JP5196105B2 - 圧電素子、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子およびその製造方法、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタに関する。
現在、高精細、高速印刷手法として、インクジェット法が実用化されている。インク液滴を吐出させるためには、圧電体層を電極で挟んだ構造の圧電素子を用いる方法が有用である。代表的な圧電体層の材料としては、ペロブスカイト型酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）が挙げられる（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−２２３４０４号公報
本発明の目的は、変位量の向上を図ることができる圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電素子を有する、液体噴射ヘッドおよびプリンタを提供することにある。
本発明に係る圧電素子は、
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、アモルファス状態である第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上方に形成され、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなり、（１００）に配向している第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上方に形成され、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含む。
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成され、アモルファス状態である第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上方に形成され、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなり、（１００）に配向している第２バッファ層と、
前記第２バッファ層の上方に形成され、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含む。
本発明に係る圧電素子では、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなり、（１００）に配向している前記第２バッファ層の上方に前記圧電体層が形成されている。これにより、前記圧電体層は、前記第２バッファ層の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に配向することができる。（１００）に配向した前記圧電体層は、優れた圧電性を示すため、本発明に係る圧電素子によれば、前記圧電体層などの変位量の向上を図ることができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
また、本発明において、「（１００）に配向」とは、（１００）にすべての結晶が配向している場合と、（１００）にほとんどの結晶（例えば９０％以上）が配向しており、（１００）に配向していない残りの結晶が（１１１）等に配向している場合と、を含む。即ち、「（１００）に配向」とは、「（１００）に優先配向」ということもできる。
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、擬立方晶の表示で（１００）に配向していることができる。
前記圧電体層は、擬立方晶の表示で（１００）に配向していることができる。
なお、本発明において、「擬立方晶」とは、結晶構造を立方晶とみなした状態をいう。
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層の結晶構造は、モノクリニック構造であることができる。
前記圧電体層の結晶構造は、モノクリニック構造であることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記第１バッファ層は、導体からなることができる。
前記第１バッファ層は、導体からなることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記第１バッファ層は、ホウ化コバルト鉄からなることができる。
前記第１バッファ層は、ホウ化コバルト鉄からなることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記金属酸化物は、酸化マグネシウムであることができる。
前記金属酸化物は、酸化マグネシウムであることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記ペロブスカイト型酸化物は、一般式ＡＢＯ３で示され、
前記Ａは、鉛（Ｐｂ）を含み、
前記Ｂは、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含むことができる。
前記ペロブスカイト型酸化物は、一般式ＡＢＯ３で示され、
前記Ａは、鉛（Ｐｂ）を含み、
前記Ｂは、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含むことができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、結晶からなることができる。
