８１】
まず、上述された圧電体層の原料液を準備し、この原料液を、スピンコート法により、第１電極上に滴下し基板を回転させた（塗布工程）。基板は、５００ｒｐｍで５秒間回転させた後、２５００ｒｐｍで３０秒間回転させた。該原料液は、ビスマス、バリウム、鉄、チタンの元素と、添加物としてのマンガン元素を含む公知の金属アルコキシドもしくは有機酸金属塩を、溶媒（ｎ−オクタン）に混合したものを用いた。
【００８２】
次に、１５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、３分間乾燥を行った後（乾
燥工程）、３５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、６分間保持して脱脂した（脱脂工程）。この塗布工程、乾燥工程、および脱脂工程を２回繰り返し行った。次に、６５０℃で５分間、酸素雰囲気中でアニールを行って（結晶化工程）、薄膜の圧電体層を形成した（成膜工程）。上記の成膜工程を６回繰り返し行った。これにより、下記一般式（２）で表され、ｘ＝０．７５、ｙ＝１−ｘ＝０．２５となる複合酸化物からなる圧電体層を得た。このとき、圧電体層の膜厚は、６００ｎｍであった。
（Ｂｉｘ、Ｂａｙ）（Ｆｅ０．９５ｘ、Ｍｎ０．０５ｘ、Ｔｉｙ）Ｏ３・・・（２）
【００８３】
次に、圧電体層上に、直径５００μｍの穴のあいた金属マスクを使用して、ＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金層（第２電極）を形成した。
【００８４】
［実施例２］
実施例２においては、第２導電層の材料として、ニオブが５％添加されたチタン酸ストロンチウムを用いた。第１導電層を作製した後、第１導電層の上に、スピンコート法にて５ｎｍのニオブが５％添加されたチタン酸ストロンチウムを成膜した。チタン酸ストロンチウムを成膜した後、１５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、３分間乾燥を行った後（乾燥工程）、３５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、６分間保持して脱脂した（脱脂工程）。以上によって、非晶質の第２導電層の前駆体膜を作製した。圧電体層は、この前駆体膜の上に成膜された。上記の第２導電層の作製工程以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
【００８５】
［実施例３］
実施例３においては、実施例１と同様に第１電極が形成された基板、及び原料液を準備した後、以下の方法で圧電体層を形成した。
【００８６】
まず、上述された原料液を、スピンコート法により、前駆体膜のターゲット膜厚が７０ｎｍとなるように第１電極上に滴下し基板を回転させた（塗布工程）。基板は、５００ｒｐｍで５秒間回転させた後、３０００ｒｐｍで３０秒間回転させた。
【００８７】
次に、ホットプレート上に基板を乗せ、前駆体膜の段階的な乾燥・脱脂工程を行った。本乾燥・脱脂工程では、第１段階（１２０秒）の第１温度を１８０℃とし、第２段階（１２０秒）の第２温度を２５０℃とし、第３段階（１２０秒）の第３温度を３５０℃とした。
【００８８】
次に、７００℃で５分間、酸素雰囲気中でアニールを行って、膜厚が７０ｎｍの第１圧電体層を形成した。第１圧電体層を形成した後は、上記と同様の条件下で、前駆体膜を２層連続して形成した後、結晶化し、圧電体層を積層する工程を６回繰り返した。これにより、全体の膜厚が１２００ｎｍの圧電体層を形成した。
【００８９】
［実施例４］
実施例４においては、原料液として、焼成後の圧電体層の複合酸化物が上記一般式（２）で表され、ｘ＝０．８０、ｙ＝１−ｘ＝０．２０となる原料液を準備した。上記の原料液を準備した以外は、実施例３と同じ方法で形成した。
【００９０】
［実施例５］
実施例５においては、原料液として、焼成後の圧電体層の複合酸化物が上記一般式（２）で表され、ｘ＝０．７０、ｙ＝１−ｘ＝０．３０となる原料液を準備した。上記の原料液を準備した以外は、実施例３と同じ方法で形成した。
【００９１】
［実施例６］
実施例６においては、原料液として、焼成後の圧電体層の複合酸化物が下記一般式（３）で表され、ｘ＝０．７５、ｙ＝１−ｘ＝０．２５となる原料液を準備した。
（Ｂｉｘ、Ｂａｙ）（Ｆｅ０．９５ｘ、Ｃｏ０．０５ｘ、Ｔｉｙ）Ｏ３・・・（３）
【００９２】
一般式（３）で表されるように、本実施例においては、実施例１、３で準備された原料液には添加物として添加されていたマンガン（Ｍｎ）をコバルト（Ｃｏ）へ変更した。上記の原料液を準備した以外は、実施例３と同じ方法で形成した。
【００９３】
［比較例１］
比較例１においては、第１電極として１３０ｎｍの白金層からなる第１導電層のみを作製し、第２導電層は作製せずに、白金層の上に圧電体層を作製した。第２導電層を作製しないこと以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
【００９４】
［比較例２］
比較例２においては、実施例１と同様に第２導電層をルテニウム酸ストロンチウムを用いて作製した。比較例２においては、第１導電層の上に、ＲＦスパッタ法にて５０ｎｍのルテニウム酸ストロンチウムを成膜した。ＲＦスパッタ法の実施条件は、温度を６５０℃、ＲＦパワーを５０Ｗ、スパッタガス圧力を２Ｐａに設定した。上記の第２導電層の作製工程以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
【００９５】
［比較例３］
