(57)【要約】【課題】  高い圧電性を示す圧電体素子を提供する。【解決手段】  上部電極14、圧電材料及び/又は電歪材料12、下部電極13を含む圧電体素子15であって、圧電材料及び/又は電歪材料12が双晶を持つことで、圧電材料及び/又は電歪材料12の内部応力を緩和し、高い圧電性を有する圧電体素子15を得ることが出来る。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極と、圧電材料及び/又は電歪材料と、下部電極とを有する圧電体素子であって、前記圧電材料及び／又は電歪材料が一般式ＡＢＯ3で構成される複合酸化物であり、前記圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
双晶の双晶面が｛110｝で表される群から選ばれた１つである請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項３】
双晶の双晶面が｛100｝で表される群から選ばれた１つである請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項４】
圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶であることを特徴とする請求項２に記載の圧電体素子。
【請求項５】
圧電材料及び/又は電歪材料が斜方晶であることを特徴とする請求項２に記載の圧電体素子。
【請求項６】
圧電材料及び/又は電歪材料が菱面体晶であることを特徴とする請求項３に記載の圧電体素子。
【請求項７】
圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率が0.001以上至1.0以下である請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項８】
圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を有する請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項９】
圧電材料及び/又は電歪材料の配向率が、少なくとも一軸方向で99％以上である請求項８に記載の圧電体素子。
【請求項１０】
圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛100｝である請求項８に記載の圧電体素子。
【請求項１１】
圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛111｝である請求項８に記載の圧電体素子。
【請求項１２】
圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛110｝である請求項８に記載の圧電体素子。
【請求項１３】
下部電極、圧電材料及び/又は電歪材料が基板上に直接形成されている請求項１に記載の圧電体素子。
【請求項１４】
圧電材料及び/又は電歪材料を含む層が形成されており、その厚さが１μｍ以上至10μｍ以下である請求項１３に記載の圧電体素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の圧電体素子を用いた圧電アクチュエーター。
【請求項１６】
請求項１に記載の圧電体素子を用いたインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、圧電体素子に関するものであり、圧電アクチュエーター、特にインクジェット記録装置に使用されるインクジェット記録ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電アクチュエーターは、モータの微細化、高密度化が可能であるという点で、電磁型モータに代わる新しいモータとして、携帯情報機器分野、ならびに化学、医療分野で注目されている。圧電アクチュエーターはその駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けない。さらに、圧電アクチュエーターはマイクロマシンに代表されるような、サブミリメートルクラスの大きさの機器を作る技術として注目されており、その駆動源として微小な圧電アクチュエーターが求められている。
【０００３】
従来の圧電体素子は、一般に金属やシリコンなどの基板上の所定の位置にバルク材の焼結体を加工した圧電体が設けられている。圧電体はバルク材の焼結体を所望の大きさ、厚さに研磨加工を施したり、グリーンシートから型抜きして熱処理したものを用いたりしている。このようなバルク材の焼結体、グリーンシートからの成形体では、厚みが数μｍ以上のものが一般的である。このような圧電アクチュエーターの基本的構成は圧電体と弾性材料を接着剤で貼り合わせた構造となっている。
【０００４】
一方、接着剤による貼り合わせの他に、スパッタ法や印刷法などを用いて、基板上に圧電体を直接形成する手法がある。通常、印刷法やスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、ガスデポジション法等により形成される圧電体の厚みは、数十nｍ(数百Å)〜数百μｍ程度である。また、いずれの構成においても、圧電体には電極が設けられており、電極を通じて電圧が印加されるようになっている。
【０００５】
上記の説明に代表されるように、圧電体素子の基本的構成は圧電体と基板を接着剤等で貼り合わせた構成、もしくは基板上に圧電体を直接形成した構成となっている。
【０００６】
このような圧電体素子を用いたインクジェット記録装置の場合、インク供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通したインク吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合もしくは直接形成された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインクを圧縮することによりインク吐出口からインク液滴を吐出させる。このような作用を利用して現在カラーのインクジェット記録装置が普及しているが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字が求められている。そのためインクヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を用いて高解像度および高速印字を実現する事が試みられている。インクヘッドを微細化するためには、インクを吐出させるための圧電素子を小型化することが必要になる。
【０００７】
従来、このような小型の圧電体素子は、焼結により得られた圧電体を上記のように切削、研磨等の技術によって微細成形して製造されていたが、これとは別に、圧電体を薄膜として形成し、半導体で用いられてきた微細加工技術を駆使してより高精度な超小型圧電素子を開発する研究がなされている。さらに、その高性能化を考えた場合、圧電体は単結晶薄膜あるいは単一配向膜であることが望ましく、ヘテロエピタキシャル成長技術の開発が盛んに行われている。
【０００８】
一方、近年注目されている圧電材料として一般式ＡＢＯ3で構成されるペロブスカイト型構造を有する強誘電体材料がある。この材料は例えばＰＺＴに代表されるように優れた強誘電性、焦電性、圧電性を示す。また、ＰＺＮ-ＰＴに代表されるようなリラクサ系電歪材料はその優れた圧電性のため、圧電材料として特に期待されている。ＰＺＴ材料に関しては、例えば「セラミック誘電体工学」(学献社・第４版)の333頁(非特許文献１)に説明されているような材料である。また、リラクサ系材料としては、例えば特開2001−328867号公報(特許文献１)に記載されている。
