JP2023093995A - 圧電基板、圧電素子及び液体吐出ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】大気雰囲気であっても良好な圧電特性を有する圧電素子を得ることのできる圧電基板を提供する。【解決手段】基板と、前記基板上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層と、を含み、前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である、圧電基板。【選択図】図１３

Description

本発明は、圧電基板、圧電素子及び液体吐出ヘッドに関する。
圧電素子は、インクジェット式プリンターの液体吐出ヘッドやセンサーなど、様々な分野において用いられている。圧電体としては、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウムや、チタン酸ジルコン酸鉛が用いられている。圧電素子は、圧電体を一対の電極の間に配置し、電極によって圧電体に電界を与えることにより動作する。
例えば特許文献１には、カリウム、ナトリウム及びニオブを含む圧電体を用い、圧電体層が（１００）に優先配向した圧電素子が開示されている。
特開２０１８－１６０５３５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の圧電素子は成膜割れが生じやすい。成膜割れ部に水分が入ると圧電素子の絶縁性を低下させるため、大気雰囲気中で動作させると、乾燥雰囲気中で動作させる場合に比べて圧電特性が低下する場合があった。
本発明に係る圧電基板の一態様は、
基板と、
前記基板上に形成された第１電極と、
前記第１電極上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層と、
を含み、
前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である。
本発明に係る圧電素子の一態様は、上述の圧電基板と、前記圧電体層上に形成された第２電極と、を含む。
本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、上述の圧電素子と、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、前記圧力発生室に連通するノズル孔が設けられたノズルプレートと、を含む。
実施形態に係る圧電基板を模式的に示す断面図。 実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。 実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す平面図。 実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す断面図。 実施形態に係るプリンターを模式的に示す斜視図。 実施例及び比較例のＸ線回折測定の２θスキャン結果（１００評価）。 実施例及び比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θスキャン結果（１１１評価）。 実施例のＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１００評価）。 比較例のＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１００評価）。 実施例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１１１評価）。 比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１１１評価）。 実施例及び比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の（１００）に相当する面のＰｓｉスキャン結果（１００評価）。 実施例及び比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の（１１１）に相当する面のＰｓｉスキャン結果（１１１評価）。 実施例の変位量評価結果。
以下に本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
１．圧電基板
本実施形態に係る圧電基板は、基板と、基板上に形成された第１電極と、第１電極上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層と、を含む。
１．１．構成
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電基板８０を模式的に示す断面図である。
圧電基板８０は、図１に示すように、基体２と、第１電極１０と、シード層２０と、圧電体層３０と、を含む。
基体２は、例えば、半導体、絶縁体などで形成された平板である。基体２は、単層であっても、複数の層が積層された積層体であってもよい。基体２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、内部に空間などが形成された構造であってもよい。基体２は、例えば、シリコン基板とすることができる。
基体２は、可撓性を有し、圧電体層３０を動作させた場合に変形する振動板を含んでいてもよい。振動板は、例えば、酸化シリコン層、酸化ジルコニウム層、又は酸化シリコン層上に酸化ジルコニウム層が設けられた積層体などである。
第１電極１０は、基体２上に設けられている。第１電極１０は、基体２とシード層２０との間に設けられている。第１電極１０の形状は、例えば、層状である。第１電極１０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第１電極１０は、例えば、白金層、イリジウム層、チタン層、ルテニウム層などの金属層であり、十分な導電性が得られる限り、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層などであってもよい。第１電極１０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
