(57)【要約】【課題】圧電体層の材料として（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成の非鉛の材料を用いた場合に電圧印加時の変位量を顕著に高めることが可能な圧電体素子並びにそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェット装置を提供する。【解決手段】圧電体素子１００は、第１の電極１０１と、第１の電極１０１の上側に配置された第２の電極１０４との間に、（００１）もしくは（１００）の面方位の結晶配向を有する酸化物層１０２ａ〜１０２ｃと、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの上面に形成された（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃとの組が複数積層されて配置されている【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、前記第１の電極の上側に配置された第２の電極との間に、（００１）もしくは（１００）の面方位の結晶配向を有する酸化物層と、前記酸化物層の上面に形成された（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層との組が複数積層されて配置されている、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電体素子において、
前記酸化物層は、導電性を有する導電性酸化物からなっている、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電体素子において、
最も下側に配置された前記酸化物層よりも、２つの前記圧電体層に挟まれた前記酸化物層の方が、厚みが小さい、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電体素子において、
２つの前記圧電体層に挟まれた前記酸化物層の厚みが０．１μｍ以下である、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の圧電体素子において、
前記圧電体層の厚みが１．０μｍ以下である、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載の圧電体素子において、
前記第１および第２の電極間に配置された前記酸化物層と前記圧電体層の全ての組の厚みの総計が２μｍ以上、５μｍ以下である、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項に記載の圧電体素子において、
前記酸化物層は、ＬａＮｉＯｘの組成からなっている、
ことを特徴とする圧電体素子。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の圧電体素子と
前記圧電体素子の変形に伴い変形する振動板と、を有する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】
請求項８に記載のアクチュエータと、
インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、
前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える、
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１０】
請求項９に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドにインクを供給するインク供給部と、を備える
ことを特徴とするインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜を用いた圧電体素子、並びに、当該圧電体素子を用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット装置は、インクジェットヘッドからインクを吐出することにより、被印刷面に印字や描画を行う装置である。インクジェット装置に搭載されるインクジェットヘッドは、インクを充填するための圧力室と、圧力室にインクを導くための流路と、圧力室に繋がるノズルと、圧力室に充填されたインクに圧力を付与するアクチュエータとを備える。アクチュエータを駆動して圧力室内の圧力を高めることにより、圧力室に充填されたインクがノズルから吐出される。
【０００３】
上記構成のインクジェットヘッドでは、たとえば、アクチュエータの駆動源として圧電体薄膜を用いた圧電体素子が用いられ得る。この構成では、たとえば、圧力室に対してノズルと反対側に圧電体薄膜が形成される。圧電体薄膜に電圧を印加することにより、圧電体薄膜が変形し、圧力室の体積が減少する。これにより、圧力室内の圧力が高められ、ノズルからインクが吐出される。
【０００４】