【特許文献１】特開2001−328867号公報
【非特許文献１】「セラミック誘電体工学」(学献社・第４版),333頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のような圧電性の高い材料であっても、本来期待されるほど高い圧電性は実現されず、また、より高い圧電性が期待される、配向性を有するもしくは単結晶である圧電材料及び/又は電歪材料であっても、単純に結晶性を上げるだけでは、その圧電性が、配向性を有しないもしくは単結晶でない圧電材料及び/又は電歪材料と変わらない場合があることが分かってきた。さらに、圧電性を高めると問題になる、大きな圧電歪が主原因になる圧電体素子の電極剥がれや、基板上に圧電体素子を直接形成する際の膜剥がれ等を回避する好適な圧電体素子は未だ確立されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、圧電特性に優れた圧電材料及び/又は電歪材料を備えた圧電体素子を提供することを目的とする。また本願発明は、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を提供することを目的とする。また本願発明は、基板上に圧電体素子を直接形成する際の膜剥がれを防止することを目的とする。また本願発明は、信頼性の高い圧電アクチュエーター並びにインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
[１]上記目的を達成するため、本願発明の圧電体素子は、上部電極と、圧電材料及び/又は電歪材料と、下部電極とを有する圧電体素子であって、前記圧電材料及び／又は電歪材料が一般式ＡＢＯ3で構成される複合酸化物であり、前記圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことを特徴とする。
【００１２】
発明者らは鋭意検討の結果、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を含むことより圧電性が向上し、かつ、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を得ることが出来ることを見出した。
【００１３】
この明確な理由は不明であるが、例えば、一つの考察として、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有することにより、種々の製法で材料が作製される際に生じる内部応力を、双晶構造によって緩和し、材料本来の圧電性が示され、かつ、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子が得られるのではないか等が考えられる。
【００１４】
ここで、本願発明の双晶とは２個以上の同種の圧電材料及び/又は電歪材料の結晶が、ある面または軸に対して対称の関係を持って相接し一体をなしている構造をもつ結晶のことをいい、前述のある面または軸に双晶ドメイン境界をもつ双晶結晶のことをいう。
[２]上述の目的は双晶の双晶面が｛110｝で表される群から選ばれた１つである前記[１]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００１５】
ここで、｛110｝とは(110)や(101)や(011)で一般に表される計６面を総称した表現である。例えば(100)と(001)は結晶系が立方晶系の場合は違いはないが、分極する圧電材料及び／又は電歪材料の場合は区別しなければならない場合がある。例えば正方晶や斜方晶の場合は(100)と(001)を区別しなければならないので区別している。この際、「結晶主面」は分極方向の(001)、(100)のいずれを選択してもかまわない為、(001)や(100)を総称した表記として｛100｝という表現を用いている。
【００１６】
さらに、双晶面とは｛110｝の両側の格子点のイオンが鏡像関係にある場合にこの｛110｝のことをいう。
【００１７】
[３]上述の目的は双晶の双晶面が｛100｝で表される群から選ばれた１つである前記[１]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００１８】
ここで、｛100｝とは(100)や(010)や(001)で一般に表される計６面を総称した表現である。さらに、双晶面とは｛100｝の両側の格子点のイオンが鏡像関係にある場合にこの｛100｝のことをいう。
[４]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶であることを特徴とする前記[２]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００１９】
このような双晶の存在が圧電材料及び/又は電歪材料の圧電性の向上や、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性に寄与する明確な理由は不明だが、例えば正方晶の圧電材料及び/又は電歪材料の分極軸方向である[001]に対し、(101)を双晶面とした双晶ドメインの[100]は、前述の[001]とのなす角が一般に数度以内であるために、圧電材料及び/又は電歪材料本来の構造を大きくは損なわずに、双晶ドメインの寄与により内部応力が緩和し、材料本来の圧電性が示されるとともに、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が向上するのではないか、また、電圧印加時に双晶ドメインがスイッチングする、もしくは、ドメイン壁が移動することにより、容易に格子が歪むことで大きな圧電性が得られるのではないかなどが考えられる。
【００２０】
[５]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が斜方晶であることを特徴とする前記[２]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００２１】
このような双晶の存在が圧電材料及び/又は電歪材料の圧電性の向上や、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性に寄与する明確な理由は不明だが、例えば斜方晶の圧電材料及び/又は電歪材料の分極軸方向である[011]に対し、(110)を双晶面とした双晶ドメインの[101]は、前述の[011]とのなす角が一般に数度以内であるために、圧電材料及び/又は電歪材料本来の構造を大きくは損なわずに、双晶ドメインの寄与により内部応力が緩和し、材料本来の圧電性が示されるとともに、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が向上するのではないか、また、電圧印加時に双晶ドメインがスイッチングする、もしくは、ドメイン壁が移動することにより、容易に格子が歪むことで大きな圧電性が得られるのではないかなどが考えられる。
【００２２】
[６]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が菱面体晶であることを特徴とする前記[３]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００２３】