第１電極１０は、圧電体層３０に電圧を印加するための一方の電極として機能し得る。第１電極１０は、圧電体層３０からみて下方に設けられた下部電極である。
シード層２０は、第１電極１０上に設けられている。シード層２０は、第１電極１０と圧電体層３０との間に設けられている。なお、図示はしないが、シード層２０は、第１電極１０及び基体２の少なくとも一方の上に設けられていてもよい。
第１電極１０の上面に、上述した導電性酸化物層（ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層など）が設けられた場合には、この導電性酸化物層を、シード層２０としてもよい。また、第１電極１０の上面に、上述した導電性酸化物層が設けられた場合であっても、その上にシード層２０を形成してもよい。
シード層２０の厚さは、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、より好ましくは２０ｎｍ以上３０ｎｍ以上以下である。シード層２０は、後述するように、圧電体層３０の結晶の配向を制御する配向制御として機能することができる。
シード層２０の材質は、圧電体層３０の材料を結晶化させる際の当該結晶の配向を制御できる材質であれば特に限定されないが、例えば、ストロンチウム及びルテニウムを含む酸化物、ランタン及びニッケルを含む酸化物及びストロンチウム及びチタンを含む酸化物等を例示できる。
シード層２０の材質は、ストロンチウム及びルテニウムを含むことがより好ましい。このようにすれば、圧電体層３０の圧電体の結晶の配向を、後述する性質を有するものとすることがより容易となる。これにより圧電体層３０に熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくいという効果がより顕著に現れる。
圧電体層３０は、シード層２０上に設けられている。なお、図示はしないが、圧電体層３０は、第１電極１０上、シード層２０上及び／又は基体２上に設けられていてもよい。圧電体層３０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３μｍ以下である。圧電体層３０は、電圧が印加されることにより、変形することができる。
圧電体層３０は、ペロブスカイト構造を有する。圧電体層３０は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びニオブ（Ｎｂ）を含む。本明細書では、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びニオブ（Ｎｂ）を含む材料をＫＮＮということがある。圧電体層３０においてペロブスカイト構造のＢサイトの原子濃度ＤＢに対するＡサイトの原子濃度ＤＡの比ＤＡ／ＤＢは、例えば、１．０１以上１．１０以下であり、好ましくは１．０２以上１．０６以下である。圧電体層３０がＫＮＮである場合、圧電体層３０では、カリウムの原子数とナトリウムの原子数との合計が、ニオブの原子数よりも、例えば、１％以上１０％以下、好ましくは２％以上６％以下多い。
１．２．圧電体の結晶の配向
本実施形態の圧電基板８０の圧電体層３０は、以下のような特徴を有している。すなわち、圧電体層３０は、Ｘ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である。
また、圧電体層３０のＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅は、０．２°以上１．１°以下であることがより好ましく、０．３°以上１．１°以下であることがさらに好ましい。
Ｘ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅は、複数の結晶粒における結晶粒毎の向きのばらつきに関係して変化する。Ｘ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下であると、ＫＮＮの複数の結晶粒のそれぞれが向いている方向が比較的揃っていることを示す。
圧電体層３０は、このような結晶粒の配置を採ることにより、結晶の配向方向による熱膨張係数の差が小さく、温度変化の際の熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくい。
また、圧電体層３０は、Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０．３°以上０．５°以下であることがより好ましい。また、圧電体層３０のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における（１１１）面に相当するＸ線強度ピークの半値幅は、０．３３°以上０．９５°以下であることが好ましい。
Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅は、結晶における格子定数のばらつきに関係して変化する。Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅は、複数の結晶粒における格子定数のばらつき、及び、１つの結晶粒における格子定数のばらつきに関係する。Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が、０．３°以上０．５°以下であると、圧電体層３０に含まれるＫＮＮの結晶粒の格子定数が比較的均一であることを示す。
圧電体層３０に含まれるＫＮＮの結晶粒の格子定数が比較的均一であれば、圧電基板８０を圧電素子とした場合にその変位量をより良好にすることができる。
