(57)【要約】【課題】絶縁性が良好となる圧電体を含む、圧電材料、圧電素子、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る圧電材料は、ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物であって、マグネシウムに対するマンガンのモル比が、２以上８以下である。この圧電材料は、鉄、マンガン及びマグネシウムの和に対するマンガンのモル比が、０．０２以上０．０４以下であってもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物であって、
マグネシウムに対するマンガンのモル比が、２以上８以下である、圧電材料。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電材料において、
鉄、マンガン及びマグネシウムの和に対するマンガンのモル比が、０．０２以上０．０４以下である、圧電材料。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれかに記載の圧電材料において、
マグネシウムに対するランタンのモル比が、１７以上４０以下である、圧電材料。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電材料と、前記圧電材料に設けられた電極と、を含む、圧電素子。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電素子を備えた、液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電材料、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドは、液体噴射装置の構成として、例えば、インクジェットプリンター等に用いられる。この場合、液体噴射ヘッドは、インクの小滴を吐出して飛翔させるために用いられ、これによりインクジェットプリンターは、当該インクを紙等の媒体に付着させて印刷を行うことができる（特許文献１参照）。
【０００３】
液体噴射ヘッドは、一般に、ノズルから液体を吐出するために液体に圧力を加えるアクチュエーターとして、圧電素子を有している。このような圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、２つの電極によって電圧が印加されることによって変形することができ、この変形を利用して、アクチュエーターを、例えば、撓み振動モードで動作させることができる。
【０００４】
このような用途に用いられる圧電材料としては、電気機械変換効率などの圧電特性が高いことが望ましく、該特性が他の材料に比較して優れていることから、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料の研究開発が行われてきた。しかし、近年、環境問題の観点から有害な鉛を含まない、又は含有量を抑えた非鉛系圧電材料の開発が求められるようになってきた。
【０００５】
理論上圧電特性が高いとされるセラミックス材料の中には、例えば、Ｂｉ系酸化物があり、現状では、ＢｉＦｅＯ３（ＢＦＯ）系材料が、その有力候補として考えられている。
【０００６】
しかしながら、ＢＦＯは、絶縁性が低くリーク電流が多いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２８３９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、絶縁性が良好となる圧電体を含む、圧電材料、圧電素子、圧電アクチュエーター、液体噴射ヘッド及び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】
【０００９】
（１）本発明に係る圧電材料は、
ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物であって、
マグネシウムに対するマンガンのモル比が、２以上８以下である。
【００１０】
本発明によれば、絶縁性が良好となる圧電材料を実現できる。
【００１１】
（２）この圧電材料は、
鉄、マンガン及びマグネシウムの和に対するマンガンのモル比が、０．０２以上０．０４以下であってもよい。
【００１２】
これにより、絶縁性が良好となる圧電材料を実現できる。
【００１３】
（３）この圧電材料は、
マグネシウムに対するランタンのモル比が、１７以上４０以下であってもよい。
【００１４】
これにより、絶縁性が良好となる圧電材料を実現できる。
【００１５】
（４）本発明に係る圧電素子は、
これらのいずれかの圧電材料と、前記圧電材料に設けられた電極と、を含む。
【００１６】
本発明によれば、絶縁性が良好となる圧電体を含む圧電素子を実現できる。
【００１７】
（５）本発明に係る液体噴射ヘッドは、
この圧電素子を備えている。
【００１８】
本発明によれば、絶縁性が良好となる圧電体を含む液体噴射ヘッドを実現できる。
【００１９】
（６）本発明に係る液体噴射装置は、
この液体噴射ヘッドを備えている。
【００２０】
本発明によれば、絶縁性が良好となる圧電体を含む液体噴射装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る圧電素子１００の断面の模式図。
【図２】本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る液体噴射ヘッド６００の分解斜視図。
【図４】本実施形態に係る液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図。
【図５】実施例１（１００１）、実施例２（１００２）、実施例３（１００３）、実施例４（１００４）、実施例５（１００５）、実施例６（１００６）、比較例１（２００１）及び比較例２（２００２）の圧電素子の電流−電圧特性を示すグラフ。
【図６】密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を用いた、原子置換をしていないＢＦＯの電子状態密度を表すグラフ。