このような双晶の存在が圧電材料及び/又は電歪材料の圧電性の向上や、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性に寄与する明確な理由は不明だが、例えば菱面体晶の圧電材料及び/又は電歪材料の分極軸方向である[111]に対し、(100)を双晶面とした双晶ドメインの[-111]は、前述の[111]とのなす角が一般に数度以内であるために、圧電材料及び/又は電歪材料本来の構造を大きくは損なわずに、双晶ドメインの寄与により内部応力が緩和し、材料本来の圧電性が示されるとともに、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が向上するのではないか、また、電圧印加時に双晶ドメインがスイッチングする、もしくは、ドメイン壁が移動することにより、容易に格子が歪むことで大きな圧電性が得られるのではないかなどが考えられる。
【００２４】
[７]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率が0.001以上至1.0以下である前記[１]〜[６]のいずれかに記載の圧電体素子によって達成される。このような双晶率の圧電材料及び/又は電歪材料が、内部応力の緩和により材料本来の圧電性が示されるとともに、圧電圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が向上する。
【００２５】
ここで本願発明の双晶率とは、圧電材料及び/又は電歪材料の、結晶中の双晶ドメインの割合のことをいい、例えば高分解能ＴＥＭやＸ線回折により双晶の存在や双晶率を確認することが出来る。
【００２６】
[８]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を有する前記[１]〜[７]のいずれかに記載の圧電体素子によって達成される。
【００２７】
[９]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料の配向率が、少なくとも一軸方向で99％以上である前記[８]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００２８】
圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を有するもしくは単結晶であると一般に高い圧電性をもつと考えられているが、実際には単純に結晶性を上げるだけでは本来期待されるほど高い圧電性は実現されておらず、その圧電性は、配向性を有しないもしくは単結晶性でない圧電材料及び/又は電歪材料と変わらない場合がある。
【００２９】
しかし、双晶を有する圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を持つ場合、実際に高い圧電性を有する圧電体素子を得ることが出来る。また、配向性を有するもしくは単結晶である圧電材料及び/又は電歪材料は、無配向膜よりも圧電体素子の下部電極もしくは上部電極との密着性が悪くなるが、双晶を有する圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を持つ場合、実際に下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を得ることが出来る。
【００３０】
この場合の配向性とは、例えば１軸配向でも良いし、複数の軸さらにはすべての軸が配向性を有していても良い。圧電材料及び/又は電歪材料の配向性は高い方が好ましく、最も好ましくはすべての軸が配向性を有し、かつ配向率が100％である。
【００３１】
ここで本願発明の配向率とは、圧電材料及び/又は電歪材料の、全結晶粒子中での少なくとも一軸方向に、方向を同じくしている結晶粒子の割合のことをいい、例えば高分解能ＴＥＭやＸ線回折により配向性の有無や配向率を確認することが出来る。
【００３２】
[10]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛100｝である前記[８]または[９]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００３３】
[11]また、上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛111｝である前記[８]または[９]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００３４】
[12]さらに、上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛110｝である前記[８]または[９]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００３５】
ここで結晶主面とは配向性を有する圧電材料及び/又は電歪材料の異相と接する面での主たる結晶面のことを指す。
【００３６】
膜が双晶のため、[001]方位の膜であっても結晶面は(001)とは、限らず、例えば(100)などが現れる場合があるが、主たる面は、(001)であると規定する。すなわち、[001]配向の場合の結晶主面は(001)である。
【００３７】
同様に、[111]方位の膜であっても、膜が双晶のため、結晶面は(111)とは限らず、例えば(1-11)などが現れる場合があるが、主たる面は(111)であると規定する。同様に[011]方位の膜であっても、膜が双晶のため、結晶面は(011)とは限らず、例えば(101)などが現れる場合があるが、主たる面は(011)であると規定する。
【００３８】
[13]上述の目的は下部電極、圧電材料及び/又は電歪材料が基板上に直接形成されている前記[１]〜[12]のいずれかに記載の圧電体素子によって達成される。
【００３９】
圧電材料及び/又は電歪材料が基板上に直接形成される場合、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極や基板との膜剥がれが問題になるが、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つ場合、実際に下部電極もしくは上部電極さらには基板との密着性が良い圧電体素子を得ることが出来る。さらに、基板上に直接形成した圧電体素子は圧電材料及び/又は電歪材料を薄くすることができるため、圧電体素子の微細化および高密度化が可能となる。
【００４０】
[14]上述の目的は圧電材料及び/又は電歪材料を含む層が形成されており、その厚さが１μｍ以上至10μｍ以下である前記[13]に記載の圧電体素子によって達成される。
【００４１】
圧電材料及び/又は電歪材料が双晶をもつ場合、圧電性が向上するには１μｍ以上の膜厚であることが好ましい。また、圧電材料及び/又は電歪材料を基板上に直接成膜する場合、１μｍ以上の膜厚では膜剥がれが問題になることがあるが、本願発明の圧電体素子を用いた場合、１μｍ以上の膜厚に於いても膜剥がれを防止することができる。
【００４２】
[15]上述の目的は前記[１]〜[13]のいずれかに記載の圧電体素子を用いた圧電アクチュエーターによって達成される。
【００４３】
本願発明の圧電アクチュエーターは優れた圧電性を有する圧電体素子を具備する。また、本願発明の圧電アクチュエーターは圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を具備する。さらに、本願発明の圧電アクチュエーターは基板上に圧電体素子を直接形成する際、膜剥がれのない圧電体素子を具備する。このため、圧電体素子をより小型化、高機能化することが容易で信頼性の高い圧電アクチュエーターを得ることが出来、高性能のマイクロマシンやマイクロセンサを得ることが出来る。