１．３．作用効果等
Ｘ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が５°～８°程度の、従来のＫＮＮ薄膜は、（１００）配向の結品としては十分に緻密ではない。そのため、結晶の隙間から他の配向を有する成分、特に（１１１）配向のＫＮＮ結晶が成長しやすかった。そのため、結晶の向きによる熱膨張係数の差が大きく、熱処理等の温度変化により（１００）配向成分と（１１１）配向成分との境界に熱膨張係数差に起因する応力が発生し、破壊・割れにつながりやすかった。また、結晶が十分に緻密でない場合には大きな結晶粒界ができやすいが、ＫＮＮの場合は結晶粒界にアルカリ金属であるカリウム、ナトリウムが偏析しやすい。偏析したカリウム、ナトリウムは、安定な状態ではなく、大気中の水と反応してイオン化しやすく、絶縁不良の原因となることがあった。ＫＮＮ薄膜の絶縁性が悪いと誘電損失が大きくなるため、十分な圧電特性を発揮できない場合があった。
これに対して、実施形態の圧電基板８０では、Ｘ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における圧電体層３０の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である。本実施形態の圧電基板８０では、（１００）配向の結晶が密に配置されるので、（１００）配向のＫＮＮ結晶の間に入る（１１１）配向のＫＮＮ結晶の成長が阻害されて、応力集中が起こりにくくなる。
例えば、圧電体層３０の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における圧電体層３０の（１１１）面のＸ線強度ピークの半値幅が２３°より大きく、好ましくは２５°より大きく、より好ましくは
２７°より大きいと、（１００）配向のＫＮＮ結晶の間に入る（１１１）配向のＫＮＮ結晶の成長が阻害されやすい。そのため、結晶成長が阻害された（１１１）配向のＫＮＮ成分が（１００）配向のＫＮＮ結晶の間に少量入ることで、（１００）配向のＫＮＮ結晶と下の層との間の格子定数の違いによる歪みを適度に緩和するため、格子定数のミスマッチによる応力が発生しにくくなる。これらの機序により本実施形態の圧電基板８０は、破壊・割れを生じにくい。
２．圧電素子
本実施形態に係る圧電素子１００は、基体２と、第１電極１０と、第１電極１０上に形成されたシード層２０と、シード層２０上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層３０と、圧電体層３０上に形成された第２電極４０と、を含む。
まず、本実施形態に係る圧電素子について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示す断面図である。
圧電素子１００は、図１に示すように、基体２と、第１電極１０と、シード層２０と、圧電体層３０と、第２電極４０と、を含む。
基体２、第１電極１０、シード層２０、及び圧電体層３０は、いずれも上述した圧電基板８０と同様であるので、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第２電極４０は、圧電体層３０上に設けられている。なお、図示はしないが、第２電極４０は、第１電極１０と電気的に分離されていれば、さらに、圧電体層３０の側面及び基体２上に設けられていてもよい。
第２電極４０の形状は、例えば、層状である。第２電極４０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極４０は、例えば、イリジウム層、白金層、チタン層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン層、ルテニウム酸ストロンチウム層などである。第２電極４０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
第２電極４０は、第１電極１０と一対となって圧電体層３０に電圧を印加するための電極である。第１電極１０は、圧電体層３０下に設けられた下部電極であり、第２電極４０は、圧電体層３０上に設けられた上部電極である。
３．圧電基板及び圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、基体２を準備する。具体的には、シリコン基板を熱酸化することによって酸化シリコン層を形成する。次に、酸化シリコン層上にスパッタ法などによってジルコニウム層を形成し、該ジルコニウム層を熱酸化することによって酸化ジルコニウム層を形成する。これにより、酸化シリコン層及び酸化ジルコニウム層からなる振動板を形成することができる。以上の工程により、基体２を準備することができる。
次に、基体２上に、第１電極１０を形成する。第１電極１０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、第１電極１０をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングによって行われる。
次に、第１電極１０上に、シード層２０を形成する。シード層２０は、例えば、スパッ
タ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、シード層２０をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングによって行われる。シード層２０は、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）などのＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法によって形成されてもよい。また、シード層２０のパターニングは、第１電極１０をパターニングする前にシード層２０を形成し、その後第１電極１０とともに行われてもよい。
