JP2021182602A - 圧電素子、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

圧電素子、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電素子の特性を向上させる。【解決手段】基板上に、第１電極とシード層と圧電体層と第２電極とがこの順で積層された圧電素子であって、圧電体層は、鉛、ジルコニウムおよびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成され、シード層は、鉛、鉄およびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、圧電素子、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。
ピエゾ方式のインクジェットプリンター等に用いられ、成膜により形成される積層構造を有する圧電素子が知られている。例えば、特許文献１に記載の圧電素子では、下電極膜と圧電体層と上電極膜とがこの順で積層される。特許文献１では、下電極膜の圧電体層側の全面がニッケル酸ランタンからなる配向制御層で構成される。配向制御層の結晶面方位は、（１００）に優先配向する。圧電体層の結晶面方位は、成膜の際に配向制御層の面方位の影響を受けて、（１００）に配向する。
特開２００４−６６６００号公報
特許文献１に記載の圧電素子では、圧電素子の使用等に伴って経時的に、配向制御層中のランタンまたはニッケルが圧電体層に拡散し、この結果、圧電特性を低下させるという課題がある。
以上の課題を解決するために、本発明に係る圧電素子の一態様は、基板上に、第１電極とシード層と圧電体層と第２電極とがこの順で積層された圧電素子であって、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウムおよびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成され、前記シード層は、鉛、鉄およびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成される。
本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、前述の態様の圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動回路と、を有する。
本発明に係る液体吐出装置の一態様は、前述の態様の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの動作を制御する制御部と、を有する。
実施形態に係る液体吐出装置を模式的に示す構成図である。 実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図２中のIII-III線断面図である。 実施形態に係る圧電素子を示す平面図である。 図４中のＶ-Ｖ線断面図である。 実施例１における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例２における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例３における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例４における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例５における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例６における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例７における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例８における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例９における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例１０における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 実施例１１における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 比較例１における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 比較例２における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 比較例３における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。 比較例４における圧電体層のＸ線回折法による測定結果を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法または縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。
なお、以下の説明は、互いに交差するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、Ｘ軸に沿う一方向をＸ１方向といい、Ｘ１方向と反対の方向をＸ２方向という。同様に、Ｙ軸に沿って互いに反対の方向をＹ１方向およびＹ２方向という。また、Ｚ軸に沿って互いに反対の方向をＺ１方向およびＺ２方向という。また、Ｚ軸に沿う方向でみることを「平面視」という。