【００４４】
[16]上述の目的は前記[１]〜[14]のいずれかに記載の圧電体素子を用いたインクジェット記録ヘッドによって達成される。
【発明の効果】
【００４５】
本願発明のインクジェット記録ヘッドは優れた圧電性を有する圧電体素子を具備する。また、本願発明のインクジェット記録ヘッドは圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を具備する。さらに、本願発明のインクジェット記録ヘッドは基板上に圧電体素子を直接形成する際、膜剥がれのない圧電体素子を具備する。このため、圧電素子をより小型化、高機能化することが容易で信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを得ることが出来、様々な分野において、微少かつ精密なインク滴制御が可能になる。
【００４６】
本願発明によれば、上部電極、圧電材料及び/又は電歪材料、下部電極を含む圧電体素子であって、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことで、圧電材料及び/又は電歪材料の内部応力を緩和し、高い圧電性を有する圧電体素子を得ることが出来る。また、上部電極、圧電材料及び/又は電歪材料、下部電極を含む圧電体素子であって、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことで、圧電圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を得ることが出来る。また、上部電極、圧電材料及び/又は電歪材料、下部電極を含む圧電体素子であって、下部電極、圧電材料及び/又は電歪材料が基板上に直接形成される際、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことで、基板上に圧電体素子を直接形成する際の膜剥がれを防止することが出来る。また、上部電極、圧電材料及び/又は電歪材料、下部電極を含む圧電体素子であって、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を持つことで、信頼性の高い圧電アクチュエーター並びにインクジェット記録ヘッドを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４８】
図１ないし図３は一実施の形態によるインクジェット記録ヘッドを示すもので、このインクジェット記録ヘッドＭは、基体である本体基板部１と、複数の液吐出口(ノズル)２と、各液吐出口２に対応して設けられた複数の圧力室(液室)３と、各圧力室３にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエーター10とから構成されており、液吐出口２は、ノズルプレート４に所定の間隔をもって形成され、圧力室３は、本体基板部(液室基板)１に、液吐出口２にそれぞれ対応するように並列して形成されている。
【００４９】
なお、本実施の形態では、液吐出口２が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。
【００５０】
本体基板部１の上面には各圧力室３にそれぞれ対応した図示しない開口部が形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエーター10が位置付けられ、各アクチュエーター10は、振動板11と圧電体素子15で構成され、圧電体素子15は圧電材料及び/又は電歪材料12と一対の電極(下部電極13および上部電極14)とから構成されている。
【００５１】
本願発明の圧電材料及び/又は電歪材料は一般式ＡＢＯ3，ＡＢ2Ｏ6で構成される複合酸化物であれば特に限定されず、本発明で目的とする圧電素子を構成できるものであれば、例えば以下の材料が好適である。具体例としては、例えばＰＺＴ[Ｐb(ＺrxＴi1-x)Ｏ3]、ＰＭＮ[Ｐb(ＭgxＮb1-x)Ｏ3]、ＰＮＮ[Ｐb(ＮbxＮi1-x)Ｏ3]、ＰＳＮ[Ｐb(ＳcxＮb1-x)Ｏ3]、ＰＺＮ[Ｐb(ＺnxＮb1-x)Ｏ3]、ＰＭＮ-ＰＴ[(１-y){Ｐb(ＭgxＮb1-x)Ｏ3}-y{ＰbＴiＯ3}],ＰＳＮ-ＰＴ[(１-y){Ｐb(ＳcxＮb1-x)Ｏ3}-y{ＰbＴiＯ3}]、ＰＺＮ-ＰＴ[(１-y){Ｐb(ＺnxＮb1-x)Ｏ3}-y{ＰbＴiＯ3}]などが選択できる。例えばＰＺＴは代表的なペロブスカイト型圧電材料であり、ＰＺＮ-ＰＴやＰＭＮ-ＰＴは代表的なリラクサ系電歪材料である。ここで、xおよびyは１以下の０以上の数である。例えば、このような材料はＭＰＢと呼ばれる結晶相境界を持つ場合があり、一般的にＭＰＢ領域の圧電性が良好であると知られている。ＭＰＢ領域はＰＺＴの場合xは0.4〜0.65で、ＰＭＮではxは0.2〜0.5で、ＰＳＮではxは0.4〜0.7が好ましく、ＰＭＮ-ＰＴのyは0.2〜0.4、ＰＳＮ-ＰＴのyは0.35〜0.5、ＰＺＮ-ＰＴのyは0.03〜0.35が好ましい。
【００５２】
さらに本願発明の圧電材料及び/又は電歪材料は一般式ＡＢＯ3，ＡＢ2Ｏ6で構成される複合酸化物であれば鉛系以外の材料でも良く、例えばＢＴＯ(チタン酸バリウム),ＳＢＮ(ニオブ酸ストロンチウムバリウム),ＫＮＯ(ニオブ酸カリウム),ＬＮＯ(ニオブ酸リチウム),ビスマス系ペロブスカイト化合物（例えばＢＮＴ（チタン酸ビスマスナトリウム）など）などがある。このように鉛系、非鉛系、圧電材料、電歪材料などに大きく分類できるが、その圧電性が最も大きいのは鉛系のリラクサ系電歪材料であるため、例えばＰＺＮ-ＰＴやＰＭＮ-ＰＴなどの材料を選択することが特に好ましい。また、ＰＭＮ-ＰＴ、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＮＮ-ＰＴ、ＰＳＮ-ＰＴにＺrがＴiに代替されて含まれたＰＭＮ-ＰＺＴ、ＰＺＮ-ＰＺＴ、ＰＮＮ-ＰＺＴ、ＰＳＮ-ＰＺＴ化合物であっても良い。
【００５３】
さらに本願発明の圧電材料及び/又は電歪材料は単一組成であっても２種類以上の組み合わせであっても良い。又、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であっても良く、代表例としてＬaドープＰＺＴ :ＰＬＺＴ[(Ｐb,Ｌa)(Ｚ,Ｔi,)Ｏ3]のようなものが一般的である。このように本願発明の圧電材料及び／又は電歪材料は特には限定されないが、好ましくは一般式ＡＢＯ3で構成される複合酸化物がよい。
【００５４】
圧電材料及び/又は電歪材料の形成方法は特に限定されないが、例えば、バルク材焼結体や、フラックス法、引き上げ法、ブリッジマン法などを用いた圧電材料及び/又は電歪材料を所望の大きさ、厚さに研磨加工を施したり、グリーンシートから型抜きしたりして熱処理したものを用いる場合が多い。このような成形体では厚みがおよそ100μｍ以上のものが一般的である。このような圧電体素子を用いた圧電アクチュエーターの基本的構成は、圧電体素子と基板などの弾性材料を接着剤もしくは各種接合方法で貼り合わせた構造となっている。
【００５５】
一方100μｍ以下の成形体では上記以外の方法として、印刷法などを用いて基板上に下部電極13、圧電材料及び/又は電歪材料が直接形成されることが好ましい。この場合、圧電体素子形成後に所望の形状にパターン形成を行うことが好ましい。さらに、10μｍ以下の薄膜では通常、ゾルゲル法や水熱合成法、ガスデポジション法等、電気泳動法等の薄膜形成法、さらにはスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、イオンビームデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等の薄膜形成法を用いることが好ましい。これらの薄膜形成法では、基板や下部電極からのエピタキシャル成長を用いた圧電材料及び/又は電歪材料の高配向化が可能となるため、さらに高い圧電性を有する圧電体素子を形成することが可能となる。