【図７】密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を用いた、ＢＦＯに含まれる鉄の一部をマンガンで置換した場合の電子状態密度を表すグラフ。
【図８】密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を用いた、ＢＦＯに含まれる鉄の一部をマグネシウムで置換した場合の電子状態密度を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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の形態は、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。
【００２３】
１．圧電材料
本実施形態の圧電材料は、ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物である。
【００２４】
より具体的には、圧電材料は、鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンであり、例えば、以下に示す式（Ｉ）として表記することができる。
【００２５】
（Ｂｉｖ，Ｌａｗ）（Ｆｅｘ，Ｍｎｙ，Ｍｇｚ）Ｏ３・・・（Ｉ）
この鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンは、一般式としては、ＡＢＯ３で示される複合酸化物であり、いわゆるペロブスカイト型酸化物に分類され、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。上記式（Ｉ）で示す例では、ペロブスカイト構造のＡサイトは、ビスマス及びランタンからなり、ペロブスカイト構造のＢサイトは、鉄、マンガン及びマグネシウムからなっている。鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンは、結晶化されて、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。
【００２６】
本実施形態の圧電材料を、上記式（Ｉ）の型式で表記した場合、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ及びｚは、いずれも０以上１以下の値をとりうる。これらの値は、圧電材料を形成するときの原料の仕込量が表現されていてもよく、また、形成後の圧電材料の組成が表現されていてもよい。したがって、当該化学式の電荷の中性が、見かけ上満足されない表記となる場合があり、その場合は仕込の値、又は、結晶の欠陥の程度が示されていると解するものとする。
【００２７】
本実施形態の圧電材料は、ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物であり、マグネシウムに対するマンガンのモル比が、２以上８以下となっている。すなわち、本実施形態の圧電材料を、上記式（Ｉ）の型式で表記した場合、２≦ｙ／ｚ≦８である。
【００２８】
本実施形態の圧電材料では、マグネシウムに対するマンガンのモル比が、この範囲にあるため、絶縁性が良好となる。
【００２９】
本実施形態の圧電材料において、ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物における、鉄、マンガン及びマグネシウムの和に対するマンガンのモル比は、０．０２以上０．０４以下であってもよい。すなわち、本実施形態の圧電材料を、上記式（Ｉ）の型式で表記した場合、０．０２≦ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦０．０４とすることができる。このようにすれば、圧電材料の絶縁性が良好となる。
【００３０】
本実施形態の圧電材料において、ペロブスカイト型構造を有し、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムを含む複合酸化物における、マグネシウムに対するランタンのモル比は、１７以上４０以下であってもよい。より好ましくは、マグネシウムのモル数に対するランタンのモル数の比は、１９以上３８以下であってもよい。すなわち、本実施形態の圧電材料を、上記式（Ｉ）の型式で表記した場合、１７≦ｗ／ｚ≦４０とすることができる。より好ましくは、１９≦ｗ／ｚ≦３８とすることができる。このようにすれば、圧電材料の絶縁性が良好となる。
【００３１】
２．圧電素子及び圧電アクチュエーター
図１は、本実施形態に係る圧電素子１００の断面の模式図である。
【００３２】
本実施形態に係る圧電素子１００は、第１導電層１０と、第２導電層２０と、圧電体３０と、を含む。
【００３３】
２．１．第１導電層
第１導電層１０は、例えば、基板１の上方に形成される。基板１は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板とすることができる。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。また、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。また、例えば、後述する液体噴射ヘッドのように、基板１の下方に圧力室等が形成されているような場合においては、基板１より下方に形成される複数の構成をまとめて一つの基板１とみなしてもよい。
【００３４】
基板１は、可撓性を有し、圧電体３０の動作によって変形（屈曲）することのできる弾性部材（振動板）であってもよい。この場合、圧電素子１００は、弾性部材（振動板）と、第１導電層２０と、圧電体３０と、第２導電層２０と、を含む圧電アクチュエーター１０２となる。ここで、基板１が可撓性を有するとは、基板１がたわむことができることを指す。基板１を弾性部材（振動板）とした場合、基板１のたわみは、圧電アクチュエーター１０２を液体噴射ヘッドに使用する場合、吐出させる液体の体積と同程度に圧力室の容積を変化させうる程度であれば十分である。
【００３５】