ここで、典型的には、Ｚ軸が鉛直な軸であり、Ｚ２方向が鉛直方向での下方向に相当する。ただし、Ｚ軸は、鉛直な軸でなくともよい。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、典型的には互いに直交するが、これに限定されず、例えば、８０°以上１００°以下の範囲内の角度で交差すればよい。
１．実施形態
１−１．液体吐出装置の全体構成
図１は、実施形態に係る液体吐出装置１００を模式的に示す構成図である。液体吐出装置１００は、液体の一例であるインクを液滴として媒体１２に吐出するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙である。なお、媒体１２は、印刷用紙に限定されず、例えば、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象でもよい。
図１に示すように、液体吐出装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が装着される。液体容器１４の具体的な態様としては、例えば、液体吐出装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、および、インクを補充可能なインクタンクが挙げられる。なお、液体容器１４に貯留されるインクの種類は任意である。
液体吐出装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体吐出ヘッド２６とを有する。制御ユニット２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体吐出装置１００の各要素の動作を制御する。ここで、制御ユニット２０は、「制御部」の一例であり、液体吐出ヘッド２６の動作を制御する。
搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで、媒体１２をＹ２方向に搬送する。移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体吐出ヘッド２６をＸ１方向とＸ２方向とに往復させる。図１に示す例では、移動機構２４は、液体吐出ヘッド２６を収容するキャリッジと称される略箱型の搬送体２４２と、搬送体２４２が固定される搬送ベルト２４４と、を有する。なお、搬送体２４２に搭載される液体吐出ヘッド２６の数は、１個に限定されず、複数個でもよい。また、搬送体２４２には、液体吐出ヘッド２６のほかに、前述の液体容器１４が搭載されてもよい。
液体吐出ヘッド２６は、制御ユニット２０による制御のもとで、液体容器１４から供給されるインクを複数のノズルのそれぞれからＺ２方向に媒体１２に吐出する。この吐出が搬送機構２２による媒体１２の搬送と移動機構２４による液体吐出ヘッド２６の往復移動とに並行して行われることにより、媒体１２の表面にインクによる画像が形成される。
１−２．液体吐出ヘッドの全体構成
図２は、実施形態に係る液体吐出ヘッド２６の分解斜視図である。図３は、図２中のIII-III線断面図である。図２に示すように、液体吐出ヘッド２６は、Ｙ軸に沿う方向に配列される複数のノズルＮを有する。図２に示す例では、複数のノズルＮは、Ｘ軸に沿う方向に互いに間隔をあけて並ぶ第１列Ｌ１と第２列Ｌ２とに区分される。第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれは、Ｙ軸に沿う方向に直線状に配列される複数のノズルＮの集合である。ここで、液体吐出ヘッド２６における第１列Ｌ１の各ノズルＮに関連する要素と第２列Ｌ２の各ノズルＮに関連する要素とがＸ軸に沿う方向で互いに略対称な構成である。
ただし、第１列Ｌ１における複数のノズルＮと第２列Ｌ２における複数のノズルＮとのＹ軸に沿う方向での位置が互いに一致してもよいし異なってもよい。また、第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のうちの一方の各ノズルＮに関連する要素が省略されてもよい。以下では、第１列Ｌ１における複数のノズルＮと第２列Ｌ２における複数のノズルＮとのＹ軸に沿う方向での位置が互いに一致する構成が例示される。
図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド２６は、流路構造体３０とノズル板６２と吸振体６４と振動板３６と配線基板４６と筐体部４８と駆動回路５０とを有する。
流路構造体３０は、複数のノズルＮにインクを供給するための流路を形成する構造体である。本実施形態の流路構造体３０は、流路基板３２と圧力室基板３４とを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。流路基板３２および圧力室基板３４のそれぞれは、Ｙ軸に沿う方向に長尺な板状部材である。流路基板３２および圧力室基板３４は、例えば接着剤により、互いに接合される。
流路構造体３０よりもＺ１方向に位置する領域には、振動板３６と配線基板４６と筐体部４８と駆動回路５０とが設置される。他方、流路構造体３０よりもＺ２方向に位置する領域には、ノズル板６２と吸振体６４とが設置される。液体吐出ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２および圧力室基板３４と同様にＹ軸に沿う方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤により、互いに接合される。