【００５６】
本願発明の圧電体素子に用いる上部電極もしくは下部電極は、前述の圧電材料及び/又は電歪材料と良好な密着性を有し、かつ導電性の高い材料、つまり上部電極もしくは下部電極の比抵抗は、10-7〜10-2Ω・cｍであることが好ましい。例えばこのような材料は一般的に金属であることが多いが、例えばＡu,Ａg,ＣuやＲu,Ｒh,Ｐd,Ｏs,Ir,ＰtなどのＰt族の金属が電極材料として用いられることが多い。また上記材料を含む銀ペーストやはんだなどの合金材料も高い導電性を有するとともに素子形成にも好ましい。また、例えば IrＯ(酸化イリジウム),ＳＲＯ(ルテニウム酸ストロンチウム),ＩＴＯ(導電性酸化スズ),ＢＰＯ(鉛酸バリウム)などの導電性酸化物材料も電極材料として好ましい。
【００５７】
また、下部電極の膜厚は10nｍから2000nｍである。特に下部電極の膜厚は100nｍから1000nｍが好ましい。下部電極を形成する材料の形成方法は特に限定されないが、例えば、圧電材料及び/又は電歪材料の上下に印刷法などを用いて下部電極を直接形成したり、基板または振動板上に印刷法を用いて下部電極を、直接形成したりすることができる。さらに、圧電材料及び/又は電歪材料が10μｍ以下の薄膜では通常、ゾルゲル法や水熱合成法、ガスデポジション法等、電気泳動法等の薄膜形成法、さらにはスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、イオンビームデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等の真空薄膜形成法を用いて基板や振動板上に直接下部電極を成膜することが好ましい。これらの薄膜形成法では、基板や振動板からのエピタキシャル成長を用いた下部電極の単結晶化、高配向化が可能となるため、さらに高い圧電性を有する圧電体素子を形成することが可能となる。また、同様に上部電極も膜厚に応じて適宜形成すればよい。
【００５８】
さらに、下部電極と振動板との間に密着層として下部電極と異なる金属材料あるいは金属酸化物材料を形成しても良い。密着層は金属としては例えばＴi、Ｃr、Irがあり、金属酸化物としては、例えばＴiＯ2、IrＯ2がある。密着層の膜厚は、３nｍから300nｍであり、好ましくは３〜70nｍである。また、同様に圧電材料及び/又は電歪材料と上部電極との間に同様の密着層を設けることもできる。
【００５９】
圧電材料及び/又は電歪材料は双晶を有することにより圧電性の向上が図れ、かつ、圧電圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性が良い圧電体素子を得ることが出来る。
【００６０】
特に、圧電材料及び/又は電歪材料の結晶が正方晶であり、双晶の双晶面が(101)であることが好ましい。もしくは同様に、圧電材料及び/又は電歪材料の結晶が菱面体晶であり、双晶の双晶面が(100)であることが好ましい。もしくは同様に、圧電材料及び/又は電歪材料の結晶が斜方晶であり、双晶の双晶面が(110)であることが好ましい。
【００６１】
以上３つを例として挙げたが、その他、同様に分極軸と数度以内に結晶軸が存在する双晶であれば、圧電材料及び/又は電歪材料の圧電性の向上や、圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性の向上に寄与するし、結晶系が例えば六方晶や擬似立方晶などでも、分極軸と数度以内に結晶軸が存在する双晶であれば、圧電材料及び/又は電歪材料の圧電性の向上や、圧電圧電材料及び/又は電歪材料と下部電極もしくは上部電極との密着性の向上に寄与する。
【００６２】
圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率は0.001以上至1.0以下であることが好ましく、また、圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を有することは特に好ましい。
【００６３】
圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率はＸ線回折の極点測定や逆格子空間マッピングによって簡単に求めることができる。例えば、正方晶の(001)配向の圧電材料及び/又は電歪材料が(101)を双晶面とした双晶を有する場合、逆格子空間マッピングにより、例えば(204)などの非対称面を観察した場合、図４のように(204)に起因した回折の近傍に、双晶の(402)に起因した回折が現れる。このとき、(204)に起因した回折のピーク強度をI1、双晶の(402)に起因した回折のピーク強度をI2、I3とした場合に、(I2＋I3)/(I1＋I2＋I3)を圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率、と定義する。
【００６４】
同様に、例えば、菱面体晶の(100)配向の圧電材料及び/又は電歪材料が(010)を双晶面とした双晶を有する場合、極点測定により、例えば(400)などの対称面を観察した場合、図５のように(400)に起因した回折の近傍に、双晶の(400)に起因した回折が現れる。このとき、(400)に起因した回折のピーク強度をI1、双晶の(400)に起因した回折のピーク強度をI2、I3とした場合に、(I2＋Ｉ3)/(I1＋I2＋I3)を圧電材料及び/又は電歪材料の双晶率と定義する。
【００６５】
このように圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有する場合、Ｘ線回折により、双晶率を確認することが出来るが、さらに同様に、圧電材料及び/又は電歪材料の双晶の存在は、上述のＸ線回折の他にも、例えばＴＥＭによる断面観察や表面観察によって確認することが出来る。
【００６６】
圧電材料及び/又は電歪材料の配向率は90％以上あるものが好ましく、さらに99％以上のものがより好ましい。圧電材料及び/又は電歪材料の配向性は高い方が好ましく、最も好ましくはすべての軸が配向性を有し、かつ配向率が100％である。
【００６７】
圧電材料及び/又は電歪材料の配向率はＸ線回折の２θ/θ測定で求めることができる。例えば圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶の[001]配向の場合、正方晶の(001)の回折が最も強く検出されるように圧電材料及び/又は電歪材料をセッティングした際、配向率は圧電材料及び/又は電歪材料に起因するすべての反射ピーク強度の和に対する、(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因するすべての反射ピーク強度の和の割合で定義する。ただし、双晶は双晶ドメインをもつ結晶なので、双晶結晶として配向していればよく、双晶結晶の双晶ドメイン起因のピーク強度は反射ピーク強度の和には加えない。
【００６８】
双晶結晶の双晶ドメイン起因のピーク強度は、その他のピーク強度とＸ線回折によって簡単に区別することが出来る。例えば、圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶であって双晶面が(101)の場合、(001)起因の反射ピークと双晶ドメインの(100)起因の反射ピークは、Ｘ線回折の２θ/θ測定での同じ測定軸上の同じ回折点上には現れないので簡単に確認することが出来る。