比較例３においては、実施例２と同様に第２導電層をニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムを用いて作製した。比較例３においては、チタン酸ストロンチウムを成膜した後、１５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、３分間乾燥を行った後（乾燥工程）、３５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、６分間保持して脱脂した（脱脂工程）。次に、６５０℃で５分間、酸素雰囲気中でアニールを行って（結晶化工程）、第２導電層（第１電極）を形成した。以上によって第２導電層を作製した。圧電体層は、この前駆体膜の上に成膜された。上記の第２導電層の作製工程以外は、実施例２と同じ方法で形成した。
【００９６】
［比較例４］
比較例４においては、第２電極として４０ｎｍのＬＮＯ（ＬａＮｉＯ３）からなる第２導電層を作製し、ＬＮＯの上に圧電体層を作製した。圧電体の作製は、実施例３と同じ方法で形成した。
【００９７】
［比較例５］
比較例５においては、第１電極として１３０ｎｍの白金からなる第１導電層のみを作製し、第２導電層は作製せずに、白金の上に圧電体層を作製した。第２導電層を作製しないこと以外は、実施例３と同じ方法で形成した。
【００９８】
［比較例６］
比較例５においては、実施例１と同様に第１電極が形成された基板、及び原料液を準備し、同様の方法で第１圧電体層を形成した。その後、複数の前駆体膜を形成し、結晶化して圧電体層を積層する工程において、本比較例においては、前駆体膜を３層連続して形成した後、結晶化して圧電体層を積層する工程を４回繰り返した。これにより、全体の膜厚が１２００ｎｍの圧電体層を形成した。
【００９９】
４．２．Ｘ線回折の評価
Ｘ線回折パターンの解析は、Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製の「Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、室温で測定された。
【０１００】
図２および図３には、実施例１、２、および比較例１のＸ線回折パターン解析の結果を示す。図４および図５には、比較例２、３のＸ線回折パターン解析の結果を示す。図６には、実施例３〜５のＸ線回折パターン解析の結果を示す。図７には、実施例３及び比較例４、５のＸ線回折パターン解析の結果を示す。
【０１０１】
図２〜図７におけるＸ線回折パターンの解析結果から、それぞれの圧電体層の（１１１）面の配向強度α、（１００）面の配向強度β、（１１０）面の配向強度、および強度比γ（α／β）を表１に示す。
【０１０２】
【表１】
0005858226.tif 000002
【０１０３】
図２および表１に示すように、実施例１、２、および比較例１における（１００）面の配向強度βは、それぞれ、１０３、１３７、１７５であった。また、図３および表１に示すように、実施例１、２、および比較例１における（１１１）面の配向強度αは、それぞれ、３６３、４１２、１７０であった。これによれば、実施例１における強度比γ（α／β）は、３．５２４、実施例２における強度比γ（α／β）は、３．００７であったのに対し、比較例１における強度比γ（α／β）は、０．９７１であった。したがって、実施例１および２に係る圧電素子の圧電体層においては、強度比γ（α／β）は、３以上であることが確認された。
【０１０４】
図４および表１に示すように、比較例２、３における（１００）面の配向強度βは、それぞれ、２１０、２１０であった。また、図５および表１に示すように、比較例２、３における（１１１）面の配向強度αは、それぞれ、２５７、２８３であった。これによれば、比較例２における強度比γ（α／β）は、１．２２４、比較例３における強度比γ（α／β）は、１．３４８であった。したがって、比較例２、３の結果から、第２導電層がルテニウム酸ストロンチウムもしくは、ニオブが添加されたチタン酸ストロンチウムであって、かつ、所定の作製条件下において作製された第２導電層の上に圧電体層が形成されることで、強度比γ（α／β）を、３以上とすることができることが確認された（実施例１、２参照）。
【０１０５】
次に、図６および表１に示すように、実施例３〜５における（１００）面の配向は確認されなかった。また、（１１１）面の配向強度αは、実施例３では１０００、実施例４では１２２５、実施例５では６１５であった。以上から、実施例３〜５において（１００）面の配向は確認されなかったため、強度比γ（α／β）は３以上であり、実質的に無限大（∞）であることが確認された。
【０１０６】
次に、図７および表１に示すように、比較例４、５における（１００）面の配向強度βは、比較例４では６５５、比較例５では２０であった。また、比較例４、５における（１１１）面の配向強度αは、比較例４では０、比較例５では１であった。また、比較例４、５における（１１０）面の配向強度は、比較例４では０、比較例５では８０８であった。したがって、比較例４における強度比γ（α／β）は０、比較例５における強度比γ（α／β）は０．０５であった。
【０１０７】
以上から、比較例４における圧電体層は、（１１１）面ではなく（１００）面に優先配向し、比較例５における圧電体層は、（１１０）面に優先配向していることが確認された。したがって、第２導電層に導電性ストロンチウム化合物を用いずに、圧電体層を（１１１）面に優先配向させ、かつ、強度比γ（α／β）を３以上とすることが技術的に困難であることが確認された。
【０１０８】
以上、実施例１〜５に係る圧電素子サンプル及び比較例１〜５に係る圧電素子サンプルのＸ線回折の評価から、上記「３．圧電素子の製造方法」の項において説明された圧電素子の製造方法によれば、ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックスからなる圧電体層を、配向強度比γ（α／β）を３以上とし、（１１１）面に単一配向もしくは優先配向させることができることが確認された。
【０１０９】
４．３．歪量およびヒステリシスの評価