ノズル板６２は、複数のノズルＮが形成された板状部材である。複数のノズルＮのそれぞれは、インクを通過させる円形状の貫通孔である。ノズル板６２は、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチング等の加工技術を用いる半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、ノズル板６２の製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。
流路基板３２には、第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれについて、空間Ｒaと複数の供給流路３２２と複数の連通流路３２４と供給液室３２６とが形成される。空間Ｒaは、Ｚ軸に沿う方向でみた平面視で、Ｙ軸に沿う方向に延びる長尺状の開口である。供給流路３２２および連通流路３２４のそれぞれは、ノズルＮごとに形成された貫通孔である。供給液室３２６は、複数のノズルＮにわたりＹ軸に沿う方向に延びる長尺状の空間であり、空間Ｒaと複数の供給流路３２２とを互いに連通させる。複数の連通流路３２４のそれぞれは、当該連通流路３２４に対応する１個のノズルＮに平面視で重なる。
圧力室基板３４は、第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれについて、キャビティと称される複数の圧力室Ｃが形成された板状部材である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ軸に沿う方向に配列される。各圧力室Ｃは、ノズルＮごとに形成され、平面視でＸ軸に沿う方向に延びる長尺状の空間である。流路基板３２および圧力室基板３４それぞれは、前述のノズル板６２と同様に、例えば、半導体製造技術によりシリコン単結晶基板を加工することにより製造される。ただし、流路基板３２および圧力室基板３４のそれぞれの製造には、他の公知の方法および材料が適宜に用いられてもよい。
圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置する空間である。第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれについて、複数の圧力室ＣがＹ軸に沿う方向に配列される。また、圧力室Ｃは、連通流路３２４および供給流路３２２のそれぞれに連通する。したがって、圧力室Ｃは、連通流路３２４を介してノズルＮに連通し、かつ、供給流路３２２と供給液室３２６とを介して空間Ｒaに連通する。
圧力室基板３４のＺ２方向を向く面には、振動板３６が配置される。振動板３６は、弾性的に振動可能な板状部材である。ここで、振動板３６および圧力室基板３４からなる積層体３１は、「基板」の一例である。なお、振動板３６を「基板」として捉えてもよい。振動板３６については、後に詳述する。
振動板３６のＺ１方向を向く面には、第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれについて、互いにノズルＮに対応する複数の圧電素子４４が配置される。各圧電素子４４は、駆動信号の供給により変形する受動素子である。各圧電素子４４は、平面視でＸ軸に沿う方向に延びる長尺状をなす。複数の圧電素子４４は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ軸に沿う方向に配列される。圧電素子４４の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、インクがノズルＮから吐出される。圧電素子４４については、後に詳述する。
筐体部４８は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留するためのケースである。図３に示すように、本実施形態の筐体部４８には、第１列Ｌ１および第２列Ｌ２のそれぞれについて、空間Ｒbが形成される。筐体部４８の空間Ｒbと流路基板３２の空間Ｒaとは、互いに連通する。空間Ｒaと空間Ｒbとで構成される空間は、複数の圧力室Ｃに供給されるインクを貯留する液体貯留室（リザーバー）Ｒとして機能する。液体貯留室Ｒには、筐体部４８に形成された導入口４８２を介してインクが供給される。液体貯留室Ｒ内のインクは、供給液室３２６と各供給流路３２２とを介して圧力室Ｃに供給される。吸振体６４は、液体貯留室Ｒの壁面を構成する可撓性のフィルム（コンプライアンス基板）であり、液体貯留室Ｒ内のインクの圧力変動を吸収する。
配線基板４６は、駆動回路５０と複数の圧電素子４４とを電気的に接続するための配線が形成された板状部材である。配線基板４６のＺ２方向を向く面は、振動板３６に導電性の複数のバンプＢを介して接合される。一方、配線基板４６のＺ１方向を向く面には、駆動回路５０が実装される。駆動回路５０は、各圧電素子４４を駆動するための駆動信号および基準電圧を出力するＩＣ（Integrated Circuit）チップである。
配線基板４６のＺ１方向を向く面には、外部配線５２の端部が接合される。外部配線５２は、例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の接続部品で構成される。ここで、配線基板４６には、図２に示すように、外部配線５２と駆動回路５０とを電気的に接続する複数の配線４６１と、駆動回路５０から出力される駆動信号および基準電圧が供給される複数の配線４６２とが形成される。
１−３．振動板および圧電素子の詳細