次に、シード層２０上に、圧電体層３０を形成する。圧電体層３０は、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）などのＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法によって形成される。以下、圧電体層３０の形成方法について説明する。
まず、例えば、カリウムを含む金属錯体、ナトリウムを含む金属錯体、及びニオブを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解又は分散させて前駆体溶液を調整する。
カリウムを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウムなどが挙げられる。ナトリウムを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウムなどが挙げられる。ニオブを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸ニオブ、ニオブエトキシド、ペンタエトキシニオブ、ペンタブトキシニオブなどが挙げられる。なお、２種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、カリウムを含む金属錯体として、２－エチルへキサン酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。
溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２－ｎブトキシエタノール、ｎ－オクタン、２－ｎエチルヘキサン、又はこれらの混合溶媒などが挙げられる。
次に、調整された前駆体溶液を、シード層２０上に、スピンコート法などを用いて塗布して前駆体層を形成する。次に、前駆体層を、例えば１３０℃以上２５０℃以下で加熱して一定時間乾燥させ、さらに、乾燥した前駆体層を、例えば３００℃以上４５０℃以下で加熱して一定時間保持することによって脱脂する。次に、脱脂した前駆体層を、例えば５５０℃以上８００℃以下で焼成することによって結晶化させ、結晶層を形成する。
そして、上記の前駆体溶液の塗布から前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返す。これにより、複数の結晶層からなる圧電体層３０を形成することができる。次に、圧電体層３０をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングによって行われる。なお、前駆体溶液の塗布から前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返さず、１層の結晶層からなる圧電体層３０を形成してもよい。
前駆体層の乾燥及び脱脂で用いられる加熱装置は、例えば、ホットプレートである。前駆体層の焼成で用いられる加熱装置は、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）
装置である。
以上の工程により、圧電基板８０を製造することができる。そして、圧電基板８０を用いて、以下のようにして圧電素子１００を製造できる。
圧電基板８０の圧電体層３０上に第２電極４０を形成する。第２電極４０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、第２電極４０をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングによって行われる。
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
なお、第２電極４０のパターニング及び圧電体層３０のパターニングは、同じ工程で行われてもよい。また、圧電体層３０が複数の結晶層からなる場合、圧電体層３０の１層目の結晶層と、第１電極１０と、を同じ工程でパターニングしてもよい。さらに、圧電体層３０が複数の結晶層からなる場合、圧電体層３０の１層目の結晶層と、第１電極１０及びシード層２０と、を同じ工程でパターニングしてもよい。
４．液体吐出ヘッド
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す分解斜視図である。図４は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す平面図である。図５は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す図５のＶＩ－ＶＩ線断面図である。なお、図３～図５では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、図３～図５では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
液体吐出ヘッド２００は、図３～図５に示すように、例えば、基体２と、圧電素子１００と、ノズルプレート２２０と、保護基板２４０と、回路基板２５０と、コンプライアンス基板２６０と、を含む。基体２は、流路形成基板２１０と、振動板２３０と、を有している。なお、便宜上、図４では、回路基板２５０の図示を省略している。
流路形成基板２１０は、例えば、シリコン基板である。流路形成基板２１０には、圧力発生室２１１が設けられている。圧力発生室２１１は、複数の隔壁２１２によって区画されている。圧力発生室２１１は、圧電素子１００により容積が変化する。