アグザクト社製の歪量測定装置（ＤＢＬＩ）を使用し、測定温度２５℃において、ｄ３３方向の歪量、およびヒステリシスを測定した。
【０１１０】
図８は、実施例１および比較例１の印加電圧に対する歪量を示すグラフである。図９は、実施例１の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフである。図１０は、比較例１の歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフである。
【０１１１】
図８に示すように、比較例１における歪量と較べて、実施例１における歪量は向上していることが確認された。例えば、３０Ｖ印加時の歪量の比較においては、歪量が約２０％増加した。
【０１１２】
また、図９、１０より、実施例１に係る圧電素子の圧電体層は、比較例１に比べて、良好なヒステリシスを有することがわかった。
【０１１３】
次に、図１１は、実施例３に係る圧電素子サンプルの歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフであり、図１２は、比較例４に係る圧電素子サンプルの歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフであり、図１３は、比較例５に係る圧電素子サンプルの歪量およびヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフである。
【０１１４】
図１１〜１３に示すように、比較例４、５に係る圧電素子サンプルの歪量（ｎｍ）は、それぞれ、１．９５［ｎｍ］（比較例４）、２．４［ｎｍ］（比較例５）であったのに対し、実施例３に係る圧電素子サンプルの歪量（ｎｍ）は、３．２［ｎｍ］であった。したがって、実施例３における歪量は、比較例４に対しては約６４％、比較例５に対しては約３３％増加した。
【０１１５】
以上から、比較例４及び５にように（１１０）面や（１００）面に優先的に配向させた場合や、比較例１のように強度比γが３より小さい場合よりも、実施例１や実施例３のように、強度比γが３以上であり、（１１１）面に優先的に配向するように制御された本発明に係る圧電体層を用いることで、圧電素子の歪量を約２０％〜約６４％増加させることができることが確認された。
【０１１６】
次に、図１４は、実施例３〜５に係る圧電素子サンプルのヒステリシスの印加電圧依存性を示すグラフである。バリウムに対するビスマスの組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が７０／３０である実施例５や、７５／２５である実施例３に比べて、組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が８０／２０であり、ビスマスを含むＢＦＯの組成比割合が実施例間で相対的に多い実施例４の方が、よりヒステリシスの角型性が向上していることが確認された。
【０１１７】
次に、図１５は、実施例３〜５に係る圧電素子サンプルの３０（Ｖ）印加時の歪量［ｎｍ］を示すグラフである。ここで、歪量の測定のＮ数は２である。図１５に示すように、実施例３に係る圧電素子サンプルの歪量（ｎｍ）の平均値は、３．２［ｎｍ］であり、実施例４に係る圧電素子サンプルの歪量（ｎｍ）の平均値は、３．４［ｎｍ］であり、実施例５に係る圧電素子サンプルの歪量（ｎｍ）の平均値は、２．２［ｎｍ］であった。したがって、組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が、７０／３０である実施例５や、７５／２５である実施例３に比べて、組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が８０／２０であり、ビスマスを含むＢＦＯの組成比割合が実施例間で相対的に多くなる実施例４の方が、より歪量が大きくなることが確認された。
【０１１８】
４．４．耐電圧性及びリーク電流の評価
図１６は、実施例１、２および比較例１に係る圧電素子サンプルに対する耐電圧性実験の結果をプロットした図である。横軸は、印加された電圧値（Ｖ）を示し、縦軸は、各電圧値におけるサンプルの圧電変位量を示す。
【０１１９】
図１６に示すように、比較例１に係る圧電サンプルは、５５（Ｖ）までの電圧印加が可能であり、それ以上の電圧を印加した結果、第１電極および第２電極間のリーク電流増大により、短絡等が発生し焼損したため、測定することができなかった。これに対し、図９に示すように、実施例１および２に係る圧電サンプルは、７５（Ｖ）および８５（Ｖ）まで印加することができ、圧電歪量を測定することができた。すなわち、実施例１および２によれば、圧電素子は、耐電圧性が向上し、信頼性が向上していることが確認された。
【０１２０】
次に、図１７は、実施例３〜５に係る圧電素子サンプルに対する耐電圧性及びリーク電流実験の結果をプロットした図である。横軸は、印加された電圧値（Ｖ）を示し、縦軸は、各電圧値におけるサンプルの電流密度を示す。
【０１２１】
図１７に示すように、実施例３〜５のすべてのサンプルにおいて、圧電素子を用いた液体噴射ヘッドで通常想定される電圧値の６０（Ｖ）まで電圧印加が可能であった。
【０１２２】
また、組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が７５／２５である実施例３や、８０／２０である実施例４に比べて、組成比（ＸＢｉ／Ｂａ）が７０／３０であり、バリウムを含むＢＴの組成比割合が実施例間で相対的に多くなる実施例５の方が、より耐電圧性が向上し、リーク電流を低減することができることが確認された。
【０１２３】
４．５．添加剤代替可能性の評価
図１８は、実施例３と実施例６に係る圧電素子サンプルに対するＸ線回折パターン解析の結果を示す。
【０１２４】