基板１が弾性部材（振動板）である場合は、基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、弾性部材（振動板）の材質としては、化学的安定性及び剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。この場合においても基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
【００３６】
本実施形態では、以下、基板１が弾性部材（振動板）であって、酸化ジルコニウムによって形成されている場合を例示する。したがって、圧電素子１００は、可撓性を有し、圧電体３０の動作によって変形（屈曲）することができる弾性部材（振動板）を備えた圧電アクチュエーター１０２と実質的に同一である。以下の説明においては、圧電素子１００及び圧電アクチュエーター１０２は、相互に読み替えることができる。
【００３７】
第１導電層１０の形状は、第２導電層２０と対向できる限り限定されないが、本実施形態では、圧電体３０が、薄膜状に形成されるため、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。第１導電層１０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第１導電層１０の平面的な形状についても、第２導電層２０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。
【００３８】
第１導電層１０の機能の一つとしては、第２導電層２０と一対になって、圧電体３０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体３０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。第１導電層１０には、圧電体３０を結晶化する際の結晶配向を制御する機能を持たせてもよい。
【００３９】
第１導電層１０の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１導電層１０は、例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００４０】
２．２．第２導電層
第２導電層２０は、第１導電層１０に対向して配置される。第２導電層２０は、全体が第１導電層１０と対向していてもよいし、一部が第１導電層１０に対向していてもよい。第２導電層２０の形状は、第１導電層１０と対向できる限り限定されないが、本実施形態では、圧電体３０が、薄膜状に形成されるため、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。第２導電層２０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２導電層２０の平面的な形状についても、第１導電層１０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。
【００４１】
第２導電層２０の機能の一つとしては、圧電体３０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体３０の上に形成された上部電極）となることが挙げられる。第２導電層２０には、圧電体３０を結晶化する際の結晶配向を制御する機能を持たせてもよい。第２導電層２０の材質は、上述の第１導電層１０と同様とすることができる。
【００４２】
図１は、第１導電層１０が第２導電層２０よりも平面的に大きく形成された例を示しているが、第２導電層２０が第１導電層１０よりも平面的に大きく形成されてもよい。この場合は、第２導電層２０は、圧電体３０の側面に形成されてもよく、第２導電層２０に、水分や水素等から圧電体３０を保護する機能を兼ねさせることができる。
【００４３】
２．３．圧電体
圧電体３０は、第１導電層１０及び第２導電層２０の間に配置される。圧電体３０は、第１導電層１０及び第２導電層２０の少なくとも一方に接していてもよい。図１の例では、圧電体３０は、第１導電層２０及び第２導電層２０に接して設けられている。
【００４４】
圧電体３０は、薄膜法により形成されてもよい。薄膜法とは、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（レーザーアブレーション法）、ミスト成膜法及びゾルゲル法のうちの少なくとも一種であってもよい。また、本実施形態の圧電体３０は、バルク状態で形成されてもよい。
【００４５】
圧電体３０の厚さは、特に限定されず、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができる。薄膜法によって、厚みの大きい圧電体３０を形成する場合には、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法などの物質を堆積させる種の方法では堆積時間を長くすることにより形成することができ、また例えば、ＭＯＤ法やゾルゲル法などのコーティング及び焼成を行う種の方法では、該方法を繰り返して積層することにより形成することができる。さらに、積層する場合には、各層毎に異なる薄膜法を用いて積層してもよい。圧電体３０の厚みがこの範囲を外れると、耐圧が不十分となったり、十分な変形（電気機械変換）が得られなくなったりする場合がある。
【００４６】
本実施形態の圧電体３０は、「１．圧電材料」の項で述べた圧電材料からなる。このようにすれば、圧電素子１００の絶縁性が良好となる。
【００４７】
本実施形態の圧電素子１００は、広範な用途に用いることができる。圧電アクチュエーター１０２の用途としては、例えば、液体噴射ヘッド、インクジェットプリンターなどの液体噴射装置などがあり、圧電素子１００の用途としては、ジャイロセンサー、加速度センサーなどの各種のセンサー類、音叉型振動子などのタイミングデバイス類、超音波モーターなどの超音波デバイス類に好適に用いることができる。
【００４８】
３．圧電材料及び圧電素子の製造方法
本実施形態の圧電材料及びこれを用いた圧電素子１００は、例えば、以下のように製造することができる。