流路形成基板２１０の、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端には、第１連通路２１３及び第２連通路２１４が設けられている。第１連通路２１３は、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端をＹ軸方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。第２連通路２１４のＹ軸方向の幅は、例えば、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅と同じである。第２連通路２１４の＋Ｘ軸方向には、複数の第２連通路２１４と連通する第３連通路２１５が設けられている。第３連通路２１５は、マニホールド２１６の一部を構成する。マニホールド２１６は、各圧力発生室２１１の共通の液室となる。このように、流路形成基板２１０には、第１連通路２１３、第２連通路２１４、及び第３連通路２１５からなる供給流路２１７と、圧力発生室２１１とが設けられている。供給流路２１７は、圧力発生室２１１に連通し、圧力発生室２１１に液体を供給する。
ノズルプレート２２０は、流路形成基板２１０の一方側の面に設けられている。ノズルプレート２２０の材質は、例えば、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）である。ノズルプレート２２０は、例えば接着剤や熱溶着フィルムなどによって、流路形成基板２１０に接合されている。ノズルプレート２２０には、Ｙ軸に沿って複数のノズル孔２２２が設けられている。ノズル孔２２２は、圧力発生室２１１に連通し、液体を吐出する。
振動板２３０は、流路形成基板２１０の他方側の面に設けられている。振動板２３０は、例えば、流路形成基板２１０上に設けられた酸化シリコン層２３２と、酸化シリコン層２３２上に設けられた酸化ジルコニウム層２３４と、により構成されている。
圧電素子１００は、例えば、振動板２３０上に設けられている。圧電素子１００は、複数設けられている。圧電素子１００の数は、特に限定されない。
液体吐出ヘッド２００では、電気機械変換特性を有する圧電体層３０の変形によって、振動板２３０及び第１電極１０が変位する。すなわち、液体吐出ヘッド２００では、振動板２３０及び第１電極１０が、実質的に振動板としての機能を有している。
第１電極１０は、圧力発生室２１１ごとに独立する個別電極として構成されている。第１電極１０のＹ軸方向の幅は、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅よりも狭い。第１電極１０のＸ軸方向の長さは、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。Ｘ軸方向において、第１電極１０の両端は、圧力発生室２１１の両端を挟んで位置する。第１電極１０の－Ｘ軸方向の端には、リード電極２０２が接続されている。
シード層２０は、第１電極１０を覆う。ただし、第１電極１０の－Ｘ軸方向側の端は、シード層２０によって覆われていないことが好ましい。リード電極２０２と第１電極１０との間にシード層２０が形成されないため、導電性が低下することを抑制できる。
圧電体層３０のＹ軸方向の幅は、例えば、第１電極１０のＹ軸方向の幅よりも広い。圧電体層３０のＸ軸方向の長さは、例えば、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端は、例えば、圧電体層３０の＋Ｘ軸方向の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端は、圧電体層３０によって覆われている。一方、圧電体層３０の－Ｘ軸方向の端は、例えば、第１電極１０の－Ｘ軸方向側の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極１０の－Ｘ軸方向側の端は、圧電体層３０によって覆われていない。
第２電極４０は、例えば、圧電体層３０及び振動板２３０上に連続して設けられている。第２電極４０は、複数の圧電素子１００に共通する共通の電極として構成されている。
保護基板２４０は、接着剤２０３によって振動板２３０に接合されている。保護基板２４０には、貫通孔２４２が設けられている。図示の例では、貫通孔２４２は、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通しており、第３連通路２１５と連通している。貫通孔２４２及び第３連通路２１５は、各圧力発生室２１１の共通の液室となるマニホールド２１６を構成している。さらに、保護基板２４０には、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通する貫通孔２４４が設けられている。貫通孔２４４には、リード電極２０２の端が位置している。
保護基板２４０には、開口部２４６が設けられている。開口部２４６は、圧電素子１００の駆動を阻害しないための空間である。開口部２４６は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。
回路基板２５０は、保護基板２４０上に設けられている。回路基板２５０には、圧電素子１００を駆動させるための半導体集積回路（Integrated Circuit：ＩＣ）を含む。回路基板２５０とリード電極２０２は、接続配線２０４を介して電気的に接続されている。
コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられている。コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられた封止層２６２と、封止層２６２上に設けられた固定板２６４と、を有している。封止層２６２は、マニホールド２１６を封止するための層である。封止層２６２は、例えば、可撓性を有する。固定板２６４には、貫通孔２６６が設けられている。貫通孔２６６は、固定板２６４をＺ軸方向に貫通している。貫通孔２６６は、Ｚ軸方向からみて、マニホールド２１６と重なる位置に設けられている。
５．プリンター
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るプリンター３００を模式的に示す斜視図である。