【００６９】
さらに、例えば圧電材料及び/又は電歪材料が99％以上の配向率を持つ場合、(001)起因の反射ピークと双晶ドメインの(100)起因の反射ピークは、Ｘ線回折の２θ/θ測定での同じ測定軸上には現れないのでさらに簡単に確認することが出来る。この場合の配向性とは、例えば１軸配向であってもよいし、すべての軸が配向性を有していてもよい。
【００７０】
同様に、例えば圧電材料及び/又は電歪材料がすべての軸で配向率100％で配向していることも、Ｘ線回折で確認できる。例えば、圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶であって双晶面が(101)の場合、Ｘ線回折の２θ/θ測定で(001)の回折が最も強く検出されるように圧電材料及び/又は電歪材料をセッティングした際、すべての軸で配向率100％で配向していることは、Ｘ線回折の２θ/θ測定で圧電材料及び/又は電歪材料の(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因する反射ピークのみが検出され、かつ、例えば(204)などの非対称面がＸ線回折の極点測定において４回対称の反射ピークが現れることによって簡単に確認できる。ただし、双晶は双晶ドメイン境界をもつ結晶なので、双晶結晶として配向していればよく、双晶結晶の双晶ドメイン起因の反射ピークが確認されてもかまわない。
【００７１】
双晶結晶の双晶ドメイン起因のピーク強度は、その他のピーク強度とＸ線回折によって簡単に区別することが出来る。例えば、圧電材料及び/又は電歪材料が正方晶であって双晶面が(101)の場合、(001)起因の反射ピークと双晶ドメインの(100)起因の反射ピークは、Ｘ線回折の２θ/θ測定での同じ測定軸上には現れないので簡単に確認することが出来る。
【００７２】
圧電材料及び/又は電歪材料が配向性を有する場合、圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛100｝であることは特に好ましく、もしくは、圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛111｝であることは特に好ましく、もしくは、圧電材料及び/又は電歪材料が上部電極と接する結晶主面が｛110｝であることは特に好ましい。
【００７３】
ここで結晶主面とは配向性をもつ圧電材料及び/又は電歪材料の配向面のことを指し、例えば[001]配向の場合の結晶主面は(001)である。
【００７４】
本願発明の圧電材料及び/又は電歪材料は双晶を有するため、例えば、正方晶の[001]配向の場合、(101)を双晶面とした双晶ドメインの影響で[001]から数度傾いた方向に[100]が存在するが、上部電極と接する面は[001]方向であってもよく、また、４つの[100]方向のどれであってもよく、またその間であってもよい。
【００７５】
同様に、例えば、正方晶の[111]配向の場合、双晶ドメインの影響で[111]が３方向に分裂する。この分裂方向は双晶面が(101)の場合、お互いに数度傾いた方向であり、上部電極と接する面は３つの[111]方向のどれであってもよく、またその間であってもよい。
【００７６】
同様に、例えば、菱面体晶の[100]配向の場合、双晶ドメインの影響で[100]が４方向に分裂する。この分裂方向は双晶面が(100)の場合、お互いに数度傾いた方向であり、上部電極と接する面は４つの[100]方向のどれであってもよく、またその間であってもよい。
【００７７】
同様に、例えば、菱面体晶の[111]配向の場合、(100)を双晶面とした双晶ドャCンの影響で[111]から数度傾いた方向に[-111]が存在するが、上部電極と接する面は[111]方向であってもよく、また、３つの[-111]方向のどれであってもよく、またその間であってもよい。
【００７８】
このように圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有する場合、上部電極と接する結晶主面とは結晶の配向方向でも、双晶起因で分裂した配向方向でもどちらであってもよく、またその間であってもよく、数度程度の傾きの範囲を持つ。
【００７９】
本願発明の圧電体素子は、圧電体素子の微細化が可能となるため、基板上に直接形成することが特に好ましい。直接形成するための薄膜プロセスとして、ゾルゲル法や水熱合成法、ガスデポジション法等、電気泳動法等の薄膜形成法、さらにはスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、イオンビームデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等の真空薄膜形成法を用いて圧電体素子を形成することが好ましい。これらの薄膜形成法では、基板や下部電極の結晶性を利用した圧電材料及び/又は電歪材料の結晶配向性の制御や、エピタキシャル成長を用いた圧電材料及び/又は電歪材料の高配向化がさらに容易となる。
【００８０】
さらに、本願発明の圧電体素子は基板上に直接形成されることが好ましいため、圧電材料及び/又は電歪材料の厚さが１μｍ以上至10μｍ以下であることが特に好ましく、さらに１μｍ以上至５μｍ以下であることが好ましい。圧電材料及び/又は電歪材料の厚さが10μｍ以上で薄膜プロセスにより基板上に直接形成した圧電体素子は、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶構造を有していたとしても膜剥がれ等の問題のため、前述のすべての圧電材料及び/又は電歪材料に対して、配向性の高い圧電体素子を得ることが難しいと考えられる。
【００８１】
この際に用いる基板としては、例えばＳi、ＳrＴiＯ3、(Ｌa,Ｓr)ＴiＯ3、ＭgＯ、Ａl2Ｏ3、ＳrＲuＯ3、ＲuＯ2、Ｐtなどの単結晶基板、特に一般的に優れた強誘電体特性を示す鉛系の圧電体薄膜ＰＺＴやＰＬＺＴ、電歪材料であるＰＺＮ-ＰＴ等に格子定数の近いＳrＴiＯ3、(Ｌa,Ｓr)ＴiＯ3、ＭgＯ、ＳrＲuＯ3等の単結晶基板が好ましい。しかし、例えばＳi基板は大面積化が容易であるなどの理由で基板として好ましい。例えばＳi基板を用いた場合でも、基板と圧電材料及び/又は電歪材料の中間層を制御したり、電極としてよく利用されるＰt電極の自然配向性を利用したり、電極の成膜条件を制御したりすることで、圧電材料及び/又は電歪材料の単結晶化、高配向化が可能となるため、さらに高い圧電性を有する圧電体素子を形成することも可能である。同様に、例えば単結晶ではないガラス基板やステンレス等の基板でも良い。
【００８２】
本願発明の図１ないし図３の一実施の形態に示すインクジェット記録ヘッドＭのアクチュエーター10は、ユニモルフ振動子型の圧電アクチュエーターである。この場合は、圧電体素子15と振動板11で圧電アクチュエーターが構成されるが、振動板はＳiなどの半導体、金属、金属酸化物、ガラスなどが好ましい。前述の圧電体素子と振動板は接合や接着により形成されてもよいし、振動板を基板として下部電極および圧電材料及び/又は電歪材料を基板上に直接形成してもよい。さらに、基板上に振動板を直接形成しても良い。また、基板と本体基板部１とは同じであってもそうでなくてもよい。本願発明の図１ないし図３の一実施の形態に示すインクジェット記録ヘッドＭの圧電アクチュエーター10の場合、振動板11のヤング率は10ＧＰa〜300ＧＰa、振動板の厚さは10μｍ以下であることが好ましい。
【００８３】