以下の特許文献１には、圧電体薄膜の材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電体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２００５−２４４１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、環境面より非鉛材料への移行が提唱されている。圧電体薄膜の材料として、鉛を含むＰＺＴに代えて、（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成の非鉛の材料を用いることができる。しかしながら、この組成の材料を用いた圧電体素子では、ＰＺＴを用いた圧電体素子ほどの性能が得られず、特に、電圧印加時の変位量（圧電定数）が足りないとの課題があった。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、圧電体層の材料として（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成の非鉛の材料を用いた場合に電圧印加時の変位量を顕著に高めることが可能な圧電体素子並びにそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、圧電体素子に関する。第１態様に係る圧電体素子は、第１の電極と、前記第１の電極の上側に配置された第２の電極との間に、（００１）もしくは（１００）の面方位の結晶配向を有する酸化物層と、前記酸化物層の上面に形成された（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層との組が複数積層されて配置された構成を有する。
【０００９】
本態様に係るアクチュエータによれば、酸化物層をシード層（種結晶）として、（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層を配向性良く形成することができる。これにより、全ての組を積層した場合の厚みと同じ厚みの単層の圧電体層に比べて、電圧印加時の変位量を顕著に高めることができる。よって、圧電体素子の性能を高めることができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、アクチュエータに関する。第２態様に係るアクチュエータは、第１の態様に係る圧電体素子と、前記圧電体素子の変形に伴い変形する振動板と、を有する。
【００１１】
本発明の第３の態様は、インクジェットヘッドに関する。第３態様に係るインクジェットヘッドは、第２の態様に係るアクチュエータと、インクが充填され、前記アクチュエータが駆動されることにより前記インクの圧力が変化する圧力室と、前記アクチュエータが駆動されることにより前記圧力室に充填された前記インクを吐出するノズルと、を備える。
【００１２】
本発明の第４の態様は、インクジェット装置に関する。第４の態様に係るインクジェット装置は、第３の態様のインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドにインクを供給するインク供給部と、を備える。
【００１３】
第２の態様、第３の態様および第４の態様によれば、圧電体素子の変位性能の向上に伴い、アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェット装置の性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明によれば、圧電体層の材料として（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成の非鉛の材料を用いた場合に電圧印加時の変位量を顕著に高めることが可能な圧電体素子並びにそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェット装置を提供することができる。
【００１５】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係る圧電体素子の構成を示す図、図１（ｂ）は比較例に係る圧電体素子の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、圧電体層の厚みを変化させたときの圧電体層の結晶性を検証した検証結果を示す図である。
【図３】図３（ａ）は実施例に係るインクジェットヘッドの構成を示す図、図３（ｂ）は実施例に係るアクチュエータと構造体とを組み合わせた構成を模式的に示す図である。
【図４】図４（ａ）は実施例に係るアクチュエータと構造体の一部を拡大した図、図４（ｂ）は、実施例に係るメイン流路と圧力室の部分を模式的に示す図である。
【図５】図５は、実施例に係るアクチュエータの圧力室付近の構成を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、実施例に係るアクチュエータの形成工程を示す模式的に示す図である。
【図７】図７は、比較例および実施例の構成を備えるアクチュエータの変位量の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例に係るインクジェット装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１８】
図１（ａ）は、実施の形態に係る圧電体素子１００の構成を示す図である。圧電体素子１００は、第１の電極１０１と、酸化物層１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと、圧電体層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃと、第２の電極１０４とを備えている。
【００１９】
第１の電極１０１は、導電性の高い材料からなっている。第１の電極１０１の材料として、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）のような金属材料を用いることができる。
【００２０】
酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、圧電体層１０３ａを配向性良く形成するためのシード層（種結晶となる層）である。酸化物層１０２は、たとえば、ランタン（Ｌａ）、ニッケル（Ｎｉ）、酸素（Ｏ）からなるＬａＮｉＯｘの組成の導電性材料からなっている。ｘは、組成の比率を設定する変数である。この他、酸化物層１０２として、ストロンジウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸素（Ｏ）からなるＳｒＲｕＯｘの組成の材料を用いることができる。また、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの材料として、ＲｕＯ２、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３等も用い得る。これらの材料においても組成の比率は、適宜調整される。
【００２１】
酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの材料は、必ずしも同じでなくても良く、層ごとに異なっていても良い。たとえば、酸化物層１０２ａの材料と酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの材料が相違していても良い。
【００２２】
ここで、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、（００１）もしくは（１００）の面方位の結晶配向を有することが好ましい。ＮＢＴ−ＢＴからなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃをスパッタ法で形成する場合、面方位が（００１）もしくは（１００）の酸化物の結晶構造が、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃを配向性良く形成する種結晶の結晶構造として適している。
【００２３】
なお、ＬａＮｉＯｘの場合、その結晶構造から、面方位（００１）と面方位（１００）は同じである。酸化物層１０２ａ〜１０２ｃにおいて面方位（１００）の配向が生じることにより、その上に積層されるＮＢＴ−ＢＴの（００１）の優先配向が可能となる。このため、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、面方位が（１００）であることが好ましい。ＳｒＲｕＯｘの面方位は（００１）である。面方位（００１）のＳｒＲｕＯｘを酸化物層１０２ａ〜１０２ｃに用いた場合も、その上に積層されるＮＢＴ−ＢＴの（００１）の優先配向が可能となる。
【００２４】
圧電体層１０３ａ〜１０３ｃは、ナトリウム（Ｎａ）、ビスマス（Ｂｉ）、チタン（Ｔｉ）、バリウム（Ｂａ）、酸素（Ｏ）からなる（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成の非鉛の材料（以下、「ＮＢＴ−ＢＴ」という）からなっている。ｘは、組成の比率を設定する変数である。変数ｘの他、各元素の比率が適宜調整され得る。また、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃは、適宜、他の元素を含み得る。たとえば、結晶性または圧電特性を向上させるため、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニオブ（Ｎｂ）またはタンタル（Ｔａ）等が含まれても良い。
【００２５】
第２の電極１０４は、第１の電極１０１と同様に、導電性の高い材料からなっている。後述の如く、圧電体素子１００がインクジェットヘッドのアクチュエータの駆動源として用いられる場合、第２の電極１０４として、たとえば、振動板が共用され得る。
【００２６】
基板１０５および密着層１０６は、圧電体素子１００の各層を形成するためのものであって、各層を形成した後に除去される。基板１０５はシリコン（Ｓｉ）ウエハーであり、密着層１０６は、たとえば、チタン（Ｔｉ）からなる。
【００２７】
なお、圧電体素子１００は、最も下側に配置された酸化物層１０２ａよりも、圧電体層１０３ａ、１０３ｂに挟まれた酸化物層１０２ｂと、圧電体層１０３ｂ、１０３ｃに挟まれた酸化物層１０２ｃの方が、厚みが小さく設定されている。最も下側に配置された酸化物層１０２ａは、電極として作用するため、圧電体素子１００の特性に大きな影響を与えにくい。これに対し、２つの圧電体層に挟まれた酸化物層１０２ｂ、１０２ｃは、導電性を有するものの特性に無視できるまで小さな抵抗率を有するものではないため、厚みが大きくなるに伴い圧電体素子１００に特性を劣化させる影響を与え得る。このことから、本実施の形態では、圧電体素子１００の特性に影響を与えないように、なるべく、２つの圧電体層に挟まれた酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの膜厚が小さく設定されている。
【００２８】
また、圧電体素子１００に対する電圧印加時に、硬い酸化物層１０２ｂ、１０２ｃが圧電体素子１００の変位特性を妨げることを抑制する観点からも、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みはなるべく小さい方が望ましい。
【００２９】
たとえば、２つの圧電体層に挟まれた酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みは、０．１μｍ以下であることが望ましい。たとえば、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃがＬａＮｉＯｘからなる場合、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃは、厚みが０．１μｍ以下であっても結晶配向性を示すため、ＮＢＴ−ＢＴの成長には問題ない。よって、圧電体素子１００の特性を維持しつつ、ＮＢＴ−ＢＴの成長を安定化させるため、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みは、０．１μｍ以下であることが望ましい。