プリンター３００は、インクジェット式のプリンターである。プリンター３００は、図６に示すように、ヘッドユニット３１０を含む。ヘッドユニット３１０は、例えば、液体吐出ヘッド２００を有している。液体吐出ヘッド２００の数は、特に限定されない。ヘッドユニット３１０は、供給手段を構成するカートリッジ３１２，３１４が着脱可能に設けられている。ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、装置本体３２０に取り付けられたキャリッジ軸３２２に軸方向移動自在に設けられており、液体供給手段から供給された液体を吐出する。
ここで、液体とは、物質が液相であるときの状態の材料であればよく、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散又は混合された
ものなども液体に含まれる。液体の代表的な例としては、インクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは、一般的な水性インク及び油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。
プリンター３００では、駆動モーター３３０の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト３３２を介してキャリッジ３１６に伝達されることで、ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、キャリッジ軸３２２に沿って移動される。一方、装置本体３２０には、液体吐出ヘッド２００に対して、紙などの被記録媒体であるシートＳを相対移動させる搬送機構としての搬送ローラー３４０が設けられている。シートＳを搬送する搬送機構は、搬送ローラーに限られず、ベルトやドラムなどであってもよい。
プリンター３００は、液体吐出ヘッド２００及び搬送ローラー３４０を制御する制御部としてのプリンターコントローラー３５０を含む。プリンターコントローラー３５０は、液体吐出ヘッド２００の回路基板２５０と電気的に接続されている。プリンターコントローラー３５０は、例えば、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及び液体吐出ヘッド２００へ供給するための駆動信号を発生する駆
動信号発生回路などを備えている。
なお、圧電素子１００は、液体吐出ヘッド及びプリンターに限らず、広範囲な用途に用いることができる。圧電素子１００は、例えば、超音波モーター、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、圧電スピーカー、圧電ポンプ、圧力－電気変換機器などの圧電アクチュエーターとして好適に用いられる。また、圧電素子１００は、例えば、超音波検出器、角速度センサー、加速度センサー、振動センサー、傾きセンサー、圧力センサー、衝突センサー、人感センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、熱検知センサー、焦電センサー、圧電センサーなどの圧電方式のセンサー素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシターなどの強誘電体素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、波長変換器、光導波路、光路変調器、屈折率制御素子、電子シャッター機構などの電圧制御型の光学素子として好適に用いられる。
６．実施例及び比較例
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
６．１．実施例による薄膜圧電素子の作製
実施例による薄膜圧電素子を以下のように作製した。
まず、（１００）面を表面に有する単結晶シリコン基板上に、蒸着法により（１００）面を表面に有する酸化ジルコニウム膜を形成した。次に、酸化ジルコニウム膜上に、ＤＣスパッタ法により（１００）面を表面に有する白金膜を形成した。
次に、白金膜上に、ＲＦスパッタ法により（１００）面を表面に有するＳｒＲｕＯ３膜を形成した。このＳｒＲｕＯ３膜がシード層に相当する。次に、ＳｒＲｕＯ３膜上に、液相法（化学溶液法）により圧電体層を形成した。以下、圧電体層の形成方法について説明する。
まず、カリウムを含む金属錯体、ナトリウムを含む金属錯体、ニオブを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解又は分散させて前駆体溶液を調製した。調製された前駆体溶液を、ＳｒＲｕＯ３膜上に、スピンコート法を用いて塗布して前駆体層を形成した（塗布工程）。次に、前駆体層を、１８０℃で加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、さらに、乾燥した前駆体層を、３９５℃で加熱して一定時間保持することによって脱脂した（脱脂工程）。次に、脱脂した前駆体層を７５０℃で加熱し、この温度で３分間保持することによって結晶化させた（焼成工程）。
以上の工程により、ＳｒＲｕＯ３膜上に圧電体層を形成した。なお、上記の塗布工程から焼成工程までの一連の工程を４０回繰り返すことによって、１．２μｍ厚の圧電体層を形成した。
次に、圧電体層上に上部電極を形成した。上部電極は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによる成膜、及びフォトリソグラフィー及びエッチングによるパターニングによって形成される。なお、Ｘ線回折測定は、上部電極を形成することなく実施した。
６．２．比較例による薄膜圧電素子の作製
まず、（１１２）面を表面に有する単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることで、１１７０ｎｍの厚さのＳｉＯ２の膜を形成した。次に、ＤＣスパッタリング法により４００ｎｍの厚さのＺｒを製膜して、８５０℃の熱処理によりＺｒＯ２膜を形成した。その上に、ＤＣスパッタリング法により５０ｎｍのＰｔ膜を形成した。
