JP2016004854A - 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター、センサー及び圧電材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流を低減し、変位量を向上することができる圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、センサー及び圧電材料を提供する。【解決手段】第１電極６０と、第１電極上に設けられた圧電体層７０と、圧電体層上に設けられた第２電極８０とを備えた圧電素子３００であって、圧電体層は、Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなる。【選択図】図３
Description
本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター、センサー及び圧電材料に関する。
圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧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。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この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てノズル開口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。
このような圧電素子に用いられる圧電材料としては、一般的に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される鉛系の圧電セラミックスが使用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、環境問題の観点から、鉛を含有しない圧電材料、すなわち、非鉛系圧電材料の開発が進められている。非鉛系圧電材料としては、例えばＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有するチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）や鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、非鉛系圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較して、リーク電流が大きく、変位量が不十分であるため、例えばインクジェット式記録ヘッドにおいては大液滴の吐出が難しいという問題がある。このような非鉛系圧電材料のリーク特性及び変位特性を向上させるため、ペロブスカイト構造のＡサイトを占める元素や、Ｂサイトを占める元素の一部をイオン価数及びイオン半径の異なる元素で置換する技術が提案されている（例えば、特許文献３、４）。
しかしながら、鉛（Ｐｂ）系圧電材料に匹敵するほどのリーク特性や変位特性を得るためには、ペロブスカイト構造の置換サイトや置換元素の選択、置換量等についてさらに検討を加え、一層の最適化を図る必要がある。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子に限定されず、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びセンサーに搭載される圧電素子においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、リーク電流を低減し、変位量を向上することができる圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター、センサー及び圧電材料を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極とを備えた圧電素子であって、前記圧電体層は、Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなることを特徴とする圧電素子にある。かかる態様では、ＢｉＦｅＭｎＯ３−ＢａＴｉＯ３に四面体構造を持つ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３と菱面体構造を持つＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３とを同時に導入することによって、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。また、鉛を含有しないため、環境への負荷を低減することができる。
ここで、前記第１成分は、Ｂｉ(Ｆｅ,Ｍｎ)Ｏ３-ＢａＴｉＯ３であり、前記第２成分は（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３であり、前記第３成分はＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。これにより、大きな変位量を得ることができる。
また、前記第１成分、前記第２成分及び前記第３成分において、菱面体晶の複合酸化物の正方晶の複合酸化物に対する比率である菱面体晶の複合酸化物／正方晶の複合酸化物は、７０／３０〜６５／３５であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、リーク電流をさらに低減することができる。
また、Ｂａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物の含有量は、２５〜３０ｍｏｌ％であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、リーク電流をさらに低減することができる。
また、前記第２成分の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、リーク電流をさらに低減することができる。
また、前記第３成分の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、リーク電流をさらに低減することができる。
また、前記第２成分及び前記第３成分の総含有量は、１０〜２０ｍｏｌ％であることが好ましい。これによれば、より確実に、Ｆｅ２＋の発生が抑えられ、リーク電流をさらに低減することができる。
また、前記第１電極と前記圧電体層との間に、マンガン酸ビスマスからなる配向制御層を有することが好ましい。これによれば、圧電体層がより優先的に（１００）面に配向し、変位量が向上する。
本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載する圧電素子を具備する液体噴射ヘッドにある。かかる態様では、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。また、鉛を含有しないため、環境への負荷を低減することができる。
本発明の他の態様は、前記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。かかる態様では、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。また、鉛を含有しないため、環境への負荷を低減することができる。