他にも圧電アクチュエーターは様々な形態があるが、例えば積層型振動子を用いたインクジェット記録ヘッドの場合は、振動板の厚さは200μｍ以下であることが好ましい。さらにその他圧電アクチュエーターの用途に合わせ、振動板の材料および物性を適宜選択すればよい。また、前述の圧電体素子は、上記したインクジェット記録ヘッドの圧電アクチュエーターのほか、マイクロポンプ、超音波モータ、超音波振動子、圧電トランス、周波数フィルタ、圧電センサ、圧電スピーカ、圧電リレー、マイクロマシン、マイクロミラーデバイスなどの圧電アクチュエーターに用いてもよい。
【００８４】
薄膜プロセスを用いて基板上に順次、振動板、下部電極、圧電体、上部電極のすべてまたはそのいくつかを直接形成する場合、インクジェット記録ヘッドの各ノズル毎の圧電アクチュエーターの性能のばらつきが少なく、下部電極もしくは上部電極との密着性が良く、さらに、圧電体素子の微細化および高密度化が可能となる。また、配向性の高いの圧電材料及び/又は電歪材料を用いることで、さらに圧電素子の圧電特性を向上させることができるため、圧電素子の更なる微細化および高密度化が可能となる。このため、本実施の形態はインクジェット記録ヘッドとして特に好ましい。
【実施例】
【００８５】
以下、本願発明の実施例における圧電体素子及びこれを用いたアクチュエーター並びにインクジェット記録ヘッドを図面を参照して詳細に説明する。
【００８６】
≪実施例１、比較例１≫
実施例１の圧電体素子の製作手順は以下の通りである。
【００８７】
電歪材料ＰＺＮ-ＰＴ[0.91｛Ｐb(Ｚn1/3Ｎb2/3)Ｏ3｝-0.09｛ＰbＴiＯ3｝]単結晶体をフラックス法で作製し、原料粉を溶融した後の、核発生、単結晶成長段階の温度条件を調整し、双晶構造を導入させ、上下電極面と接する結晶主面が(001)になるように結晶体を300μｍ厚の薄板状に切り出した。この電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板をＲigaku製の多軸Ｘ線回折装置Ｒint-InplaneによりＸ線回折を行った。２θ/θ測定の結果、図６に示すように(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因する反射ピークのみが検出された。また、図７に示す非対称面(204)の正極点測定を行ったところ、４回対称で反射ピークが現れた。この結果、電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板がすべての軸で配向率100％で配向していること確認した。さらに図８に示す(204)の逆格子空間マッピングを行ったところ、実施例１の電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板は正方晶であり、双晶面が(101)、双晶率0.6程度の双晶を有していることを確認した。
【００８８】
さらに、薄板の上下にＰt/Ｔi電極をスパッタ法で成膜し、実施例１の圧電体素子を作製した。
【００８９】
同様に比較例１の圧電体素子の製作手順は以下の通りである。
【００９０】
電歪材料ＰＺＮ-ＰＴ[0.91｛Ｐb(Ｚn1/3Ｎb2/3)Ｏ3｝-0.09｛ＰbＴiＯ3｝]単結晶体を実施例１とは、温度条件を変えてフラックス法で作製し、上下電極面と接する結晶主面が(001)になるように単結晶体を300μｍ厚の薄板状に切り出した。この電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板をＸ線回折を行った。２θ/θ測定の結果、(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因する反射ピークのみが検出された。また、非対称面(204)の正極点測定を行ったところ、４回対称で反射ピークが現れた。この結果、電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板がすべての軸に対し配向率100％で配向していること確認した。さらに図９および図10に示す(204)と(-204)の逆格子空間マッピングを行ったところ、比較例１の電歪材料ＰＺＮ-ＰＴの薄板は正方晶であり、双晶がないことを確認した。
【００９１】
さらに、薄板の上下にＰt/Ｔi電極をスパッタ法などで成膜し、比較例１の圧電体素子を作製した。
【００９２】
表１には、実施例１および比較例１の圧電体素子の圧電定数測定を行った結果を示す。
【００９３】
【表１】
2004249729.tif 000003
【００９４】
この結果、実施例１は比較例１と比較して圧電定数の点できわめて優れていることを確認した。
【００９５】
≪実施例２,３、比較例２≫
実施例２の圧電体素子の製作手順は以下の通りである。
【００９６】
下部電極を兼ねるＬaドープＳrＴiＯ3(100)基板上に圧電材料ＰＺＴ[Ｐb(Ｚr0.55Ｔi0.45)Ｏ3]をＭＯ−ＣＶＤ法で基板温度400℃以上を保持しながら膜厚３μｍ成膜し、この際、原料ガスを混合させるのにPb原料とTi原料を混合させた後、Zr原料が導入されるように反応器が２槽ある装置を用いて行い、この圧電材料ＰＺＴ膜のＸ線回折を行った。２θ/θ測定の結果、(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因する反射ピークのみが検出された。また、非対称面(204)の正極点測定を行ったところ、４回対称で反射ピークが現れた。この結果、圧電材料ＰＺＴ膜がすべての軸に対し配向率100％で配向していること確認した。さらに対称面(004)の正極点測定を行ったところ、図５に示した模式図の様な回折パターンが得られ、同時に(204)の逆格子空間マッピングを行ったところ、基板とほぼ同じα軸上にＰＺＴの回折点が現れた。この結果、実施例２の圧電材料ＰＺＴ薄膜は菱面体晶であり、双晶面が(100)、双晶率0.8程度の双晶を有していることを確認した。
【００９７】
さらに、薄膜の上部にＰt/Ｔi電極を作製し、実施例２の圧電体素子を作製した。
【００９８】
同様に、実施例３の圧電体素子の製作手順は以下の通りである。
【００９９】
下部電極を兼ねるＬaドープＳrＴiＯ3(100)基板上に圧電材料ＰＺＴ[Ｐb(Ｚr0.45Ｔi0.55)Ｏ3]をスパッタ法で基板温度400℃以上を保持しながら、成膜中にターゲットと基板間距離を変化させ、かつ、その際の温度変化を１０％以下に保った状態で膜厚３μｍ成膜し、この圧電材料ＰＺＴ 膜のＸ線回折を行った。２θ/θ測定の結果、(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n:nは整数)に起因する反射ピークのみが検出された。また、非対称面(204)の正極点測定を行ったところ、４回対称で反射ピークが現れた。この結果、圧電材料ＰＺＴ膜がすべての軸に対し配向率100％で配向していること確認した。さらに(204)の逆格子空間マッピングを行ったところ、図４に示した模式図の様な回折パターンが得られた。この結果、実施例３の圧電材料ＰＺＴ薄膜は正方晶であり、双晶面が(101)、双晶率0.01程度の双晶を有していることを確認した。
【０１００】
さらに、薄膜の上部にＰt/Ｔi電極を作製し、実施例３の圧電体素子を作製した。
【０１０１】
同様に、比較例２の圧電体素子の製作手順は以下の通りである。
【０１０２】