次に、実施例と同様に、液相法により圧電体層を形成した。上部電極の形成及びパターニング方法は、実施例と同様である。なお、Ｘ線回折測定は、上部電極を形成することなく実施した。
６．３．圧電素子の評価方法
実施例および比較例の薄膜圧電素子に対して、以下の評価を行なった。
（１）Ｘ線回折測定：ＫＮＮの（１００）の評価
装置：Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ（ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製）
条件：管球 Ｃｕ－Ｋα線、電圧５０ｋＶ、電流１００ｍＡ
ＫＮＮ膜表面に対して垂直方向にＸ線を照射
２θ－ωスキャン及びＰｓｉ軸方向のスキャン
（２）Ｘ線回折測定：ＫＮＮの（１１１）の評価
装置：Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ（ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製）
条件：管球 Ｃｕ－Ｋα線、電圧５０ｋＶ、電流１００ｍＡ
ＫＮＮ膜表面に対して垂直方向にＸ線を照射
２θ－ωスキャン及びＰｓｉ軸方向のスキャン
ＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７°傾けてＸ線を照射
２θ－ωスキャン
（３）外観評価（成膜割れ）
装置：金属顕微鏡
条件：５０倍～１０００倍、明視野及び暗視野
（４）圧電特性（変位量）の評価
装置：ＮＬＶ－２５００（Ｐｏｌｙｔｅｃ社製）、ＡＦＢ３０２２Ｃ（Ｔｅｘｔｒｏｎｉｘ社製）、ＨＤＯ４０２４（Ｌｅｃｒｏｙ社製）
条件：５０Ｈｚ、ｓｉｎ波、ＶＨＩＧＨ＝２～４０Ｖ、ＶＬＯＷ＝０Ｖ（固定）
６．４．圧電素子の評価結果
図７に実施例及び比較例の通常のＸ線回折測定の２θスキャン結果（１００評価用）を示す。図８に実施例及び比較例の５４．７°傾斜したＸ線回折測定の２θスキャン結果（１１１評価用）を示す。
図７をみると、実施例及び比較例ともに、２θで２２．５°付近に強いＫＮＮ（１００）ピークを有していた。また、図８をみると、実施例及び比較例ともに、２θで２２．５°付近にＫＮＮ（１１１）に相当するピークを有していた。これらのことから、基本的には実施例、比較例ともに（１００）及び（１１１）の２つの配向を有するＫＮＮ膜が得られていることが分かった。
図９は、実施例のＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１００評価用）を示す。図１０は、比較例のＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１００評価用）を示す。図１１は、実施例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１１１評価用）を示す。図１２は、比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ω二次元マッピング（１１１評価用）を示す。
図９及び図１０をみると、実施例と比較例とでＫＮＮ（１００）ピークの縦方向の広がりが大きく異なることが分かる。
図１３は、実施例及び比較例のＸ線回折測定の（１００）面のＰｓｉスキャン結果（１００評価用）を示す。図１３は、図９、図１０におけるＫＮＮ（１００）ピークの縦方向の強度変化をプロットしたものである。図１３に示すように、実施例及び比較例で、大きな違いがみられた。図１３の強度分布の半値幅（ＦＷＨＭ）は、実施例では１．０°、比較例では７．３°であった。
図１４は、実施例及び比較例のＫＮＮ膜表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の（１１１）面に相当するＰｓｉスキャン結果（１１１評価用）を示す。図１４は、図１１、図１２におけるＫＮＮ（１１１）に相当するピークの縦方向の強度変化をプロットしたものである。図１４に示すように、実施例及び比較例で大きな違いはないものの、実施例でやや強度が小さくなった。図１４の強度分布の半値幅（ＦＷＨＭ）は、実施例では２４．７°、比較例では２２．７°であった。
また、実施例では、成膜割れが生じなかったが、比較例では、ＫＮＮを０．６７μｍ製膜した時点で成膜割れが発生した。さらに、実施例の圧電特性は、ｄ３１＝７６ｐｍ／Ｖであったが、比較例では圧電特性の評価ができなかった。
図１５は、実施例の変位量評価結果を示す。図１５をみると、実施例の圧電素子では、大気中、ドライエア中ともに良好な変位特性を示すことが分かった。
上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の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、実施の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、実施の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、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
上述した実施形態及び変形例から以下の内容が導き出される。
圧電基板は、
基板と、
前記基板上に形成された第１電極と、
前記第１電極上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層と、
を含み、
前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である。
この圧電基板によれば、圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下であるので、結晶面が緻密に形成され、かつ、他の配向を有する成分が少ない。これにより結晶の配向方向による熱膨張係数の差が小さく、温度変化の際の熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくい。また、大気雰囲気中でも良好な圧電特性を示すことができる。