前記下部電極は、結晶からなることができる。
なお、本発明において、「結晶」とは、単結晶と、多結晶と、を含む。
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、白金族金属からなることができる。
前記下部電極は、白金族金属からなることができる。
本発明に係る圧電素子において、
前記第１バッファ層は、前記下部電極の直接上に形成されており、
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層の直接上に形成されており、
前記圧電体層は、前記第２バッファ層の直接上に形成されていることができる。
前記第１バッファ層は、前記下部電極の直接上に形成されており、
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層の直接上に形成されており、
前記圧電体層は、前記第２バッファ層の直接上に形成されていることができる。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、上述の圧電素子を有する。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
圧力室に通じるノズル孔を有するノズル板と、
前記ノズル板の上方に形成された上述した圧電素子と、を含み、
前記圧力室は、前記基体の有する基板の開口部から構成されることができる。
圧力室に通じるノズル孔を有するノズル板と、
前記ノズル板の上方に形成された上述した圧電素子と、を含み、
前記圧力室は、前記基体の有する基板の開口部から構成されることができる。
本発明に係るプリンタは、上述の圧電素子を有する。
本発明に係るプリンタは、
上述した液体噴射ヘッドを有するヘッドユニットと、
前記ヘッドユニットを往復動させるヘッドユニット駆動部と、
前記ヘッドユニットおよび前記ヘッドユニット駆動部を制御する制御部と、を含むことができる。
上述した液体噴射ヘッドを有するヘッドユニットと、
前記ヘッドユニットを往復動させるヘッドユニット駆動部と、
前記ヘッドユニットおよび前記ヘッドユニット駆動部を制御する制御部と、を含むことができる。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
前記基体の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に、アモルファス状態の第１バッファ層を形成する工程と、
前記第１バッファ層の上方に、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなるように、（１００）に配向する第２バッファ層を形成する工程と、
前記第２バッファ層の上方に、ペロブスカイト型酸化物からなるように圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含む。
前記基体の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に、アモルファス状態の第１バッファ層を形成する工程と、
前記第１バッファ層の上方に、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなるように、（１００）に配向する第２バッファ層を形成する工程と、
前記第２バッファ層の上方に、ペロブスカイト型酸化物からなるように圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含む。
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１． まず、本実施形態に係る圧電素子１００について説明する。図１は、圧電素子１００を概略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１と、駆動部５４と、を含む。基体１は、基板５２と、弾性板５５と、を有することができる。
基板５２としては、例えば（１１０）単結晶シリコン基板（面方位＜１１０＞）を用いることができる。基板５２は、開口部５２１を有する。開口部５２１は、例えばインクジェット式記録ヘッドの圧力室となることができる。開口部５２１の形状は、例えば、幅６５μｍ、長さ１ｍｍ、高さ８０μｍの直方体である。
弾性板５５は、基板５２上に形成されている。弾性板５５は、例えば、エッチングストッパ層３０と、エッチングストッパ層３０上に形成された弾性層３２と、を有することができる。エッチングストッパ層３０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。エッチングストッパ層３０の厚さは、例えば１μｍである。弾性層３２は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる。弾性層３２の厚さは、例えば１μｍである。なお、図示しないが、弾性板５５は、エッチングストッパ層３０を有しないこともできる。
駆動部５４は、弾性板５５上に形成されている。駆動部５４は、弾性板５５を屈曲させることができる。駆動部５４は、弾性板５５（より具体的には弾性層３２）上に形成された下部電極４と、下部電極４上に形成された第１バッファ層２０と、第１バッファ層２０上に形成された第２バッファ層２２と、第２バッファ層２２上に形成された圧電体層６と、圧電体層６上に形成された上部電極７と、を有する。駆動部５４の主要部は、例えば開口部５２１の上に形成されており、駆動部５４の一部（より具体的には下部電極４）は、例えば基板５２の上にも形成されている。