【００３０】
本実施の形態では、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃをシード層（種結晶）として、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃを配向性良く形成することができる。しかしながら、上記のように圧電体層１０３ａ〜１０３ｃをＮＢＴ−ＢＴにより形成する場合は、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃを配したとしても、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの形成が進むにつれて圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの配向が崩れ易くなる。このことから、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃは、所定の厚み以下に留めることが望ましい。
【００３１】
たとえば、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みは、１．０μｍ以下であることが望ましい。本願発明者らが検証したところ、圧電体層の厚みが０．５μｍでは、圧電体層の結晶性が良好であった。この場合、形成した圧電体層をＸ線回折装置で測定したところ、面方位（００１）のピーク強度は１０，０００ｃｐｓ程度であった。これに対し、同じ条件で１．０μｍの圧電体層を酸化物層上に形成したところ、面方位（００１）のピーク強度は半分以下程度まで低下し、圧電体層の結晶性が劣化していた。
【００３２】
図２（ａ）〜（ｃ）は、同じ条件下でさらに圧電体層の厚みを変化させたときの圧電体層の結晶性の検証結果を示す図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、厚みが０．７５μｍ、１．１５μｍ、１．５１μｍの圧電体層（ＮＢＴ−ＢＴ）を酸化物層（ＬａＮｉＯｘ）上に形成したときの圧電体層の結晶性をＸ回折装置で測定した測定結果である。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、圧電体層の厚みが０．７５μｍである場合、圧電体層はは、面方位（００１）の単一配向で、ピーク強度も大きい。したがって、結晶性が良好で圧電定数も良好な傾向にある。これに対し、図２（ｂ）に示すように、圧電体層の厚みが１．１５μｍである場合、圧電体層 は、面方位（００１）のピーク強度は大きいものの、若干、ピーク強度が減少する傾向があり、また、多少の異相（１０１）が出現する。したがって、結晶性は劣化傾向がある。さらに、図２（ｃ）に示すように、圧電体層の厚みが１．５１μｍである場合、 圧電体層は、面方位（００１）のピーク強度が大きく減衰し、代わりに異相（１０１）が大きく成長してくる傾向がある。
【００３４】
ここで、異相（１０１）の配向は圧電特性を大きく阻害するため、膜厚１．１５μｍ以上の厚膜化では、結晶性が劣化し、これに伴い圧電特性も劣化する。圧電体層の厚みが１．０μｍでは、厚み０．５μｍの場合に比べてピーク強度は低下するものの、異相（１０１）の出現は略生じなかった。
【００３５】
以上より、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃ上に形成する圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みが少なくとも１．０μｍ以下である場合、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃに、結晶性の劣化や、圧電性能の大幅な低下を抑制できるものと想定され得る。このため、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みは、１．０μｍ以下に留めることが望ましいと言える。
【００３６】
なお、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みは、必ずしも互いに同じでなくても良く、互いに異なっていても良い。たとえば、圧電体層１０３ａの材料と圧電体層１０３ｂ、１０３ｃの材料が相違していても良い。
【００３７】
なお、図１（ａ）の例では、酸化物層と圧電体層の組が３つ配置されているが、１つの圧電体素子１００に含まれる酸化物層と圧電体層の組の数は必ずしも３つに限られるものではなく、複数であれば、他の数であっても良い。酸化物層と圧電体層の組の数は、圧電体素子１００に要求される駆動力や耐久性および上述の圧電体層の厚みの上限等を考慮して、最も望ましい数に設定され得る。
【００３８】
後述のように、たとえば、インクジェットヘッドのアクチュエータの駆動源として圧電体素子１００を用いる場合は、圧電体素子１００の変位量だけでなく発生エネルギーや駆動による圧電体素子１００の耐久性等をも考慮して、圧電体素子１００に配置される複数の圧電体層のトータルの厚みを設定する必要がある。この場合、圧電体層のトータルの厚みはある程度必要となり、好ましくは、２μm以上は必要となる。駆動力と変位量を考慮すると、インクジェットヘッドのアクチュエータの駆動源として圧電体素子１００を用いる場合、圧電体素子１００に配置される複数の圧電体層のトータルの厚みは、２μｍ以上、５μｍ以下に設定することが望ましい。
【００３９】
圧電体素子１００の形成は、以下の手順で行われる。
【００４０】