【００４９】
まず、基板１を準備し、基板１上に第１導電層１０を形成する。第１導電層１０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成されることができる。第１導電層１０は、必要に応じてパターニングされることができる。
【００５０】
次に、第１導電層１０の上に、本実施形態の圧電材料からなる圧電体３０を形成する。圧電体３０は、上述の通り、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（レーザーアブレーション法）、ミスト成膜法、及びゾルゲル法のうちの少なくとも一種の方法あるいはこれら複数の方法の組合せにより形成されることができる。圧電体３０の結晶化は、例えば、５００℃以上８００℃以下で行うことができる。これにより、圧電体３０を結晶化することができる。なお、結晶化は、圧電体３０をパターニングした後に行ってもよい。そして、必要に応じて、上記操作を複数回繰り返して、所望の厚みの圧電体３０を得ることができる。
【００５１】
次に、圧電体３０の上に第２導電層２０を形成する。第２導電層２０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成されることができる。そして、所望の形状に第２導電層２０及び圧電体３０をパターニングして、圧電素子を形成する。なお第２導電層２０及び圧電体３０は、必要に応じて同時にパターニングされることができる。以上例示した工程により、本実施形態の圧電材料及びこれを用いた圧電素子１００を製造することができる。
【００５２】
４．液体噴射ヘッド
次に、本実施形態に係る圧電素子（圧電アクチュエーター）の用途の一例として、これらを有する液体噴射ヘッド６００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噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド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。
【００５３】
液体噴射ヘッド６００は、上述の圧電素子（圧電アクチュエーター）を有することができる。以下では、基板１（上部に振動板１ａを含む構造体）の上に圧電素子１００が形成され、圧電素子１００と振動板１ａとが圧電アクチュエーター１０２を構成している液体噴射ヘッド６００を例示して説明する。
【００５４】
液体噴射ヘッド６００は、図２及び図３に示すように、ノズル孔６１２を有するノズル板６１０と、圧力室６２２を形成するための圧力室基板６２０と、圧電素子１００と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド６００は、図３に示すように、筐体６３０を有することができる。なお、図３では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
【００５５】
ノズル板６１０は、図２及び図３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ことができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
【００５６】
圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図３の例では下）に設けられている。圧力室基板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。圧力室基板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３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。リザーバー６２４、供給口６２６及び圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板１ａとによって区画されている。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、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板１ａの変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室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。
【００５７】
圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図３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３０の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【００５８】
筐体６３０は、図３に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板６２０及び圧電素子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。
【００５９】
液体噴射ヘッド６００は、上述した少なくとも絶縁性に優れた圧電素子１００を含んでいる。したがって、絶縁性が良好となる圧電体を含む液体噴射ヘッドを実現できる。
【００６０】
なお、ここでは、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。
【００６１】
５．液体噴射装置
次に、本実施形態に係る液体噴射装置７００について、図面を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。液体噴射装置７００は、上述の液体噴射ヘッド６００を有する。以下では、液体噴射装置７００が上述の液体噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。
【００６２】