図１８に示すように、添加物としてマンガン（Ｍｎ）を用いた実施例３の圧電体層のＸ線回折パターンと、添加物としてコバルト（Ｃｏ）を用いた実施例３の圧電体層のＸ線回折パターンは、実質的に同じパターンを示すことが確認された。したがって、本発明に係る圧電セラミックの添加物は、特にマンガンに限定されず、本発明の効果を得られる範囲であれば、公知の添加物へ代替可能であることが確認された。
【０１２５】
４．６．（１１１）面への配向制御の技術的評価
図１９及び図２０は、実施例３と比較例６に係る圧電素子サンプルに対するＸ線回折パターン解析の結果を示す。
【０１２６】
図１９及び図２０に示すように、第１圧電体層を形成した後、２層ずつ積層した実施例３では、（１００）面や（１１０）面に配向せず、（１１１）面に単一配向したのに対し、第１圧電体層を形成した後、３層ずつ積層した比較例６では、（１１１）面に単一配向せず、（１１０）面への配向が確認された。したがって、ＢＦＯ−ＢＴ系セラミックスの（１１１）面への配向制御には、技術的な困難性が高いことが確認された。
【０１２７】
５．液体噴射ヘッド
次に、本実施形態にかかる液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図２１は、液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図２２は、液体噴射ヘッド６００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。
【０１２８】
液体噴射ヘッド６００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下では、本発明に係る圧電素子として、圧電素子１００を用いた例について説明する。
【０１２９】
液体噴射ヘッド６００は、図２１および図２２に示すように、例えば、振動板１ａと、ノズル板６１０と、流路形成基板６２０と、圧電素子１００と、筐体６３０と、を含む。なお、図２２では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
【０１３０】
ノズル板６１０は、図２１および図２２に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクが吐出される。ノズル板６１０には、例えば、複数のノズル孔６１２が設けられている。図２２に示す例では、複数のノズル孔６１２は、一列に並んで形成されている。ノズル板６１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が挙げられる。
【０１３１】
流路形成基板６２０は、ノズル板６１０上（図２２の例では下）に設けられている。流路形成基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。流路形成基板６２０がノズル板６１０と振動板１ａとの間の空間を区画することにより、図２２に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力発生室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力発生室６２２と、を区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路（例えば、マニホールドということもできる）であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。
【０１３２】
リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１ａに設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力発生室６２２に供給されることができる。圧力発生室６２２は、振動板１ａの変形により容積が変化する。圧力発生室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力発生室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２からインク等が吐出される。
【０１３３】
なお、リザーバー６２４および供給口６２６は、圧力発生室６２２と連通していれば、流路形成基板６２０とは別の部材（図示せず）に設けられていてもよい。
【０１３４】
圧電素子１００は、流路形成基板６２０上（図２２の例では下）に設けられている。圧電素子１００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。振動板１ａは、圧電体層２０の動作によって変形し、圧力発生室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【０１３５】
筐体６３０は、図２２に示すように、ノズル板６１０、流路形成基板６２０、振動板１ａ、および圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
【０１３６】
液体噴射ヘッド６００によれば、環境負荷が小さく、歪量および信頼性が向上した圧電素子１００を有することができる。したがって、液体噴射ヘッド６００は、環境負荷が小さく、信頼性が高く、高い吐出能力を有することができる。
【０１３７】
なお、上記の例では、圧電体層２０を２つの電極１０、３０で挟む圧電素子１００を用いて、撓み振動によって圧力発生室６２２の容積を変化させる液体噴射ヘッド６００について説明した。しなしながら、本発明に係る液体噴射ヘッドは、上記の形態に限定されず、例えば、圧電体層と電極とを交互に積層させてなる圧電素子を固定基板に固定し、縦振動によって圧力発生室の容積を変化させる形態であってもよい。また、本発明に係る液体噴射ヘッドは、圧電素子の伸張や収縮変形ではなく剪断変形によって圧力発生室の容積を変化させる、いわゆるシェアモード型の圧電素子を用いた形態であってもよい。