まず、Ｓｉウエハーからなる基板１０５に対し、Ｔｉをターゲットとしてスパッタ法による成膜を行い、Ｔｉからなる密着層１０６を形成する。次に、ＰｔまたはＩｒ等の金属材料をターゲットとしてスパッタ法による成膜を行い、第１の電極１０１を形成する。その後、ＬａＮｉＯｘ等からなる酸化物層１０２ａをスパッタ法により形成し、その上に、ＮＢＴ−ＢＴからなる圧電体層１０３ａをスパッタ法により形成する。
【００４１】
その後、酸化物層１０２ｂおよび圧電体層１０３ｂと、酸化物層１０２ｃおよび圧電体層１０３ｃを、スパッタ法により順番に形成する。ＬａＮｉＯｘからなる酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、基板加熱６００℃、アルゴンと酸素ガスの混合ガスで成膜する。ＮＴＢ−ＢＴからなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃは、基板加熱６００℃、アルゴンと酸素ガスの混合ガスで成膜する。
【００４２】
こうして、最上段の圧電体層１０３ｃを形成した後、ＰｔやＡｕ等からなる第２の電極１０４をスパッタ法により形成する。
【００４３】
上記工程において、酸化物層１０２ａの厚みは、たとえば、０．１〜０．２μｍ程度に調整される。また、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みは、０．０１〜０．０２μｍ程度に調整される。圧電体層１０３ａ〜１０３ｃのトータルの厚みをたとえば２．４μｍ程度に設定する場合、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みは、それぞれ、０．８μｍ程度に調整される。
【００４４】
図１（ｂ）は、比較例による圧電体素子１００の構成を示す図である。図１（ｂ）に示すように、比較例では、図１（ａ）に示す実施の形態の構成に比べて、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃが省略され、一つの圧電体層１０３のみが配置されている。圧電体層１０３の厚みは、図１（ａ）の３つの圧電体層１０３ａ〜１０３ｃのトータルの厚みと同じく、２．４μｍ程度に調整される。比較例の各層の形成は、図１（ａ）の場合と同様にして行われる。
【００４５】
ＮＢＴ−ＢＴは、スパッタリングによる薄膜形成で良好な結晶性を有しており、良好な圧電性能を示す。しかしながら、図１（ｂ）の比較例のように厚膜化すると、ＮＢＴ−ＢＴの結晶性が劣化する。このため、比較例の構成の圧電体素子１００をアクチュエータの駆動源として使用すると、アクチュエータの特性が劣化するという課題がある。具体的には、上述のように膜厚が１μmを超えると、圧電体層１０３の結晶性、性能が劣化する。
【００４６】
これに対し、図１（ａ）の実施の形態のように、圧電体層１０３を複数の圧電体層１０３ａ〜１０３ｃに分割して酸化物層１０２ａ〜１０２ｃ上に形成すると、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃ上に形成される圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みを、１μｍ以下の０．８μｍに抑えることができる。これにより、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの結晶性を良好に保つことができ、比較例に比べて圧電性能を顕著に高めることができる。
【００４７】
なお、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの材料であるＬａＮｉＯｘは、ＮＢＴ−ＢＴと同じく、スパッタリングにより薄膜を形成することができ、結晶配向性、特に自己配向性が良好である。自己配向性とは、下の基板や膜の結晶配向性によらず、自ら配向する能力のことである。したがって、図１（ａ）に示す構成においても、第１の電極１０１のみならず、圧電体層１０３ａ、１０３ｂの上面にも良好に薄膜の酸化物層１０２ａ〜１０２ｃを形成できる。よって、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、ＮＢＴ−ＢＴからなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの下地層（配向のシード層）やバッファー層として、有効に機能し、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃを良好な配向性で形成できる。酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの材料は、上記のように結晶配向性、特に自己配向性が良好な材料が望ましい。
【００４８】
＜実施例＞
以下、上記構成を有する圧電体素子をインクジェットヘッドに用いた実施例について、図３〜図６を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向がインクジェットヘッド１の高さ方向であり、Ｚ軸正方向が下方向である。また、Ｘ軸方向がインクジェットヘッド１の厚み方向で、Ｙ軸方向がインクジェットヘッド１の幅方向である。インクジェットヘッド１は、Ｚ軸正方向（下方向）にインクを吐出する。
【００４９】
図３（ａ）は、実施例に係るインクジェットヘッド１の構成を示す図であり、図３（ｂ）は、実施例に係るアクチュエータ３０と構造体４０とを組み合わせた構成を模式的に示す図である。
【００５０】
図３（ａ）に示すように、インクジェットヘッド１は、収納ボックス１０と、ヘッドベース２０とを備える。収納ボックス１０は、ヘッドベース２０に対して着脱可能となっている。
【００５１】
収納ボックス１０は、下面が開放された矩形の箱体からなっている。収納ボックス１０の上面には内部に繋がる切欠き１０ａが設けられ、この切欠き１０ａを介して回路基板１１が収納ボックス１０に収納されている。回路基板１１にはアクチュエータ３０を駆動するための駆動回路が実装されている。