図４は、実施形態に係る圧電素子４４を示す平面図である。図５は、図４中のＶ-Ｖ線断面図である。液体吐出ヘッド２６では、図５に示すように、圧力室基板３４、振動板３６および複数の圧電素子４４がこの順でＺ１方向に積層される。
図５に示すように、圧力室基板３４には、圧力室Ｃを構成する孔３４１が設けられる。これに伴い、圧力室基板３４には、互いに隣り合う２つの孔３４１の間に、Ｘ軸に沿う方向に延びる壁状の隔壁部３４２が設けられる。図４では、孔３４１の平面視形状が破線で示される。圧力室基板３４は、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより形成される。当該異方性エッチングのエッチング液には、例えば、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）等が用いられる。また、当該異方性エッチングでは、後述の第１層３６１がエッチング停止層として用いられる。
なお、図４では、孔３４１の平面視形状が矩形であるが、これに限定されず、任意である。例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成した場合の孔３４１の平面視形状は、平行四辺形をなす。
図５に示すように、振動板３６は、第１層３６１と第２層３６２とを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。第１層３６１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成される弾性膜である。当該弾性膜は、例えば、シリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより形成される。第２層３６２は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で構成される絶縁膜である。当該絶縁膜は、例えば、スパッタ法によりジルコニウムの層を形成し、当該層を熱酸化することにより形成される。
ここで、前述のように、振動板３６の第２層３６２が酸化ジルコニウムで構成されており、積層体３１は、酸化ジルコニウムを含む。酸化ジルコニウムは、優れた電気絶縁性、機械的強度および靭性を有する。このため、酸化ジルコニウムを含む第２層３６２を振動板３６に用いることにより、振動板３６の特性を高めることができる。また、後述の圧電体層４４３が後述のシード層４４４上にない部分を有していても、当該部分が第２層３６２上に配置されることにより、圧電体層４４３を形成する際、当該部分を（１００）方向に優先配向させやすくなるとも考えられる。
なお、第１層３６１と第２層３６２との間には、金属酸化物等の他の層が介在してもよい。また、振動板３６の一部または全部は、圧力室基板３４と同一材料で一体に構成されてもよい。また、振動板３６は、単一材料の層で構成されてもよい。
図４に示すように、圧電素子４４は、平面視で圧力室Ｃに重なる。図５に示すように、圧電素子４４は、第１電極４４１とシード層４４４と圧電体層４４３と第２電極４４２とを有し、これらがこの順でＺ１方向に積層される。したがって、圧電素子４４は、基板の一例である積層体３１上に、第１電極４４１とシード層４４４と圧電体層４４３と第２電極４４２とがこの順で積層される。なお、圧電素子４４の層間、または圧電素子４４と振動板３６との間には、密着性を高めるための層等の他の層が適宜介在してもよい。
第１電極４４１は、圧電素子４４ごとに互いに離間して配置される個別電極である。具体的には、Ｘ軸に沿う方向に延びる複数の第１電極４４１が、互いに間隔をあけてＹ軸に沿う方向に配列される。各圧電素子４４の第１電極４４１には、当該圧電素子４４に対応するノズルＮからインクを吐出するための駆動信号が駆動回路５０を介して印加される。
第１電極４４１は、例えば、白金（Ｐｔ）で構成される層である。白金は、電極材料として優れた特性を有する。さらに、第１電極４４１が白金を含むことにより、高配向度で（１００）方向に優先配向したペロブスカイト構造を有するシード層４４４を形成しやすくなっていると推定される。第１電極４４１は、例えば、スパッタ法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。
なお、第１電極４４１の構成材料は、白金に限定されず、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料でもよい。また、第１電極４４１は、これらの金属材料のうち、１種を単独で用いて構成されてもよいし、２種以上を積層または合金等の形態で組み合わせて用いて構成されてもよい。
一方、第２電極４４２は、複数の圧電素子４４にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状の共通電極である。第２電極４４２には、所定の基準電圧が印加される。
第２電極４４２は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される層である。第２電極４４２は、例えば、スパッタ法等の公知の成膜技術、およびフォトリソグラフィおよびエッチング等を用いる公知の加工技術により形成される。
なお、第２電極４４２の構成材料は、イリジウムに限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）等の金属材料でもよい。また、第２電極４４２は、これらの金属材料のうち、１種を単独で用いて構成されてもよいし、２種以上を積層または合金等の形態で組み合わせて用いて構成されてもよい。