下部電極４は、圧電体層６に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極４は、例えば、結晶（単結晶および多結晶）からなることができる。下部電極４は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などの白金族金属からなることができる。下部電極４としては、例えば、１種類の白金族金属の単層、複数種類の白金族金属が積層されたものなどを用いることができる。より具体的には、下部電極４としては、例えば、多結晶の白金（Ｐｔ）層（厚さ１５０ｎｍ）の上に多結晶のイリジウム（Ｉｒ）層（厚さ１０ｎｍ）が積層されたものなどを用いることができる。
第１バッファ層２０は、アモルファス（非晶質）状態である。第１バッファ層２０は、導体からなることが好ましく、例えば金属からなることがより好ましい。具体的には、第１バッファ層２０は、例えばホウ化コバルト鉄（ＦｅＣｏＢ）からなることができる。第１バッファ層２０がアモルファス状態の金属からなることにより、下部電極４の結晶配向の情報を打ち消すことができ、さらに、第１バッファ層２０の最表面のラフネスが少なくなり、その上に成長させる第２バッファ層２２に対して、滑らかな最表面を提供することができる。このような第１バッファ層２０を下地層として用いることにより、その上に（１００）配向性の強い第２バッファ層２２をより薄く積層することができる。第１バッファ層２０の厚さは、例えば１ｎｍである。
第２バッファ層２２は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）型構造の金属酸化物からなる。この金属酸化物としては、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が挙げられる。第２バッファ層２２は、（１００）に配向している。塩化ナトリウム型構造の金属酸化物からなる第２バッファ層２２自体は、容易に（１００）に配向する性質がある。これは、塩化ナトリウム型構造の（１００）面の表面エネルギーが最も低いために、（１００）面が膜成長時の優先配向面になるからと考えられる。この現象は、塩化ナトリウム型構造を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で顕著に発現する。このような第２バッファ層２２の直接上に圧電体層６を形成することにより、第２バッファ層２２の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に配向している圧電体層６を容易に得ることができる。即ち、第２バッファ層２２は、圧電体層６の結晶配向性を制御する機能を有することができる。第２バッファ層２２の厚さは、３ｎｍ以下であることが好ましい。これは、第２バッファ層２２が３ｎｍよりも厚くなると、所望の弾性板５５の変位量が得られなくなるからである。このことについては後の実験例にて詳述する。
圧電体層６は、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料からなる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、一般式ＡＢＯ３で示され、該Ａ（元素Ａ：Ａサイト）は、鉛（Ｐｂ）を含み、該Ｂ（元素Ｂ：Ｂサイト）は、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含むものが挙げられる。このペロブスカイト型酸化物としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３：ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体などが挙げられる。チタン酸ジルコン酸鉛固溶体としては、例えばニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などが挙げられる。また、上記Ａサイトに、鉛（Ｐｂ）以外の元素、例えば、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）などがさらに添加されていることもできる。
例えば、圧電体層６がチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３）からなる場合には、Ｚｒ組成ｘは、例えば０．５である。圧電体層６の厚さは、例えば１．０μｍである。
圧電体層６は、擬立方晶の表示で（１００）に配向していることができる。圧電体層６の結晶構造は、モノクリニック構造であることが望ましい。なお、本発明において、例えば、「結晶構造はモノクリニック構造である」とは、すべての結晶がモノクリニック構造である場合と、ほとんどの結晶（例えば９０％以上）がモノクリニック構造であり、モノクリニック構造ではない残りの結晶がテトラゴナル構造等である場合と、を含む。また、圧電体層６の分極方向は、膜面垂直方向（圧電体層６の厚さ方向）に対して傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。
上部電極７は、圧電体層６に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極７としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）層（厚さ２００ｎｍ）などを用いることができる。