本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載する圧電素子を具備することを特徴とするアクチュエーターとセンサーにある。かかる態様では、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。また、鉛を含有しないため、環境への負荷を低減することができる。
本発明の他の態様は、Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなることを特徴とする圧電材料にある。かかる態様では、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。また、鉛を含有しないため、環境への負荷を低減することができる。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線断面図である。図１〜図３に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線断面図である。図１〜図３に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０と第１電極６０との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。密着層５６の材質は第１電極６０とその下地の種類等により異なるが、例えば、チタン、ジルコニウム、アルミニウムを含む酸化物や窒化物や、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２等とすることができる。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
さらに、この密着層５６上には、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）等からなる第１電極６０と、詳しくは後述するが、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させる配向制御層６５と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、配向制御層６５、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０や密着層５６が設けられていなくてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。ただし、流路形成基板１０上に直接第１電極６０を設ける場合には、第１電極６０とインクとが導通しないように第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護するのが好ましい。
本実施形態の配向制御層６５は、当該配向制御層６５上に形成される圧電体層７０を（１００）面に優先配向させるものである。ここで、「（１００）面に優先配向する」とは、圧電体層７０の全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、５０％以上）が（１００）面に配向している場合を含むものである。
このような配向制御層６５は、本実施形態では、ＴｉとＭｎを含む酸化物であり、具体的にはマンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ３）からなる。
配向制御層６５は、これに限定されず、ビスマス（Ｂｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも一種以上を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるものでもよい。具体的には、Ｂｉ及びＭｎ、又はＢｉ、Ｍｎ及びＦｅ、又はＢｉ、Ｆｅ及びＴｉを含む複合酸化物が挙げられる。ペロブスカイト構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造ではＡサイトに酸素が１２配位しており、Ｂサイトに酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。例えば配向制御層６５がＢｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＴｉを含む場合、このＡサイトにＢｉが、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｔｉが位置する。
配向制御層６５の厚さは、当該配向制御層６５上に形成される圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができる厚さであればよく、例えば５ｎｍ〜２０ｎｍである。なお、このような厚さを有する配向制御層６５は、全面に設けられていなくてもよく、例えば島状に設けられていてもよい。「島状」とは、複数のドメインが互いに離間して形成されている状態をいう。
ここで、圧電体層７０は結晶方位によって、変位量、誘電率、ヤング率等様々な物理的性質や、ヒステリシス曲線、Ｉ−Ｖ曲線等の電気特性が異なるものとなる。このため、配向制御層６５を用いて圧電体層７０を単一配向、すなわち、（１００）面に優先配向させることにより圧電特性を十分に発揮させることができる。
本発明に係る圧電体層７０は、Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなり、（１００）面に優先配向している。ペロブスカイト構造のＡサイトには、Ｂｉ及びＢａが位置し、ＢサイトにはＦｅ、Ｔｉ及びＭｇが位置する。本実施形態では、圧電体層７０として鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）と、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）と、マグネシウムチタン酸ビスマス（ＢｉＭｇＴｉＯ３）との３元系混晶として表される組成を有する複合酸化物を用いている。ここで、第１成分は、Ｂｉ(Ｆｅ,Ｍｎ)Ｏ３-ＢａＴｉＯ３であり、第２成分は（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３であり、第３成分はＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３である。ＢｉＦｅＭｎＯ３−ＢａＴｉＯ３に正方晶構造を持つ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３と菱面体晶構造を持つＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３とを同時に導入することによって、Ｆｅ２＋が抑えられ、格子歪効果とＭＰＢ効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。
また、圧電体層７０は薄膜形成プロセスにより形成される。ここで、薄膜形成プロセスとは、化学溶液法、レーザーアブレーション法、スパッター法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、エアロゾル・デポジション法等を用いて、厚さミクロンオーダーの薄膜を形成する方法をいう。薄膜形成プロセスにより形成された圧電体層７０の厚さは、一般的に３μｍ以下、好ましくは０．６μｍ〜１．２μｍである。
このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ、Ｔｉ及びＭｇを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電体層７０の組成は、（（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ，Ｍｇ）Ｏ３）で表される。代表的には、下記一般式（１）で表される鉄酸ビスマス（（ＢｉＦｅＯ３）、略「ＢＦ」）と、チタン酸バリウム（（ＢａＴｉＯ３）、略「ＢＴ」）との混晶に、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３、略「ＢＫＴ」と、マグネシウムチタン酸ビスマス（Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３）、略「ＢＭＴ」）とを複合添加することで、変位量が大幅に向上し、一方、リーク電流も大幅に減少する。
この式（１）は、下記一般式（１’）で表すこともできる。
(1-x-y-z)[BiFeO3]-x[BaTiO3]-y[（Bi0.5K0.5）TiO3]-z[Bi（Mg0.5Ti0.5）O3] (1)
(Bi1-xBax)(Fe1-x―yーｚTix+y+0.5zMg0.5z)O3 (1’)
ここで、好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．３０、０．０５≦ｙ≦０．１０、０．０５≦ｚ≦０．１０となる。
(1-x-y-z)[BiFeO3]-x[BaTiO3]-y[（Bi0.5K0.5）TiO3]-z[Bi（Mg0.5Ti0.5）O3] (1)
(Bi1-xBax)(Fe1-x―yーｚTix+y+0.5zMg0.5z)O3 (1’)
ここで、好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．３０、０．０５≦ｙ≦０．１０、０．０５≦ｚ≦０．１０となる。
ここで、一般式（１）、（１’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、Ｋ、Ｔｉ、ＭｇやＯ）の一部欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比を１とすると、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
さらに、結晶中に格子欠陥を誘起させることにより、圧電体層７０にかかる応力を緩和することができる。具体的には、圧電体層７０を形成する際の焼成工程等で発生する熱応力や、電圧印加時に発生する応力を緩和することができる。これにより、クラックの発生も抑制することができる。
ここで、第１成分、第２成分及び第３成分において、菱面体晶の複合酸化物の正方晶の複合酸化物に対する比率である、菱面体晶の複合酸化物／正方晶の複合酸化物は、７０／３０〜６５／３５であるのが好ましい。これによれば、格子歪効果とＭＰＢ効果が活用でき、高圧電変位と低リーク電流を実現することが可能になる。
また、圧電体層７０の（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であるのが好ましい。また、第３成分はＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であるのが好ましい。さらに、第２成分及び第３成分の総含有量は、１０〜２０ｍｏｌ％であることが好ましい。
また、圧電体層７０を構成する鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム及びマグネシウムチタン酸ビスマスは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム及びマグネシウムチタン酸ビスマスとして、ＢｉＦｅＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３及びＢｉ（Ｍｇ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ３以外に、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、Ｋ、Ｔｉ、ＭｇやＯ）が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム及びマグネシウムチタン酸ビスマスと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム及びマグネシウムチタン酸ビスマスの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム及びマグネシウムチタン酸ビスマスとの比も、種々変更することができる。
また、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、Ｔｉ及びＭｇ以外に、さらにマンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）などの他の元素を含むことが好ましく、これらの中でもＭｎを含むことがより好ましい。Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒなどを含むことにより、リーク特性を向上させることができ、圧電特性に優れた非鉛系の圧電材料とすることができる。なお、圧電体層７０が他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有する必要がある。
圧電体層７０が、Ｍｎ、ＣｏやＣｒを含む場合、Ｍｎ、ＣｏやＣｒはＢサイトに位置する。例えば、圧電体層７０がＭｎを含む場合、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとマグネシウムチタン酸ビスマスが均一に固溶した固溶体のＦｅ、Ｔｉ、Ｍｇの一部がＭｎで置換された構造、又は鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとマグネシウムチタン酸ビスマスとの３元系混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとマグネシウムチタン酸ビスマスとの３元系混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性がさらに向上することがわかっている。また、ＣｏやＣｒを含む場合も、Ｍｎと同様にリーク特性が向上するものである。ここで、下記式（２）または（２’）で表記できる。
(Bi1-xBax)｛Fe,Ａ｝（1-x-y-z）(Ti（x+y+0.5z）Mg0.5z)O3 (2)
或いは：
(Bi1-xBax)Fe0.95（1-x-y-z）A0.05（1-x-y-z）(Ti（x+y+0.5z）Mg0.5z)O3
（Ａ=Mn,Co,Cr から選ばれる1種以上） (2’)
ここで、好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．３０、０．０５≦ｙ≦０．１０、０．０５≦ｚ≦０．１０となる。
或いは：
(Bi1-xBax)Fe0.95（1-x-y-z）A0.05（1-x-y-z）(Ti（x+y+0.5z）Mg0.5z)O3
（Ａ=Mn,Co,Cr から選ばれる1種以上） (2’)