液体噴射装置７００は、図４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。
【００６３】
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、ヘッド及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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００及び記録用紙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及び記録用紙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。
【００６７】
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部７５０を制御することができる。
【００６８】
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及び駆動ローラー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。
【００６９】
ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０及び給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
【００７０】
液体噴射装置７００は、上述した少なくとも絶縁性に優れた圧電素子１００を含んでいる。したがって、絶縁性が良好となる圧電体を含む液体噴射装置を実現できる。
【００７１】
なお、上記例示した液体噴射装置７００は、１つの液体噴射ヘッド６００を有し、この液体噴射ヘッド６００によって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体噴射ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
【００７２】
以上、本発明に係る液体噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしての液体噴射装置７００を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液体噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
【００７３】
６．実施例及び比較例
以下に実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【００７４】
６．１．圧電素子の作製
実施例１ないし実施例６及び比較例１ないし比較例２の圧電素子は、以下のように作製した。
【００７５】
基板は以下の工程により作製した。まず、シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１０００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ２膜上にＤＣスパッタ法及び熱酸化により膜厚４００ｎｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）膜を形成した。次に、ＺｒＯ２膜上にＤＣスパッタ法により膜厚２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜を、さらに膜厚１３０ｎｍの白金（Ｐｔ）下部電極層（第１導電層２０）を形成した。
【００７６】
各実施例及び各比較例の圧電体３０は、いずれも化学溶液法によって作製した。第１導電層１０の上に、スピンコート法によって、鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンの前駆体溶液を塗布した。この前駆体溶液は、実施例及び比較例ごとに異なる配合を有するものとした。また、スピンコートにおける回転速度は１５００ｒｐｍとした。
【００７７】
次に、塗布された前駆体膜を大気中、１５０℃で２分間乾燥させ、溶媒を除去した。次いで、大気中、３５０℃で４分間熱処理して、前駆体膜中の有機成分を除去した（脱脂）。各実施例及び比較例につき、いずれも、前駆体溶液の塗布、乾燥、脱脂の組を２回繰り返して行った。次いで、焼成炉（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ（ＲＴＡ））に導入し、０．５Ｌ／ｍｉｎの窒素フローを行いながら、６５０℃で２分間焼成した。
【００７８】
さらに各実施例及び各比較例につき、いずれも、前駆体溶液の塗布、乾燥、脱脂の組を３回、焼成を２回繰り返し、その後、０．５Ｌ／ｍｉｎの窒素フローを行いながら、６５０℃で５分間焼成した。これにより、５００ｎｍの厚みの圧電体３０が得られた。
【００７９】
さらにその上に第２導電層２０としてＤＣスパッタ法にて膜厚１００ｎｍのＰｔ膜を作製した。その後、ＲＴＡ炉に導入し、炉内を０．５Ｌ／ｍｉｎの窒素フローを行いながら、６５０℃で５分間、第２導電層２０の焼付けを行い、各実施例及び比較例の圧電素子をそれぞれ作製した。
【００８０】
各実施例及び各比較例において、化学溶液法における前駆体溶液には、ビスマス、ランタン、鉄、マンガン及びマグネシウムの有機酸塩に、溶媒としてオクタン、キシレン及びｎ−ブタノールを用いた溶液を使用した。鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンの前駆体溶液の組成は、各実施例及び各比較例について、原料溶液に含まれる元素の濃度として、表１に原料における各元素の配合比（仕込量（ｍｏｌ％）の比）を記載した。また、各実施例及び各比較例について、表１に上記式（Ｉ）の型式で表記した場合の係数ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚを用いて表した係数比を記載した。
【００８１】
【表１】
2011240647.tif 000002
【００８２】
６．２．圧電素子の評価