【０１３８】
また、上記の例では、液体噴射ヘッド６００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、本実施形態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ー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。
【０１３９】
６．  液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図２３は、本実施形態にかかる液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
【０１４０】
液体噴射装置７００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッド６００を用いた例について説明する。
【０１４１】
液体噴射装置７００は、図２３に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。液体噴射装置７００は、さらに、液体噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。
【０１４２】
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド６００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）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。
【０１４３】
駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。
【０１４４】
往復動機構７４２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７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッド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。
【０１４５】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
【０１４６】
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。
【０１４７】
給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２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ー７５２ａおよび駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
【０１４８】
液体噴射装置７００によれば、環境負荷が小さく、信頼性が高く、液体の吐出能力が高い液体噴射ヘッド６００を有することができる。したがって、液体噴射装置７００は、環境負荷が小さく、信頼性が高く、高い吐出能力を有することができる。
【０１４９】
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すべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１５０】
１  基板、１ａ  振動板、１０  第１電極、１１  第１導電層、１２  第２導電層、
２０  圧電体層、２１  能動領域、３０  第２電極、１００  圧電素子、
６００  液体噴射ヘッド、６１０  ノズル板、６１２  ノズル孔、
６２０  流路形成基板、６２２  圧力発生室、６２４  リザーバー、６２６  供給口、
６２８  貫通孔、６３０  筐体、７００  液体噴射装置、７１０  駆動部、
７２０  装置本体、７２１  トレイ、７２２  排出口、７３０  ヘッドユニット、
７３１  インクカートリッジ、７３２  キャリッジ、７４１  キャリッジモーター、
７４２  往復動機構、７４３  タイミングベルト、７４４  キャリッジガイド軸、
７５０  給紙部、７５１  給紙モーター、７５２  給紙ローラー、
７５２ａ  従動ローラー、７５２ｂ  駆動ローラー、７６０  制御部、
７７０  操作パネル
【図１】
0005858226.tif 000003
【図９】
0005858226.tif 000004
【図１０】
0005858226.tif 000005
【図１６】
0005858226.tif 000006
【図１７】
0005858226.tif 000007
【図１８】
0005858226.tif 000008
【図２１】
0005858226.tif 000009
【図２２】
0005858226.tif 000010
【図２３】
0005858226.tif 000011
【図２】
0005858226.tif 000012
【図３】
0005858226.tif 000013
【図４】
0005858226.tif 000014
【図５】
0005858226.tif 000015
【図６】
0005858226.tif 000016
【図７】
0005858226.tif 000017
【図８】
0005858226.tif 000018
【図１１】
0005858226.tif 000019
【図１２】
0005858226.tif 000020
【図１３】
0005858226.tif 000021
【図１４】
0005858226.tif 000022
【図１５】
0005858226.tif 000023
【図１９】
0005858226.tif 000024
【図２０】
0005858226.tif 000025