ここで、好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．３０、０．０５≦ｙ≦０．１０、０．０５≦ｚ≦０．１０となる。
上述では、圧電体層７０が他の元素としてＭｎ、ＣｏおよびＣｒを含む場合について説明したが、その他遷移金属元素の２元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層７０とすることができる。また、圧電体層７０は特性を向上させるため公知のその他の添加物をさらに含んでいてもよい。
なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、マグネシウムチタン酸ビスマス、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、チタン酸ビスマスカリウム及び鉄酸クロム酸ビスマスなどは、単独では検出されないものである。
しかしながら、Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ ＲＩＮＴ−２０００、ＣｕＫα線）を使用し、シンクロトロン放射施設（ＳＰｒｉｎｇ−８）のビームライン（ＢＬ０２Ｂ２）を用いた高強度シンクロトロンＸ線回折によれば、鉄酸ビスマス（ＢＦ）とチタン酸バリウム（ＢＴ）とマグネシウムチタン酸ビスマス（ＢＭＴ）との３元系混晶（ＢＦ−ＢＴ−ＢＭＴ）として表される焼結体や、チタン酸バリウム（ＢＴ）とマグネシウムチタン酸ビスマス（ＢＭＴ）との２元系混晶（ＢＴ−ＢＭＴ）として表される焼結体について、ペロブスカイト構造に帰属されるピークを観測することができる場合もある。
第２電極８０としては、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、流路形成基板１０上に延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加される。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０、配向制御層６５及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、（１００）面に配向した単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により厚さ１２００ｎｍの二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にＲＦマグネトロンスパッター法により厚さ４０ｎｍのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜（密着層５６）を形成した。次に、酸化チタン膜上にＲＦマグネトロンスパッター法により、厚さ１００ｎｍの白金膜を形成し、（１１１）面に配向した電極（第１電極６０）とした。
まず、（１００）面に配向した単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により厚さ１２００ｎｍの二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にＲＦマグネトロンスパッター法により厚さ４０ｎｍのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜（密着層５６）を形成した。次に、酸化チタン膜上にＲＦマグネトロンスパッター法により、厚さ１００ｎｍの白金膜を形成し、（１１１）面に配向した電極（第１電極６０）とした。
次に、第１電極６０上に圧電体層７０を（１００）面に優先配向させるための配向制御層６５を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマスと２−エチルヘキサン酸マンガンのｎ−オクタン溶液を、モル濃度比がＢｉ：Ｍｎ＝１００：１００となるように混合して、配向制御層の前駆体溶液を調製した。次いで、配向制御層の前駆体溶液を、酸化チタン膜及び白金膜が形成された上記基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させてスピンコート法により配向制御層前駆体膜を形成した（配向制御層塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（配向制御層乾燥工程）。次いで、３５０℃で２分間脱脂を行った（配向制御層脱脂工程）。その後に、３℃／秒で７００℃まで昇温し、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で７００℃２分間の焼成を行うことにより、マンガン酸ビスマスからなる配向制御層を形成した（配向制御層焼成工程）。これにより、Ｂｉ及びＭｎからなる複合酸化物からなる配向制御層６５を得た。
次いで、配向制御層６５上に、ペロブスカイト構造を有する所定の圧電体層７０を形成した。その手法は以下のとおりである。２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝７２．５：６１．７５：３．２５：２５．０：２．５：２．５：３２．５となるように混合して、前駆体溶液を調製した。
次いで、前駆体溶液を、配向制御層６５上に滴下し、５００ｒｐｍで６秒間回転後、３０００ｒｐｍで基板を２０秒回転させてスピンコート法により成膜した。次に、ホットプレート上に基板を載せ、１８０℃で２分間乾燥した。次いで、ホットプレート上に基板を載せ、３５０℃で２分間脱脂を行った。この溶液塗布〜脱脂工程を２回繰り返した後に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ装置で、７５０℃で５分間焼成を行った。次いで、上記の工程を６回繰り返し、計１２回の塗布により圧電体層７０を形成した。
その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてＲＦマグネトロンスパッター法により厚さ１００ｎｍの白金膜を形成して第２電極８０とした。これにより、第１電極６０、配向制御層６５、圧電体層７０及び第２電極８０を具備する圧電素子３００を得た。
（実施例２）
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝６７．５：５７．０：３．０：３０：２．５：２．５：３７．５となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝６７．５：５７．０：３．０：３０：２．５：２．５：３７．５となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
（実施例３）
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝７０．０：５７．０：３．０：２５：２．５：５：３７．５となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝７０．０：５７．０：３．０：２５：２．５：５：３７．５となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
（実施例４）
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝７０：５２．２５：２．７５：２５：５：５：４０．０となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