【００５２】
ヘッドベース２０は、上下に貫通する矩形の開口２０ａを中央に有する枠体からなっている。開口２０ａのＹ軸正側とＹ軸負側に、それぞれ、開口２０ａと繋がる円形の穴部２０ｂが設けられている。開口２０ａの下端に、図１（ｂ）に示すアクチュエータ３０と構造体４０が設置される。アクチュエータ３０は、開口２０ａ内において回路基板１１と電気的に接続される。穴部２０ｂは、インク供給用のチューブ（図示せず）を開口２０ａ内部へと導くためのものである。
【００５３】
図１（ｂ）に示すように、アクチュエータ３０は、長方形の輪郭を有する板体からなっている。アクチュエータ３０は、構造体４０の上面に重ねられる。構造体４０には、長方形の輪郭を有する板体からなっている。また、構造体４０には、Ｘ軸方向に並ぶ４つのメイン流路５１が形成されている。
【００５４】
アクチュエータ３０のＹ軸正側の端部とＹ軸負側の端部には、それぞれ、上下に貫通する４つのインク供給口３１がＸ軸方向に並んで形成されている。Ｙ軸方向に並ぶ２つのインク供給口３１はそれぞれ、一つのメイン流路５１に繋がっている。また、アクチュエータ３０の裏面には溝が形成されている。アクチュエータ３０が構造体４０に重ねられることにより、アクチュエータ３０裏面の溝と構造体４０の上面との間に、圧力室５２が形成される。圧力室５２は、構造体４０に形成された連絡流路５３（図４（ｂ）参照）を介してメイン流路５１に繋がっている。
【００５５】
図４（ａ）は、図３（ｂ）の構成のＹ軸正側の端部を拡大した図である。上記のように、メイン流路５１は、端部がインク供給口３１に繋がっている。メイン流路５１に沿って多数の圧力室５２が配置され、各圧力室５２が連絡流路５３によってメイン流路５１に繋がっている。
【００５６】
図３（ｂ）に戻り、８つのインク供給口３１には、それぞれ、個別に管（図示せず）が嵌められ、各管にインク供給用のチューブ（図示せず）が接続される。管は、開口２０ａ内に配された支持手段によって支持され、管に接続されたチューブが穴部２０ｂを介して外部に引き出される。インク供給用のチューブと管を介してインクがインク供給口３１に供給される。これにより、メイン流路５１および連絡流路５３（図４（ｂ）参照）を通ってインクが圧力室５２に供給される。Ｙ軸方向に並ぶ２つのインク供給口３１には同じ色のインクが供給され、Ｘ軸方向に並ぶ４つのインク供給口３１には互いに異なる色のインクが供給される。したがって、図３（ｂ）の構成では、４色のインクがアクチュエータ３０に供給される。これにより、Ｙ軸方向に並ぶ圧力室５２には同じ色のインクが充填され、Ｘ軸方向に並ぶ圧力室５２には互いに異なる色のインクが充填される。
【００５７】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の構成を、圧力室５２のＹ軸方向の中央位置において、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で切断した断面を模式的に示す断面図である。
【００５８】
メイン流路５１に流入されたインク６０は、連絡流路５３を通って圧力室５２に充填される。構造体４０は、メイン流路５１および連絡流路５３を有する上部材４１と、ノズル４２ａを有する下部材４２からなっている。下部材４２には、圧力室５２からＺ軸正方向に延びる流路の部分に、ノズル４２ａとなる円形の孔が形成されている。ノズル４２ａは、Ｚ軸方向に向かうに従って次第に径が小さくなっており、出口付近で径が均一になっている。また、アクチュエータ３０には、圧力室５２の上側に、上下方向（Ｚ軸方向）に変形可能な圧電駆動部３２が形成されている。圧電駆動部３２が下方に変形すると、圧力室５２の容積が減少し、圧力室５２に充填されたインク６０の圧力が高まる。これにより、ノズル４２ａからインク６０の液滴６１が吐出される。圧電駆動部３２は、図３（ｂ）の圧力室５２ごとに個別に配されている。
【００５９】
本実施例では、圧電駆動部３２が図１（ａ）の圧電体素子１００の構成を備えている。図４（ｂ）の構成では、圧電体素子の変形に伴い変形する振動板３２ａが、圧電体素子の下側の電極を兼ねている。
【００６０】
以下、アクチュエータ３０の具体的構成例について説明する。
【００６１】
図５は、アクチュエータ３０の具体的構成例を示す図である。図５は、図４（ａ）の構成を、圧力室５２のＸ軸方向の中央位置において、Ｙ−Ｚ平面に平行な面で切断したときの圧力室５２付近の断面を模式的に示す断面図である。
【００６２】
図５の構成例では、第１の電極１０１、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃ、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの他に、層間絶縁層１１１、振動板１１２、電鋳下地層１１３および圧力室形成層１１４が積層されることにより、アクチュエータ３０が構成されている。
【００６３】
層間絶縁層１１１は、配線の引き回しのための絶縁層であって、感光性ポリイミドからなっている。振動板１１２は、クロム（Ｃｒ）を含有するＣｒ層１１２ａ、１１２ｃと、銅（Ｃｕ）を含有するＣｕ層１１２ｂからなっている。振動板１１２は、さらに、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃに電圧を印加するための下部電極、すなわち、図１（ａ）の第２の電極１０４として用いられる。
【００６４】