第１バッファ層２０、第２バッファ層２２、圧電体層６、および上部電極７は、例えば柱状の堆積体（柱状部）５を構成することができる。柱状部５の幅（第１バッファ層２０の下面の幅）は、例えば５０μｍであり、柱状部５の長さ（第１バッファ層２０の下面の長さ）は、例えば１ｍｍである。
２． 次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について説明する。図２は、本実施形態の圧電素子１００の一製造工程を概略的に示す断面図であり、図１に示す断面図に対応している。
（１）まず、図２に示すように、基板５２上に弾性板５５を形成する。具体的には、例えば、基板５２上の全面に、エッチングストッパ層３０、弾性層３２をこの順に成膜する。これにより、エッチングストッパ層３０および弾性層３２を有する弾性板５５が形成される。エッチングストッパ層３０は、例えば熱酸化法により成膜される。弾性層３２は、例えばスパッタリングにより成膜される。
（２）次に、図２に示すように、弾性板５５上に駆動部５４を形成する。具体的には、まず、弾性板５５上の全面に、下部電極４、第１バッファ層２０、第２バッファ層２２、圧電体層６、および上部電極７をこの順に成膜する。
下部電極４は、例えばスパッタリングにより成膜される。
第１バッファ層２０は、例えばスパッタリングにより成膜される。
第２バッファ層２２は、例えばスパッタリングにより成膜される。第２バッファ層２２は、（１００）に自然配向し、自己配向することができる。従って、（１００）に配向した第２バッファ層２２を得ることができる。第２バッファ層２２の成膜直後の厚さは、３ｎｍ以下であることが好ましい。これは、第２バッファ層２２が３ｎｍよりも厚くなると、所望の弾性板５５の変位量が得られなくなるからである。このことについては後の実験例にて詳述する。また、第２バッファ層２２の成膜直後の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上である。第２バッファ層２２の厚さが０．５ｎｍよりも薄いと、バッファ層としての機能を果せなくなるものと考えられる。
圧電体層６は、例えばゾルゲル法（溶液法）により成膜される。ここでは一例として、ＰＺＴからなる圧電体層６を成膜する場合について説明する。
まず、Ｐｂ、Ｚｒ、およびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液（圧電材料）を、第２バッファ層２２上の全面にスピンコート法等により塗布する。例えば、この溶液中のＺｒおよびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物の混合比率を変えることにより、ＺｒとＴｉの組成比（Ｚｒ：Ｔｉ）を調整することができる。例えば、Ｚｒ組成＝Ｚｒ／(Ｚｒ＋Ｔｉ)が０．５となるように有機金属化合物を混合することができる。なお、Ｐｂの組成についても、有機金属化合物の混合比率を変えることにより調整することができる。
次に、熱処理（乾燥工程、脱脂工程）を行うことにより、圧電体層６の前駆体層を形成することができる。乾燥工程の温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下であることが好ましい。また、乾燥工程の時間は、例えば、５分以上であることが好ましい。脱脂工程では、乾燥工程後のＰＺＴ前駆体層中に残存する有機成分をＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等に熱分解して離脱させることができる。脱脂工程の温度は、例えば３００℃程度である。
なお、前駆体層を成膜する場合には、１回で成膜せず、複数回に分けて成膜することもできる。具体的には、例えば、圧電材料の塗布、乾燥、および脱脂を複数回繰り返すことができる。
次に、前駆体層を焼成する。焼成工程では、ＰＺＴ前駆体層を加熱することによって結晶化させることができる。焼成工程の温度は、例えば７００℃である。焼成工程の時間は、例えば、５分以上３０分以下であることが好ましい。焼成工程に用いる装置としては、特に限定されず、拡散炉やＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置などを用いることができる。なお、焼成工程は、例えば、圧電材料の塗布、乾燥、および脱脂の１サイクルごとに行っても良い。
また、例えばこの焼成工程において、第２バッファ層２２の一部は、例えばその上層の圧電体層６や下層の第１バッファ層２０などに吸収されることができる。その結果、第２バッファ層２２は、第２バッファ層２２の成膜直後の厚さよりも、薄くなることができる。
以上の工程により、圧電体層６を形成することができる。
上部電極７は、例えばスパッタリングにより成膜される。
次に、例えば上部電極７、圧電体層６、第２バッファ層２２、および第１バッファ層２０をパターニングして、所望の形状の柱状部５を形成することができる。その後、例えば下部電極４をパターニングしても良い。各層のパターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。下部電極４、第１バッファ層２０、第２バッファ層２２、圧電体層６、および上部電極７は、各層の形成ごとにパターニングされることもできるし、複数層の形成ごとに一括してパターニングされることもできる。
以上の工程により、下部電極４、第１バッファ層２０、第２バッファ層２２、圧電体層６、および上部電極７を有する駆動部５４が形成される。