各実施例及び比較例の圧電素子について、電流−電圧特性を測定して評価した。圧電素子の第１導電層と第２導電層との間に所与の電圧を印加し、所与の電圧を印加した時に第１導電層と第２導電層との間に流れるリーク電流を測定し、横軸を印加電圧、縦軸をリーク電流密度としてプロットして、電流−電圧特性を評価した。
【００８３】
図５は、実施例１（１００１）、実施例２（１００２）、実施例３（１００３）、実施例４（１００４）、実施例５（１００５）、実施例６（１００６）、比較例１（２００１）及び比較例２（２００２）の圧電素子の電流−電圧特性を示すグラフである。横軸はリニアスケールで示した印加電圧［Ｖ］、縦軸はログスケールで示したリーク電流密度［Ａ／ｃｍ２］を表す。
【００８４】
図５に示すように、特に印加電圧の絶対値が２０Ｖ以上３０Ｖ以下となる範囲において、Ｍｇを含まない比較例（２００１）の圧電素子に比べて、実施例１（１００１）、実施例２（１００２）、実施例３（１００３）、実施例４（１００４）、実施例５（１００５）及び実施例６（１００６）のいずれの圧電素子も、リーク電流が抑制されていることが判明した。一方、比較例２（２００２）の圧電素子は、比較例１（２００１）の圧電素子に比べてリーク電流が増大していることが判明した。
【００８５】
このように、実施例１（１００１）、実施例２（１００２）、実施例３（１００３）、実施例４（１００４）、実施例５（１００５）及び実施例６（１００６）の圧電素子は、比較例１（２００１）及び比較例２（２００２）の圧電素子に比べて良好な絶縁性を有することが判明した。
【００８６】
これらの実験結果の評価をまとめて表２に記載する。負側及び正側における評価は、印加電圧の絶対値が２０Ｖ以上３０Ｖ以下となる範囲において、リーク電流が比較例１の圧電素子よりも小さいものを「○」、リーク電流が比較例１の圧電素子と同等のものを「△」、リーク電流が比較例１の圧電素子よりも大きいものを「×」とした。総合評価は、負側と正側の評価を総合して、絶縁性が比較例１の圧電素子よりも良好となるものを「○」、絶縁性が比較例１の圧電素子と同等となるものを「△」、比較例１の圧電素子よりも絶縁性が不良となるものを「×」とした。
【００８７】
【表２】
2011240647.tif 000003
【００８８】
表２に示すように、圧電材料を上記式（Ｉ）の型式で表記した場合、２≦ｙ／ｚ≦８となる範囲で、圧電材料の絶縁性が良好となることが判明した。
【００８９】
６．３．実施例及び比較例についての考察
鉄酸マンガン酸マグネシウム酸ビスマスランタンにおいて、マグネシウムは、ペロブスカイト型構造のＢサイトに含まれるため、上述の実施例及び比較例から、絶縁性を向上させるためには、Ｂサイトの組成比が重要であることが分かる。
【００９０】
以下において、密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算を用いて、Ｂサイトの鉄を原子置換した場合の電子状態密度を調べた。図６は、原子置換をしていないＢＦＯの電子状態密度である。図７は、Ｂサイトに含まれる鉄の一部をマンガンで置換した場合、また、図８は、Ｂサイトに含まれる鉄の一部をマグネシウムで置換した場合の電子状態密度を表すグラフである。いずれも、横軸はエネルギー［ｅＶ］、縦軸は状態密度（ＤＯＳ；Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）［／ｅＶ］を表す。
【００９１】
図６から、Ｂサイトの原子置換を行っていない純粋なＢＦＯでは、バンドギャップが開いており、絶縁体であることがわかる。このときＢサイトの鉄は３価の価数状態にある。
【００９２】
図７から、ＢＦＯに含まれる鉄の一部をマンガンで置換した場合には、バンドギャップの中に占有された電子１個分の状態密度ピークが現れる。したがって、マンガンは４価（ｎ型）のドーパントとして機能していることが分かる。また、図８から、ＢＦＯに含まれる鉄の一部をマグネシウムで置換した場合には、価電子帯に電子１個分のホールが空く。したがって、マグネシウムは２価（ｐ型）のドーパントとして機能していることが分かる。
【００９３】
よって、ＢＦＯに含まれる鉄の一部が、ｎ型となるマンガンと、ｐ型となるマグネシウムとで置換されることにより、価数バランスがとれ、絶縁性が向上するものと考えられる。したがって、本材料系においても、マグネシウムのモル数に対するマンガンのモル数の比（ｙ／ｚ）が、絶縁性を向上させるための重要なパラメーターであるものと考えられる。
【００９４】
以上に述べた実施形態及び変形実施形態は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態は、それぞれの実施形態が有する効果又は相乗的な効果を奏することができる。
【００９５】
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（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。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又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】
【００９６】
１  基板、１ａ  振動板、１０  第１導電層、２０  第２導電層、３０  圧電体、１００  圧電素子、１０２  圧電アクチュエーター、６００  液体噴射ヘッド、６１０  ノズル板、６１２  ノズル孔、６２０  圧力室基板、６２２  圧力室、６２４  リザーバー、６２６  供給口、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、１００１  実施例１、１００２  実施例２、１００３  実施例３、１００４  実施例４、１００５  実施例５、１００６  実施例６、２００１  比較例１、２００２  比較例２
【図１】
2011240647.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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