電鋳下地層１１３は、圧力室形成層１１４が電鋳により形成され易くするための下地層であって、たとえばＮｉからなっている。圧力室形成層１１４は、アクチュエータ３０の裏面に溝１１４ａを形成するための層であって、たとえばＮｉからなっている。図４（ｂ）に示すようにアクチュエータ３０が構造体４０に重ねられ、圧力室形成層１１４の溝１１４ａが構造体４０で塞がれることによって、上記のように、圧力室５２が形成される。
【００６５】
図６（ａ）、（ｂ）は、図６の構成例のアクチュエータ３０を作製する工程を模式的に示す図である。
【００６６】
図６（ａ）を参照して、アクチュエータ３０の作製では、まず、Ｓｉウエハーからなる基板１０５に密着層１０６がスパッタリングにより生成され（Ｓ１）、さらに、第１の電極１０１を構成するための層がスパッタリングにより生成される（Ｓ２）。次に、電極層に対して、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯｘ）層（酸化物層１０２ａ）およびＮＢＴ−ＢＴ層（圧電体層１０３ａ）がスパッタリングにより順番に生成される（Ｓ３、Ｓ４）。再度、ＬＮＯ層（酸化物層１０２ｂ）およびＮＢＴ−ＢＴ層（圧電体層１０３ｂ）がスパッタリングにより生成され（Ｓ５、Ｓ６）、さらにもう一度、ＬＮＯ層（酸化物層１０２ｃ）およびＮＢＴ−ＢＴ層（圧電体層１０３ｃ）がスパッタリングにより生成される（Ｓ７、Ｓ８）。さらに、層間絶縁層１１１を構成する緩効性ポリイミドが塗布および硬化される（Ｓ９）。その後、Ｃｒ層１１２ａ、Ｃｕ層１１２ｂおよびＣｒ層１１２ｃがスパッタリングにより順番に生成される（Ｓ１０〜Ｓ１２）。さらに、電鋳下地層１１３がスパッタリングにより生成される（Ｓ１３）。最後に、圧力室形成層１１４が電鋳により生成される（Ｓ１４）。
【００６７】
こうしてＳｉ基板１０５上に各層を生成した後、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１０５と密着層１０６が除去され、さらに、電極層がパターニングされて第１の電極１０１が形成される。また、工程Ｓ３〜Ｓ８で生成されたＬＮＯ層およびＮＢＴ−ＢＴ層がそれぞれエッチング処理によりパターニングされて、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃと圧電体層１０３ａ〜１０３ｃが形成される。これにより、図５に示す構成のアクチュエータ３０が生成される。
【００６８】
図５の構成では、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの厚みと圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みが、図１（ａ）を参照して説明した厚みに設定される。これにより、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃを良好な配向性で形成することができ、大きな変位量特性（Ｄ定数）を持つ圧電体素子１００を実現できる。また、圧電体素子１００の変位量だけでなく、圧電体素子１００の耐久性を高い維持することができる。
【００６９】
＜実験＞
本願発明者らは、実施例のアクチュエータ３０を駆動した場合のアクチュエータ３０の特性（変位量、共振周波数）を測定した。測定は、図５に示す構成のアクチュエータ３０を用いて行った。酸化物層１０２ａの厚みは、０．１〜０．２μｍの範囲で調整し、また、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みは、０．０１〜０．０２μｍの範囲で調整した。圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みは、それぞれ、約０．８μｍに調整した。比較例として、図５の構成から酸化物層１０２ｂ、１０２ｃを省略したアクチュエータ３０を製作し、特性の測定を行った。比較例では、酸化物層１０２ａの厚みを実施例と同じとし、その上に、約２．４μｍの単層の圧電体層１０３を形成した。酸化物層１０２ａ〜１０２ｃの材料は、ＬａＮｉＯ３とした。
【００７０】
測定では、上下の電極間に１．０ｋＨｚのＳＩＮ波を印加し、印加電圧が１０Ｖの場合と３０Ｖの場合のアクチュエータ３０の変位量と共振周波数（図５のＺ軸方向の変位量と共振周波数）を測定した。
【００７１】
図７は、測定結果である。図７に示すように、実施例の構成によれば、比較例に比べて、変位量が大幅に改善された。印加電圧が１０Ｖの場合、実施例では、比較例に対して変位量が３５％を超える値まで高められた。また、印加電圧が３０Ｖの場合、実施例では、比較例に対して変位量が５０％を超える値まで高められた。このことから、実施例のように、酸化物層と圧電体層の組を上下の電極間に複数配することにより、酸化物層のトータルの厚みが同じ圧電体素子に比べて変位量を顕著に高め得ることが確認された。
【００７２】
また、実施例と比較例とでは、アクチュエータの共振周波数が略同じであった。このことから、酸化物層と圧電体層の組を上下の電極間に複数配しても単層の場合と同様の機械的な特性が得られることが確認された。
【００７３】
以上の測定結果から、実施例のように、酸化物層と圧電体層の組を上下の電極間に複数配することにより、アクチュエータの機械的精度を同様に維持しつつ、圧電体素子の変位量を顕著に高めるとの効果が確認できた。
【００７４】
図８は、実施例に係るインクジェット装置の構成を示すブロック図である。
【００７５】
インクジェット装置は、上記構成を備えたインクジェットヘッド１の他、インク供給部２と、コントローラ３と、インタフェース４とを備える。インク供給部２は、インクジェットヘッド１にインクを供給するための上述のチューブと、チューブに接続されたインクタンクと、インクタンクからチューブにインクを供給するためのポンプを備える。コントローラ３は、ＣＰＵとメモリを備え、メモリに保持されたプログラムに従ってインクジェットヘッド１およびインク供給部２を制御する。インタフェース４は、印刷すべき文字および図形等の描画情報の入力を受け付けて、当該描画情報をコントローラ３に出力する。コントローラ３は、入力された描画情報に従ってインクジェットヘッド１を制御し、被印刷面に印字や描画を行う。