（３）次に、図１に示すように、基板５２をパターニングして、開口部５２１を形成する。基板５２のパターニングには、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。開口部５２１は、例えば、エッチングストッパ層３０を露出させるように基板５２の一部をエッチングして形成される。このエッチング工程においては、エッチングストッパ層３０をエッチングのストッパとして機能させることができる。即ち、基板５２をエッチングする際には、エッチングストッパ層３０のエッチング速度は、基板５２のエッチング速度よりも遅い。
以上の工程により、図１に示すように、本実施形態の圧電素子１００が形成される。
３． 本実施形態の圧電素子１００では、塩化ナトリウム型構造の金属酸化物（例えばＭｇＯ）からなり、（１００）に配向している第２バッファ層２２の直接上に圧電体層６が形成されている。これにより、圧電体層６は、第２バッファ層２２の配向を引き継いで、擬立方晶の表示で（１００）に配向することができる。（１００）に配向した圧電体層６は、優れた圧電性を示すため、本実施形態の圧電素子１００によれば、圧電体層６や弾性板５５の変位量の向上を図ることができる。このことは、後述する実験例においても確認されている。
また、本実施形態の圧電素子１００では、アモルファス状態の第１バッファ層２０の直接上に第２バッファ層２２が形成されている。第１バッファ層２０は、アモルファス状態であるため、下層（例えば下部電極４）の結晶状態の情報を打ち消すことができる。これにより、第１バッファ層２０の上に形成される第２バッファ層２２に対して、例えば多結晶の白金族金属からなる下部電極４の結晶状態が与える影響を抑制することができる。従って、本実施形態に係る第２バッファ層２２は、アモルファス状態の第１バッファ層２０の直接上に成膜されるため、例えば多結晶の白金族金属からなる下部電極４の直接上に成膜されるような場合に比べ、より一層（１００）に自然配向し易くなる。その結果、圧電体層６をより一層（１００）に配向させることができ、弾性板５５の変位量の更なる向上を図ることができる。このことは、後述する実験例においても確認されている。
また、本実施形態の圧電素子１００の第２バッファ層２２は、上述したように、下部電極４の材料として例えば多結晶の白金族金属を用いても、（１００）に自然配向することができる。従って、本実施形態の圧電素子１００によれば、例えばゾルゲル法の焼成工程のような高温プロセスにおいても熱的に安定している白金族金属を下部電極４の材料として用いることができ、かつ、第２バッファ層２２が（１００）に配向することにより、圧電体層６を（１００）に配向させることができる。
また、本実施形態の圧電素子１００では、第１バッファ層２０は、導体（例えばホウ化コバルト鉄）からなることができる。これにより、第１バッファ層２０は、導電性を示すため、下部電極４と上部電極７の間に印加された電圧をほとんど低下させることなく圧電体層６に印加することができ、大きな変位量を得ることができる。
４． 次に、上述した圧電素子を有する液体噴射ヘッドについて説明する。ここでは、本実施形態に係る液体噴射ヘッド５０がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明する。
図３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド５０を概略的に示す分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。なお、図３では、便宜上、圧電素子１００の駆動部５４を簡略化して示している。
液体噴射ヘッド５０は、例えば図１に示す圧電素子１００と、ノズル板５１と、を含む。液体噴射ヘッド５０は、さらに、筐体５６を有することができる。
ノズル板５１は、圧力室５２１に通じるノズル孔５１１を有する。ノズル孔５１１からは、インクが吐出される。ノズル板５１には、例えば、多数のノズル孔５１１が一列に設けられている。ノズル板５１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）製の圧延プレートである。ノズル板５１は、通常使用される状態では基板５２の下（図３では上）に固定される。筐体５６は、ノズル板５１および圧電素子１００を収納することができる。筐体５６は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いて形成される。
圧電素子１００の基板５２がノズル板５１と弾性板５５との間の空間を区画することにより、リザーバ（液体貯留部）５２３、供給口５２４、および複数のキャビティ（圧力室）５２１が設けられている。圧電素子１００の弾性板５５には、厚さ方向に貫通した貫通孔５３１が設けられている。リザーバ５２３は、外部（例えばインクカートリッジ）から貫通孔５３１を通じて供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティ５２１へインクが供給される。
キャビティ５２１は、基板５２の開口部５２１から構成されている。キャビティ５２１は、各ノズル孔５１１に対して１つずつ配設されている。キャビティ５２１は、弾性板５５の変形により容積可変になっている。この容積変化によりキャビティ５２１からインクが吐出される。
駆動部５４は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、該圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）することができる。弾性板５５は、駆動部５４の変形によって変形し、キャビティ５２１の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド５０がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタ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（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