圧電体層４４３は、第１電極４４１と第２電極４４２との間に配置される。図４に示すように、圧電体層４４３は、複数の圧電素子４４にわたり連続するようにＹ軸に沿う方向に延びる帯状をなす。図４に示す例では、圧電体層４４３には、互いに隣り合う各圧力室Ｃの間隙に平面視で対応する領域に、圧電体層４４３を貫通する貫通孔４４３ａがＸ軸に沿う方向に延びて設けられる。なお、圧電体層４４３は、複数の圧電素子４４に個別に設けられてもよい。
圧電体層４４３は、鉛、ジルコニウムおよびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成される。当該複合酸化物としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等が挙げられる。中でも、圧電体層４４３の構成材料には、チタン酸ジルコン酸鉛が好適に用いられる。なお、圧電体層４４３には、不純物等の他の元素が少量含まれてもよい。
圧電体層４４３は、例えば、ゾルゲル法またはＭＯＤ（metal organic decomposition）法により圧電体の前駆体層を形成し、その前駆体層を焼成して結晶化することにより形成される。
シード層４４４は、第１電極４４１と圧電体層４４３との間に配置される。図４に示すように、シード層４４４は、平面視で圧電体層４４３と同じ領域にわたり設けられる。なお、シード層４４４は、第１電極４４１と圧電体層４４３との間に配置されていればよく、平面視で圧電体層４４３と異なる領域に設けられてもよい。
シード層４４４は、鉛、鉄およびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成される。このようなシード層４４４の上に前述の圧電体層４４３が設けられることにより、圧電体層４４３を構成する複合酸化物を（１００）方向に優先配向させることができる。
ここで、特許文献１に記載の配向制御層の構成元素に比べてシード層４４４の構成元素が圧電体層４４３の構成元素に近い。このため、シード層４４４の構成元素が圧電体層４４３に拡散しても、その影響が少ない。この結果、圧電素子４４の特性の低下を低減することができる。
また、シード層４４４を構成する複合酸化物の比誘電率がチタン等の金属単体に比べて高いので、チタン等の金属単体で構成される低い比誘電率の層が第１電極４４１と第２電極４４２との間に存在することによる圧電素子４４の変位効率の悪化を防止することもできる。
シード層４４４に含まれる複合酸化物は、例えば、ＰｂＦｅＯ３とＰｂＴｉＯ３との固溶体であり、Ｐｂ（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ３で表される。より具体的には、当該複合酸化物は、下記式（１）で表される。
ＰｂｘＦｅｙＴｉ（１−ｙ）Ｏｚ （１）
ここで、式（１）中のｘは、１．００≦ｘ＜２．００の関係を満たせばよいが、シード層４４４によって圧電体層４４３の配向度を高める効果を好適に得る観点から、１．００≦ｘ＜１．５０の関係を満たすことが好ましく、１．１０≦ｘ＜１．４０の関係を満たすことがより好ましい。
式（１）中のｙは、０．１０≦ｙ≦０．９０の関係を満たせばよいが、シード層４４４によって圧電体層４４３の配向度を高める効果を好適に得る観点から、０．２０≦ｙ≦０．８０の関係を満たすことが好ましく、０．４０≦ｙ≦０．６０の関係を満たすことがより好ましい。
式（１）中のｚは、典型的には、ｚ＝３．００の関係を満たす。ただし、ｚが当該関係を満たさなくてもよい。
また、シード層４４４によって圧電体層４４３の（１００）配向度を高める効果を好適に得る観点から、式（１）中のｘおよびｙは、１．３≦（ｘ／ｙ）＜１３．０の関係を満たすことが好ましく、１．５≦（ｘ／ｙ）＜６．５の関係を満たすことがより好ましく、１．６≦（ｘ／ｙ）＜３．５の関係を満たすことがさらに好ましい。
なお、シード層４４４の構成材料は、鉛、鉄およびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物であればよく、前述の式（１）で表される複合酸化物に限定されず、鉛、鉄およびチタン以外の元素が構成元素として含まれてもよい。また、シード層４４４には、不純物等の他の元素が少量含まれてもよい。
このようなシード層４４４の比誘電率は、１００Ｆ・ｍ−１以上である。このため、上述のとおり、優れた変位効率の圧電素子４４を実現することができる。
また、このような圧電体層４４３をＸ線回折法により解析したとき、（１００）に対応するピーク強度が（１１０）に対応するピーク強度よりも高い。すなわち、（１００）配向度が（１１０）配向度よりも高い。このため、優れた変位効率の圧電素子４４を実現することができる。
シード層４４４の厚さＴ１は、圧電体層４４３の（１００）方向の配向度を高めることができればよく、特に限定されないが、圧電体層４４３の厚さＴ２よりも薄いことが好ましい。この場合、シード層４４４の厚さＴ１が圧電体層４４３の厚さＴ２よりも厚い構成に比べて、圧電素子４４の変位効率を高めることができる。
また、シード層４４４の厚さＴ１は、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。シード層４４４の厚さＴ１がこの範囲内にあることにより、圧電素子４４の変位効率を高めつつ、シード層４４４を用いて、圧電体層４４３を構成する複合酸化物を（１００）方向に優先配向させることができる。
これに対し、シード層４４４の厚さＴ１が薄すぎると、シード層４４４によって圧電体層４４３の配向度を高める効果が低下する傾向を示す。一方、シード層４４４の厚さＴ１が厚すぎると、シード層４４４によって圧電体層４４３の（１００）配向度を高める効果の向上が望めないばかりか、圧電体層４４３の厚さＴ２によっては、圧電素子４４の変位効率が低下する傾向を示す。