【００７６】
＜実施形態の効果＞
以上、本実施の形態によれば、以下の効果が奏される。
【００７７】
酸化物層１０２ａ〜１０２ｃをシード層（種結晶）として、（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃを配向性良く形成することができる。これにより、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃのトータルの厚みと同じ厚みの単層の圧電体層１０３（比較例）に比べて、電圧印加時の変位量を顕著に高めることができる。よって、圧電体素子１００の性能を高めることができる。
【００７８】
酸化物層１０２ａ〜１０２ｃは、導電性を有する導電性酸化物からなっている。このように酸化物層１０２ａ〜１０２ｃが導電性を有する導電性酸化物からなることにより、第１の電極１０１、第２の電極１０４、または（１−ｘ）（Ｎａ・Ｂｉ）ＴｉＯ３・ｘＢａＴｉＯ３の組成からなる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃとの密着性がさらに向上する。
【００７９】
最も下側に配置された酸化物層１０２ａよりも、２つの圧電体層に挟まれた酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの方が、厚みが小さく設定されている。より好ましくは、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃの厚みが０．１μｍ以下に設定される。これにより、酸化物層１０２ｂ、１０２ｃによる圧電体層１０３ａ〜１０３ｃへの影響を抑制でき、良好な変位特性を得ることができる。
【００８０】
圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの厚みが何れも１．０μｍ以下に設定される。これにより、圧電体層１０３ａ〜１０３ｃの配向性を良好な状態に保つことができ、圧電体素子１００の特性を高めることができる。
【００８１】
電極間に配置された酸化物層と圧電体層の全ての組の厚みの総計が２μｍ以上、５μｍ以下に設定される。これにより、圧電体素子１００の変位量を高めつつ、発生エネルギーや駆動による圧電体素子１００の耐久性等をも良好な状態に保つことができる。
【００８２】
酸化物層１０２ａ〜１０２ｃが、自己配向性に優れたＬａＮｉＯｘからなっている。これにより、第１の電極１０１のみならず、圧電体層１０３ａ、１０３ｂの上面にも良好に薄膜の酸化物層１０２ａ〜１０２ｃを形成できる。
【００８３】
振動板１１２が圧電体層１０３ａ〜１０３ｃに電圧を印加する電極に共用される。これにより、別途電極を設ける必要がなく、アクチュエータ３０の構成を簡素化できる。
【００８４】
＜変更例＞
以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に何らの制限を受けるものではない。
【００８５】
たとえば、上記実施例には、インクジェットヘッド用のアクチュエータ３０に圧電体素子１００を配する場合の構成例を示したが、本発明の圧電体素子の適用対象はこれに限られるものではない。たとえば、スピーカの駆動源として本発明の圧電体素子１００を用いることができ、この適用例では、スピーカの出力特性が高まるとの効果が奏され得る。この他、本発明は、従前の圧電体素子が適用された種々の分野および用途に広く適用され得る。
【００８６】
また、酸化物層１０２ａ〜１０２ｃおよび圧電体層１０３ａ〜１０３ｃ以外の圧電体素子１００の層構造は、図１（ａ）および図５に示したものに限られるものではなく、適宜、他の層を追加し、あるいは、図１（ａ）および図５に示された層を適宜省略されても良い。たとえば、図５の構成において、Ｃｒ層１１２ｃと電鋳下地層１１３との間に、圧力室５２からインクが振動板１１２に到達するのを抑制するためのインクストップ層が配置されても良い。また、振動板１１２の層数および各層の組成も適宜変更可能である。
【００８７】
さらに、インクジェットヘッド１やアクチュエータ３０および構造体４０の構成も適宜変更可能である。たとえば、図３（ｂ）の構成では、Ｙ軸方向に並ぶ２つのインク供給口３１からインクが供給されたが、一つのメイン流路に対して一つのインク供給口３１が設けられても良く、あるいは、インク供給口３１から圧力室５２を経由した後インクを排出させるための流路とインク排出口が設けられても良い。
【００８８】
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  …  インクジェットヘッド
２  …  インク供給部
３０  …  アクチュエータ
４２ａ  …  ノズル
５２  …  圧力室
１００  …  圧電体素子
１０１  …  第１の電極
１０２ａ〜１０２ｃ  …  酸化物層
１０３ａ〜１０３ｃ  …  圧電体層
１０４  …  第２の電極
１１２  …  振動板
【図１】
2017028134.tif 000003
【図２】
2017028134.tif 000004
【図３】
2017028134.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017028134.tif 000007
【図６】
2017028134.tif 000008
【図７】
2017028134.tif 000009
【図８】
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