５． 次に、実験例について説明する。
本実験例では、本実施形態に係る圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド５０、および、比較例に係る圧電素子を有する液体噴射ヘッドを作製した。
本実施形態に係る圧電素子１００の第１バッファ層２０としては、ホウ化コバルト鉄（ＦｅＣｏＢ）を用いた。また、第１バッファ層２０の厚さは、１．０ｎｍとした。本実施形態に係る圧電素子１００の第２バッファ層２２としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた。また、第２バッファ層２２の厚さは、１．０ｎｍから、１．０ｎｍずつ、４．０ｎｍまで変化させた。なお、第２バッファ層２２の厚さは、第２バッファ層２２の成膜直後、即ち、圧電体層６の成膜前の値である。
また、比較例に係る圧電素子としては、第１バッファ層および第２バッファ層の双方を有しないもの、言い換えるならば、第１バッファ層の厚さおよび第２バッファ層の厚さが０ｎｍであるものを作製した。また、他の比較例に係る圧電素子としては、第１バッファ層を有し、第２バッファ層を有しないもの、および、第２バッファ層を有し、第１バッファ層を有しないものを作製した。
これらの実験サンプルに対してＸ線回折測定を行い、圧電体層の結晶の（１００）面の配向度をピーク強度より求めた。なお、（１００）面のピーク強度をａ、（１１１）面のピーク強度をｂ、（１１０）面のピーク強度をｃとすると、
（１００）配向度（％）＝｛ａ／（ａ＋ｂ＋ｃ）｝×１００
である。また、圧電体層の各面の表示は、擬立方晶の表示である。
（１００）配向度（％）＝｛ａ／（ａ＋ｂ＋ｃ）｝×１００
である。また、圧電体層の各面の表示は、擬立方晶の表示である。
また、これらの実験サンプルに対して、上下電極に、０Ｖから３５Ｖに変化する電圧を印加して、弾性板の変位量を求めた。弾性板の変位量の測定には、レーザードップラー計を用いた。
表１に、各サンプルの圧電体層の（１００）配向度、および、弾性板の変位量を示す。
また、表１に示すように、本実施形態のサンプルと比較例のサンプルとを、第２バッファ層の厚さが同じもの同士で比較すると、本実施形態の圧電素子１００は、比較例の圧電素子に比べ、（１００）配向度および弾性板の変位量が増加していることが分かる。従って、本実施形態の圧電素子１００によれば、第１バッファ層２０を用いることにより、弾性板５５の変位量の更なる向上を図ることができることが確認された。
また、表１に示すように、本実施形態に係る第２バッファ層２２の厚さが３．０ｎｍを越えると、弾性板５５の変位量は、所望の値である４００ｎｍを下回ってしまう。これは、第１バッファ層２０と圧電体層６との界面に残存する第２バッファ層２２が厚くなり、その影響が強くなるためである。本実験例において第２バッファ層２２を構成する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、常誘電体であり、その比誘電率は、１０以下である。これに対し、本実験例において圧電体層６を構成するＰＺＴの比誘電率は、１０００程度である。従って、残存する第２バッファ層２２の影響が強くなると、圧電体層６自体に十分な電圧を印加することができなくなり、変位量が低下するのである。従って、第２バッファ層２２の成膜直後の厚さは、３．０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、第２バッファ層２２の影響を低減し、圧電体層６自体に十分な電圧を印加することができ、大きな変位量を得ることができる。なお、第２バッファ層２２の成膜直後の厚さが３．０ｎｍ以下であるならば、圧電素子１００を形成した後の第２バッファ層２２の厚さも３．０ｎｍ以下である。従って、圧電素子１００の有する第２バッファ層２２の厚さも３．０ｎｍ以下であることが好ましいことが分かる。
また、本実験例で得られた本実施形態に係る圧電体層６の結晶構造は、ペロブスカイト型構造であって、モノクリニック構造であることが確認された。従って、圧電体層６の分極方向は、膜面垂直方向に対して傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが推察できる。圧電体層６の結晶構造、および分極方向の同定には、Ｘ線散乱およびラマン散乱を用いた。
６． 次に、本実施形態の圧電素子の変形例について、図面を参照しながら説明する。なお、上述した図１に示す圧電素子１００およびその製造方法（以下「圧電素子１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。図４は、本変形例の圧電素子１２０を概略的に示す断面図である。
圧電素子１００の例では、圧電素子１００を形成しても第２バッファ層２２が残存している場合について説明したが、例えば図４に示すように、第２バッファ層２２は、圧電素子１２０の形成工程（例えば圧電体層６の形成工程におけるゾルゲル法の焼成工程）において、第２バッファ層２２の上下の層にすべて吸収されて、最終的に残存しなくても良い。即ち、本変形例の圧電素子１２０は、第２バッファ層２２を有しないことができる。言い換えるならば、本変形例の圧電素子１２０の第２バッファ層２２の厚さは、０ｎｍであることができる。なお、第２バッファ層２２の成膜直後の厚さは、例えば３．０ｎｍ以下であり、極めて薄いため、第２バッファ層２２が上下層にすべて吸収されても、第２バッファ層２２の構成成分が圧電体層６や第１バッファ層２０などに与える影響は極めて少ない。