下部電極を兼ねるＬaドープＳrＴiＯ3(111)基板上に圧電材料ＰＺＴ[Ｐb(Ｚr0.58Ｔi0.42)Ｏ3]をスパッタ法などで基板温度400℃以上を保持しながら、成膜中にターゲットと基板間距離を変化させずに膜厚３μｍ成膜し、この圧電材料ＰＺＴ 膜のＸ線回折を行った。２θ/θ測定の結果、(00Ｌ)面(Ｌ=１,２,３・・・n)に起因する反射ピークのみが検出された。また、非対称面(204)の正極点測定を行ったところ、３回対称で反射ピークが現れた。この結果、圧電材料ＰＺＴ膜は単結晶であることを確認した。さらに対称面(004)の正極点測定を行ったところ、α＝90°上に同心円状の回折パターンが１つだけ得られ、同時に(204)の逆格子空間マッピングを行ったところ、基板とほぼ同じα軸上にＰＺＴの回折点が現れた。この結果、比較例２の圧電材料ＰＺＴ薄膜は菱面体晶であり、双晶がないことを確認した。
【０１０３】
さらに、薄膜の上部にＰt/Ｔi電極を作製し、比較例２の圧電体素子を作製した。
【０１０４】
表２には、実施例２および実施例３および比較例２の圧電体素子の圧電定数測定を行った結果を示す。
【０１０５】
【表２】
2004249729.tif 000004
【０１０６】
この結果、実施例２および実施例３は比較例２と比較して圧電定数の点できわめて優れていることを確認した。
【０１０７】
≪実施例４、比較例３≫
実施例４、比較例３の圧電アクチュエーターの製作手順は以下の通りである。
【０１０８】
まず、基体である本体基板部(Ｓi基板)にスパッタ法で振動板を成膜した。このとき、基体を加熱し、500℃以上の温度を保持しながら成膜することによって、振動板は結晶成長し、単一配向した。同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、高配向の結晶膜を得た。さらに、実施例４は実施例３と同様の方法で、また比較例３は比較例２と同様の方法で圧電材料及び/又は電歪材料を下部電極に成膜することで、高配向結晶の圧電材料及び/又は電歪材料を得た。上部電極もスパッタ法により成膜した。
【０１０９】
次に、基体であるＳi基板をウェットの異方性エッチングによって、後方から中央部を取り除き図２の圧電アクチュエーターを作製した。各圧電アクチュエーターの振動部の長さは5000μｍ、幅は200μｍである。
【０１１０】
このとき、実施例４の圧電アクチュエーターは、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有していることを確認した。また、比較例３の圧電アクチュエーターは、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有してないことを確認した。
【０１１１】
実施例４および比較例３の各層の構成、膜厚は次に示す通りである。なお、( )は優先配向方向、[ ]は膜厚である。
【０１１２】
上部電極Ｐt[0.25μｍ]/Ｔi[0.05μｍ]//圧電材料ＰＺＴ(001)[３μｍ]//下部電極Ｐt[0.5μｍ]/Ｔi[0.05μｍ]/振動板ＹＳＺ(100)[２μｍ]/基板Ｓi(100)[600μｍ]ここで、ＰＺＴは、Ｚｒ/Ｔｉ比が６５/３５の材料組成であった。また、ＹＳＺとは、イットリアスタビライズドジルコニアの意である。
【０１１３】
表３に実施例４、比較例３の圧電材料ＰＺＴの双晶の有無、及び、各圧電アクチュエーターに10kＨzの周波数で随時印加を増加させ、振動の振幅を大きくしていく、このときの最大変位量及び、クロスカット剥離試験の結果を示す。
【０１１４】
【表３】
2004249729.tif 000005
【０１１５】
この結果、実施例４の圧電アクチュエーターは比較例３と比較して、変位量が大きく、密着性が高いことが分かった。
【０１１６】
≪実施例５、比較例４≫
実施例４および比較例３の圧電アクチュエーターをそれぞれ用いて図３のインクジェット記録ヘッドを製作し、実施例５および比較例４とした。
【０１１７】
図３において、本体基板部上に積層された振動板、下部電極、圧電材料及び/又は電歪材料、上部電極の各膜の膜厚は、前述のように、上部電極0.3μｍ/圧電材料及び/又は電歪材料３μｍ/下部電極0.5μｍ/振動板２μｍ/基板600μｍである。また、圧力室の幅は90μｍ、圧力室壁の厚さは50μｍで液吐出口の密度は180dpiとした。
【０１１８】
圧電アクチュエーターの作製は、前述のように、Ｓi基板である本体基板部にスパッタ法で振動板を成膜した。
【０１１９】
このとき、基体を加熱し、500℃以上の温度を保持しながら成膜することによって、振動板は結晶成長し、単一配向した。同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、高配向の結晶膜を得た。さらに、同様の方法で圧電材料及び/又は電歪材料を下部電極に成膜することで、高配向結晶の圧電材料及び/又は電歪材料を得た。上部電極もスパッタ法により成膜した。
【０１２０】
次いで、ＩＣＰを用いてＳi基板へ圧力室、液供給路を形成し、次に、液吐出口が空けられたノズルプレートを各圧力室部に対応して接合することでインクジェット式記録ヘッドを製造した。このとき、実施例５の圧電アクチュエーターは、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有していることを確認した。また、比較例４の圧電アクチュエーターは、圧電材料及び/又は電歪材料が双晶を有してないことを確認した。
【０１２１】
表４に、実施例５および比較例４に20Ｖ、10kＨzで印加したときのインクジェット式記録ヘッドの液滴の吐出量と吐出速度を示す。
【０１２２】
【表４】
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【０１２３】
この結果、実施例５に20Ｖ印加(10kＨz)したときの吐出量は19pl、吐出速度は15ｍ/secであった。これに対し、比較例４の吐出量、吐出速度は15pl、12ｍ/secでであり、双晶の効果により吐出性能が明らかによくなった。
【０１２４】
また、比較例４のインクジェット式記録ヘッドは、耐久試験により107〜108回で剥離が生じ、不吐出のノズル部分が発生した。それに対して、実施例５のインクジェット式記録ヘッドは108回をこえても不吐出ノズルはなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】一実施の形態による液体噴射ヘッドを示す斜視図である。
【図２】図１の装置の圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。
【図３】図１の液体噴射ヘッドの断面構造を示す一部破断部分斜視図である。
【図４】逆格子空間マッピングを利用した双晶率を規定する模式図である。
【図５】極点測定を利用した双晶率を規定する模式図である。
【図６】本願発明の実施例１のＸＲＤプロファイル(２θ/θ測定図)。
【図７】本願発明の実施例１のＸＲＤプロファイル((204)正極点図)。
【図８】本願発明の実施例１のＸＲＤプロファイル((204)逆格子マッピング)。
【図９】本願発明の比較例１のＸＲＤプロファイル((204)逆格子マッピング)。
【図１０】本願発明の比較例１のＸＲＤプロファイル((-204)逆格子マッピング)。
【符号の説明】
【０１２６】
１    本体基板部
２    液吐出口
３    圧力室
４    ノズルプレート
10    圧電アクチュエーター
11    振動板
12    圧電材料及び/又は電歪材料
13    下部電極
14    上部電極
15    圧電体素子
【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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【図１０】
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