２．変形例
以上の例示における各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択される２以上の態様は、互いに矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
２−１．変形例１
前述の形態では、圧電素子４４と、圧電素子４４を駆動する駆動回路５０と、を有する液体吐出ヘッド２６が例示される。圧電素子４４を搭載する機器等は、液体吐出ヘッドに限定されず、例えば、圧電素子を有する圧電アクチュエーター等の他の駆動デバイスでもよく、圧電素子を有する圧力センサー等の検出デバイス等でもよい。
２−２．変形例２
前述の形態では、液体吐出ヘッド２６は、配列される複数の圧電素子４４を有する。ここで、当該複数の圧電素子４４は、当該複数の圧電素子に個別に設けられる複数の第１電極４４１と、当該複数の圧電素子４４に共通に設けられる第２電極４４２と、を有する。複数の第１電極４４１は、圧電体層４４３と振動板３６との間に配置される。
このように、前述の形態では、第１電極４４１が個別電極であり第２電極４４２が共通電極である構成を例示するが、第１電極４４１を、複数の圧電素子４４にわたり連続する共通電極とし、第２電極４４２を圧電素子４４ごとに個別の個別電極としてもよい。また、第１電極４４１および第２電極４４２の双方を個別電極としてもよい。
２−３．変形例３
前述の各形態では、液体吐出ヘッド２６を搭載する搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体吐出装置１００を例示するが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体吐出装置にも本発明を適用することが可能である。
２−４．変形例４
前述の各形態で例示する液体吐出装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体吐出装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を吐出する液体吐出装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を吐出する液体吐出装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
Ａ．圧電体層の製造
Ａ−１．実施例１
まず、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の一方の面を熱酸化することにより、振動板の第１層として、厚さ１４６０ｎｍの二酸化シリコン膜を形成した。
次に、当該二酸化シリコン膜上に、スパッタ法によりジルコニウム膜を成膜し、当該ジルコニウム膜を９００℃で熱酸化することにより、振動板の第２層として、厚さ４００ｎｍの酸化ジルコニウム膜を形成した。
当該酸化ジルコニウム膜上に、４５０℃の加熱環境下で、スパッタ法により白金を成膜することにより、厚さ５０ｎｍの第１電極を形成した。
その後、鉛、鉄およびチタンのそれぞれのＭＯＤ溶液を用いてＰｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．１：０．９となるように調合したＭＯＤ溶液をスピンコート法により第１電極上に塗布し、その後、３８０℃で乾燥および脱脂を行った後、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）により７５０℃で３分間にわたり加熱処理を行うことにより、Ｐｂ１．３Ｆｅ０．１Ｔｉ０．９Ｏｚで構成される厚さ５０ｎｍのシード層を形成した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．１、ｘ／ｙ＝１３．０となる。
続いて、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉが１．１８：０．５２：０．４８となるように調合したＭＯＤ溶液をスピンコート法によりシード層上に塗布し、その後、１８０℃での乾燥および４４０℃での脱脂を行った後、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）により７５０℃で５分間にわたり加熱処理を行うことにより、ＰＺＴで構成される厚さ１０００ｎｍの圧電体層を形成した。
Ａ−２．実施例２
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．２：０．８となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例２の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．２、ｘ／ｙ＝６．５となる。
Ａ−３．実施例３
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．３：０．７となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例３の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．３、ｘ／ｙ＝４．３となる。
Ａ−４．実施例４
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．４：０．６となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例４の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．４、ｘ／ｙ＝３．３となる。