前駆体溶液として、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸バリウム、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸マグネシウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を混合し、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｍｇ：Ｋ：Ｔｉ＝７０：５２．２５：２．７５：２５：５：５：４０．０となるように混合したものを用いて圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
（比較例１）
実施例１と同様の溶液を用いて、Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｔｉ＝７５．０：７１．２５：３．７５：２５．０：２５．０となるようにＭｇを含まない前駆体溶液を調合した。この前駆体溶液を用いて実施例１と同様の操作を行い、計１２回の塗布により圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
実施例１と同様の溶液を用いて、Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉのモル比が、Ｂｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｂａ：Ｔｉ＝７５．０：７１．２５：３．７５：２５．０：２５．０となるようにＭｇを含まない前駆体溶液を調合した。この前駆体溶液を用いて実施例１と同様の操作を行い、計１２回の塗布により圧電体層７０を形成した以外は、実施例１と同様の操作を行い、圧電素子３００を作製した。
（試験例１）
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、薄膜断面を用いて観察したＳＥＭ写真を示す。この結果を図４〜図６に示す。この結果より、ＢＫＴ＋ＢＭＴ添加によるＢＦＭ−ＢＴ薄膜モフォロジーの変化が殆ど見られないことがわかった。
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、薄膜断面を用いて観察したＳＥＭ写真を示す。この結果を図４〜図６に示す。この結果より、ＢＫＴ＋ＢＭＴ添加によるＢＦＭ−ＢＴ薄膜モフォロジーの変化が殆ど見られないことがわかった。
（試験例２）
実施例１〜４及び比較例１の圧電体層について、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用いてＸ線回折の測定を行った。図７〜図９に、実施例１〜４及び比較例１のＸ線回折パターンを示す。ＸＲＤ測定結果から、すべてのサンプルは（１００）面優先結晶配向になっているが、配向度はＢＴ量とＢＫＴ＋ＢＭＴ量に依存することがわかった。
実施例１〜４及び比較例１の圧電体層について、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用いてＸ線回折の測定を行った。図７〜図９に、実施例１〜４及び比較例１のＸ線回折パターンを示す。ＸＲＤ測定結果から、すべてのサンプルは（１００）面優先結晶配向になっているが、配向度はＢＴ量とＢＫＴ＋ＢＭＴ量に依存することがわかった。
（試験例３）
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で、φ＝５００μｍの電極パターンを使用し、室温（２５℃）で周波数１ｋＨｚの三角波を印加して、Ｐ分極量と電圧との関係（ヒステリシス曲線）、Ｓ（電界誘起歪（変位量））−Ｖ（電圧）の関係（バタフライ）を求めた。図１０〜図１１に実施例１〜４のヒステリシス曲線を示し、図１２に比較例１のヒステリシス曲線を示す。また、図１３に実施例１，２のバタフライ曲線を示し、図１４に比較例１のバタフライ曲線を示す。なお、駆動方法はバイポーラ駆動によるものである。
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で、φ＝５００μｍの電極パターンを使用し、室温（２５℃）で周波数１ｋＨｚの三角波を印加して、Ｐ分極量と電圧との関係（ヒステリシス曲線）、Ｓ（電界誘起歪（変位量））−Ｖ（電圧）の関係（バタフライ）を求めた。図１０〜図１１に実施例１〜４のヒステリシス曲線を示し、図１２に比較例１のヒステリシス曲線を示す。また、図１３に実施例１，２のバタフライ曲線を示し、図１４に比較例１のバタフライ曲線を示す。なお、駆動方法はバイポーラ駆動によるものである。
この結果、ＢＫＴ＋ＢＭＴを添加した実施例では角型性が小さくなったことがわかった。
（試験例４）
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、±５０Ｖの電圧を印加して、電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を求めた。Ｉ−Ｖ曲線の測定は、ヒューレットパッカード社製「４１４０Ｂ」を用い、測定時の保持時間を２秒として大気下で行った。また、測定は遮光したプローバーを使用し、光起電力等の影響を排除して行った。図１５に実施例１〜４及び比較例１の測定結果を示す。
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、±５０Ｖの電圧を印加して、電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を求めた。Ｉ−Ｖ曲線の測定は、ヒューレットパッカード社製「４１４０Ｂ」を用い、測定時の保持時間を２秒として大気下で行った。また、測定は遮光したプローバーを使用し、光起電力等の影響を排除して行った。図１５に実施例１〜４及び比較例１の測定結果を示す。
図１０〜図１５の結果より、実施例１〜４では、ＢＫＴ＋ＢＭＴの添加によってリーク電流が大幅低減したことがわかった。これらにおいては、組成中のＢＦＭ量が減少するとＦｅ２＋量が減り、また、ＢＫＴとＢＭＴ中にあるＴｉはＦｅ３＋の電価安定に効果があると考えられ、この結果、リーク電流が低減したと考えられる。
（試験例５）
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、アグザクト社製の変位測定装置（ＤＢＬＩ）を用いて、室温でφ＝５００μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚで３０Ｖの電圧を印加して、バイポーラ駆動及びユニポーラ駆動でそれぞれ電界誘起歪（変位量）を測定した。
実施例１〜４及び比較例１の圧電素子について、アグザクト社製の変位測定装置（ＤＢＬＩ）を用いて、室温でφ＝５００μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚで３０Ｖの電圧を印加して、バイポーラ駆動及びユニポーラ駆動でそれぞれ電界誘起歪（変位量）を測定した。
この結果、実施例１〜４では、比較例１と比較して変位量が２４％向上した。
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、配向制御層６５、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。