上記圧電基板において、
Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０．３°以上０．５°以下であってもよい。
この圧電基板によれば、結晶の格子定数のばらつきが小さく、圧電素子とした場合の変位量をより良好にすることができる。
上記圧電基板において、
前記第１電極と前記圧電体層との間に配置され、ストロンチウムとルテニウムとを含むシード層を含んでもよい。
この圧電基板によれば、熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくいという効果がより顕著に現れる。
上記圧電基板において、
前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１１１）面のＸ線強度ピークの半値幅が２３°より大きくてもよい。
この圧電基板によれば、格子定数の違いによる歪を適度に緩和できるので応力がより発生しにくく、破壊・割れを生じにくいという効果がより顕著に現れる。
上記圧電基板において、
前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における前記圧電体層の（１１１）面のＸ線強度ピークの半
値幅が０．３°以上０．５°以下であってもよい。
この圧電基板によれば、熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくいという効果がより顕著に現れる。
圧電素子は、上述の圧電基板と、前記圧電体層上に形成された第２電極と、を含む。
この圧電素子によれば、圧電体の結晶面が緻密に形成され、かつ、他の配向を有する成分が少ない。これにより結晶の配向方向による熱膨張係数の差が小さく、温度変化の際の熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくく信頼性が高い。
液体吐出ヘッドは、上述の圧電素子と、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、前記圧力発生室に連通するノズル孔が設けられたノズルプレートと、を含む。
この液体吐出ヘッドによれば、圧電体の結晶面が緻密に形成され、かつ、他の配向を有する成分が少ない圧電素子を用いるので、温度変化の際の熱膨張係数差に起因する応力が発生しにくく、破壊・割れを生じにくく信頼性が高い。
２…基体、１０…第１電極、２０…シード層、３０…圧電体層、４０…第２電極、１００…圧電素子、２００…液体吐出ヘッド、２０２…リード電極、２０３…接着剤、２０４…接続配線、２１０…流路形成基板、２１１…圧力発生室、２１２…隔壁、２１３…第１連通路、２１４…第２連通路、２１５…第３連通路、２１６…マニホールド、２１７…供給流路、２２０…ノズルプレート、２２２…ノズル孔、２３０…振動板、２３２…酸化シリコン層、２３４…酸化ジルコニウム層、２４０…保護基板、２４２，２４４…貫通孔、２４６…開口部、２５０…回路基板、２６０…コンプライアンス基板、２６２…封止層、２６４…固定板、２６６…貫通孔、３００…プリンター、３１０…ヘッドユニット、３１２，３１４…カートリッジ、３１６…キャリッジ、３２０…装置本体、３２２…キャリッジ軸、３３０…駆動モーター、３３２…タイミングベルト、３４０…搬送ローラー、３５０…プリンターコントローラー

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第１電極と、
    前記第１電極上に形成され、カリウムとナトリウムとニオブとを含む圧電体層と、
    を含み、
    前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０°より大きく１．２°以下である、圧電基板。
  2. 請求項１において、
    Ｘ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における前記圧電体層の（１００）面のＸ線強度ピークの半値幅が０．３°以上０．５°以下である、圧電基板。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記第１電極と前記圧電体層との間に配置され、ストロンチウムとルテニウムとを含むシード層を含む、圧電基板。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
    前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定のＰｓｉ軸方向のスキャン結果における前記圧電体層の（１１１）面のＸ線強度ピークの半値幅が２３°より大きい、圧電基板。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
    前記圧電体層の表面に対して垂直方向から５４．７４°傾けてＸ線を照射したＸ線回折測定の２θ－ωスキャン結果における前記圧電体層の（１１１）面のＸ線強度ピークの半値幅が０．３°以上０．５°以下である、圧電基板。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の圧電基板と、
    前記圧電体層上に形成された第２電極と、
    を含む、圧電素子。
  7. 請求項６に記載の圧電素子と、
    前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
    前記圧力発生室に連通するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
    を含む、液体吐出ヘッド。
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