Ａ−５．実施例５
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．５：０．５となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例５の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．５、ｘ／ｙ＝２．６となる。
Ａ−６．実施例６
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．６：０．４となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例６の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．６、ｘ／ｙ＝２．２となる。
Ａ−７．実施例７
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．８：０．２となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例７の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．８、ｘ／ｙ＝１．６となる。
Ａ−８．実施例８
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．３：０．９：０．１となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例８の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．３、ｙ＝０．９、ｘ／ｙ＝１．４となる。
Ａ−９．実施例９
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．１：０．３：０．７となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例９の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．１、ｙ＝０．３、ｘ／ｙ＝３．７となる。
Ａ−１０．実施例１０
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．１：０．４：０．６となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例１０の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．１、ｙ＝０．４、ｘ／ｙ＝２．８となる。
Ａ−１１．実施例１１
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．１：０．６：０．４となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例１１の圧電体層を製造した。よって、ｘ＝１．１、ｙ＝０．６、ｘ／ｙ＝１．８となる。
Ａ−１２．実施例１２
シード層の厚さを２０ｎｍとした以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例１２の圧電体層を製造した。
Ａ−１３．実施例１３
シード層の厚さを２００ｎｍとした以外は、前述の実施例１と同様にして、実施例１３の圧電体層を製造した。
Ａ−１３．比較例１
鉛およびチタンのそれぞれのＭＯＤ溶液を用いてＰｂ：Ｔｉが１．３：１．０となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、比較例１の圧電体層を製造した。
Ａ−１４．比較例２
鉛および鉄のそれぞれのＭＯＤ溶液を用いてＰｂ：Ｆｅが１．３：１．０となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、比較例２の圧電体層を製造した。
Ａ−１５．比較例３
Ｐｂ：Ｆｅ：Ｔｉが１．１：０．１：０．９となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、比較例３の圧電体層を製造した。
Ａ−１６．比較例４
鉛、コバルトおよびチタンのそれぞれのＭＯＤ溶液を用いてＰｂ：Ｃｏ：Ｔｉが１．３：０．４：０．６となるように調合したＭＯＤ溶液を用いてシード層を形成した以外は、前述の実施例１と同様にして、比較例４の圧電体層を製造した。
Ｂ．評価
前述の各実施例および各比較例について、Ｘ線回折装置（Bruker社製 DISCOVER with GADDS）を用いて、圧電体層の配向状態を調べた。
ここで、Ｘ線回折装置を用いた測定は、管電圧：５０ｋＶ、管電流：１００ｍＡ、検出器距離：１５ｃｍ、コリメーター径：０．１ｍｍ、測定時間：１８０秒、ψ＝０°の条件で行った。この測定により得られた２次元データを、２θ範囲：２０°〜４０°、χ範囲：−９５°〜−８５°。ステップ幅：０．０２°、強度規格化法：Bin normalizedで、Ｘ線回折強度曲線に変換した。その結果を図６〜図２０に示す。なお、実施例１２および１３については、図示しないが、実施例１と同様の結果が得られることが発明者による他の実験により確認されている。