上述した実施形態１では、第１電極６０が圧力発生室１２の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成し、第２電極８０が圧力発生室１２に対応して独立して設けられた個別電極を構成している液体噴射ヘッドを例示したが、第１電極６０が圧力発生室１２に対応して独立して設けられた個別電極を構成し、第２電極８０が圧力発生室１２の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成していてもよい。
また、インクジェット式記録ヘッドＩ（図１参照）は、例えば、図１６に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
そして、駆動モーター６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７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
なお、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩとして、インクジェット式記録ヘッドＩがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置ＩＩは、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩを固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
また、上述した実施形態では、圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
また、本発明に係る圧電素子３００は、各種センサーに搭載して用いることができる。各種センサーとしては、例えば、焦電センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、温度センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、加速度センサー、及びジャイロセンサー（角速度センサー）等が挙げられる。これらのセンサーは、リーク電流が低減され、変位量が向上した圧電素子を具備するため、検出感度が高いものとなる。
また、本発明に係る圧電素子３００は、強誘電体素子に好適に用いることができる。強誘電体素子としては、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、強誘電体トランジスタ（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシタなどが挙げられる。
さらに、本発明に係る圧電素子３００は、光学素子に好適に用いることができる。光学素子としては、波長変換機、光導波路、赤外線などの有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター、特定パターン構造を利用した光−熱変換フィルターなどが挙げられる。
さらに、本発明に係る圧電素子３００は、発電装置に搭載して用いることができる。発電装置としては、圧力−電気変換効果を使用した発電装置、光による電子励起（光起電力）を使用した発電装置、熱による電子励起（熱起電力）を使用した発電装置、振動を利用した発電装置などが挙げられる。
また、本発明に係る圧電素子３００は、上述の液体噴射ヘッド、当該液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置、各種センサー、強誘電体素子、光学素子及び発電装置に用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス、圧電モーター、振動式ダスト除去装置等が挙げられる。
Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ マニホールド部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５６ 密着層、 ６０ 第１電極、 ６５ 配向制御層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
Claims (12)
- 第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極とを備えた圧電素子であって、
前記圧電体層は、Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなる
ことを特徴とする圧電素子。 - 前記第１成分は、Ｂｉ(Ｆｅ,Ｍｎ)Ｏ３-ＢａＴｉＯ３であり、前記第２成分は（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３であり、前記第３成分はＢｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３であることを特徴とする請求項１に記載する圧電素子。
- 前記第１成分、前記第２成分及び前記第３成分において、菱面体晶の複合酸化物の正方晶の複合酸化物に対する比率である菱面体晶の複合酸化物／正方晶の複合酸化物は、７０／３０〜６５／３５であることを特徴とする請求項１又は２に記載する圧電素子。
- Ｂａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物の含有量は、２５〜３０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載する圧電素子。
- 前記第２成分の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載する圧電素子。
- 前記第３成分の含有量は、５〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載する圧電素子。
- 前記第２成分及び前記第３成分の総含有量は、１０〜２０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載する圧電素子。
- 前記第１電極と前記圧電体層との間に、マンガン酸ビスマスからなる配向制御層を有することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載する圧電素子。
- 請求項１〜８の何れか一項に記載する圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項９に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
- 請求項１〜８の何れか一項に記載する圧電素子を具備することを特徴とするアクチュエーターとセンサー。
- Ｂｉ及びＦｅを含む菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、及びＢａ及びＴｉを含む正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第１成分と、Ｂｉ、Ｋ及びＴｉを含み、正方晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第２成分と、Ｂｉ、Ｍｇ及びＴｉを含み、菱面体晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる第３成分とを含む混晶として表される圧電材料からなることを特徴とする圧電材料。
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