図６〜図１６に示すように、各実施例では、３２°付近にＰＺＴの（１１０）ピーク、３８°付近にＰＺＴの（１１１）ピークがそれぞれわずかに現れるものの、２２°付近に現れるＰＺＴの（１００）ピークが極めて大きい。このような結果となるのは、圧電体層の形成の際に圧電体層の結晶配向がシード層の結晶配向の影響を受けることによると推察される。
これに対し、図１７〜図２０に示すように、各比較例では、ＰＺＴの（１００）ピークがほとんど現れないか非常に小さく、また、ＰＺＴの（１１０）ピークや（１１１）ピークが各実施例に比べて大きい。ここで、各比較例のＰＺＴの（１００）ピークが非常に小さいのは、シード層の（１００）配向が弱いためにその影響を受けず、且つ、ＰＺＴが形成し易い（１１０）配向や、第１電極４４１に含まれるＰｔ等の（１１１）配向の影響を受けてＰＺＴにおいても形成された（１１１）配向の寄与が大きくなっているためと推察される。
以上の結果をＡ、Ｂ、ＣおよびＤの４段階で評価した結果を表１にまとめて示す。なお、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、この順で、Ａが最もよい評価であることを示す。
Figure 2021182602
２０…制御ユニット（制御部）、２６…液体吐出ヘッド、３１…積層体（基板）、３４…圧力室基板、４４…圧電素子、５０…駆動回路、１００…液体吐出装置、４４１…第１電極、４４２…第２電極、４４３…圧電体層、４４４…シード層、Ｔ１…厚さ、Ｔ２…厚さ

Claims (16)

  1. 基板上に、第１電極とシード層と圧電体層と第２電極とがこの順で積層された圧電素子であって、
    前記圧電体層は、鉛、ジルコニウムおよびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成され、
    前記シード層は、鉛、鉄およびチタンを構成元素として含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物で構成される、
    ことを特徴とする圧電素子。
  2. 前記シード層に含まれる複合酸化物は、下記式（１）で表される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
    ＰｂｘＦｅｙＴｉ（１−ｙ）Ｏｚ （１）
  3. １．００≦ｘ＜２．００の関係を満たす、
    ことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
  4. ０．２０≦ｙ≦０．８０の関係を満たす、
    ことを特徴とする請求項２または３に記載の圧電素子。
  5. １．３≦（ｘ／ｙ）＜１３．０の関係を満たす、
    ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の圧電素子。
  6. ｚ＝３．００の関係を満たす、
    ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の圧電素子。
  7. 前記第１電極は、白金を含む、
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電素子。
  8. 前記基板は、酸化ジルコニウムを含む、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子。
  9. 前記シード層の厚さは、前記圧電体層の厚さよりも薄い、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電素子。
  10. 前記シード層の厚さは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内にある、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電素子。
  11. 前記シード層の比誘電率は、１００Ｆ・ｍ−１以上である、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電素子。
  12. Ｘ線回折法により前記圧電体層を解析したとき、（１００）配向度が（１１０）配向度よりも高い、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の圧電素子。
  13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧電素子と、
    前記圧電素子を駆動する駆動回路と、を有する、
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  14. 前記圧電素子は、配列される複数の圧電素子を含んでおり、
    前記第１電極は、前記複数の圧電素子に個別に設けられ、
    前記第２電極は、前記複数の圧電素子に共通に設けられる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の液体吐出ヘッド。
  15. 前記圧電素子は、配列される複数の圧電素子を含んでおり、
    前記第１電極は、前記複数の圧電素子に共通に設けられ、
    前記第２電極は、前記複数の圧電素子に個別に設けられる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の液体吐出ヘッド。
  16. 請求項１３から１５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドの動作を制御する制御部と、を有する、
    ことを特徴とする液体吐出装置。
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