なお、上述した変形例は一例であって、これに限定されるわけではない。
７． 次に、上述した液体噴射ヘッドを有するプリンタについて説明する。ここでは、本実施形態に係るプリンタ６００がインクジェットプリンタである場合について説明する。
図５は、本実施形態に係るプリンタ６００を概略的に示す斜視図である。プリンタ６００は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット駆動部６１０と、制御部６６０と、を含む。また、プリンタ６００は、装置本体６２０と、給紙部６５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口６２２と、装置本体６２０の上面に配置された操作パネル６７０と、を含むことができる。
ヘッドユニット６３０は、上述した液体噴射ヘッドから構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）５０を有する。ヘッドユニット６３０は、さらに、ヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、ヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載した運搬部（キャリッジ）６３２と、を備える。
ヘッドユニット駆動部６１０は、ヘッドユニット６３０を往復動させることができる。ヘッドユニット駆動部６１０は、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２と、を有する。
往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４４と、キャリッジガイド軸６４４と平行に延在するタイミングベルト６４３と、を備える。キャリッジガイド軸６４４は、キャリッジ６３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ６３２を支持している。さらに、キャリッジ６３２は、タイミングベルト６４３の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、タイミングベルト６４３を走行させると、キャリッジガイド軸６４４に導かれて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッド５０から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
制御部６６０は、ヘッドユニット６３０、ヘッドユニット駆動部６１０、および給紙部６５０を制御することができる。
給紙部６５０は、記録用紙Ｐをトレイ６２１からヘッドユニット６３０側へ送り込むことができる。給紙部６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２と、を備える。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａおよび駆動ローラ６５２ｂを備える。駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
ヘッドユニット６３０、ヘッドユニット駆動部６１０、制御部６６０、および給紙部６５０は、装置本体６２０の内部に設けられている。
なお、上述した例では、プリンタ６００がインクジェットプリンタである場合について説明したが、本発明のプリンタは、工業的な液滴吐出装置として用いられることもできる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。
８． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、上述した本発明の実施形態に係る圧電素子は、発振器や周波数フィルタなどに用いられる圧電振動子、デジタルカメラやカーナビゲーションシステムなどに用いられる角速度センサなどに適用されることができる。
１ 基体、４ 下部電極、５ 柱状部、６ 圧電体層、７ 上部電極、２０ 第１バッファ層、２２ 第２バッファ層、３０ エッチングストッパ層、３２ 弾性層、５０ 液体噴射ヘッド、５１ ノズル板、５２ 基板、５４ 駆動部、５５ 弾性板、５６ 筐体、１００，１２０ 圧電素子、５１１ ノズル孔、５２１ 開口部（キャビティ）、５２３ リザーバ、５２４ 供給口、５３１ 貫通孔、６００ プリンタ、６１０ ヘッドユニット駆動部、６２０ 装置本体、６２１ トレイ、６２２ 排出口、６３０ ヘッドユニット、６３１ インクカートリッジ、６３２ キャリッジ、６４１ キャリッジモータ、６４２ 往復動機構、６４３ タイミングベルト、６４４ キャリッジガイド軸、６５０ 給紙部、６５１ 給紙モータ、６５２ 給紙ローラ、６６０ 制御部，６７０ 操作パネル
Claims (12)
- 下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された塩化ナトリウム型構造の金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の上方に形成されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含む圧電素子であって、
前記圧電体層は、結晶構造がモノクリニック構造であり、擬立方晶の表示で（１００）に配向していることを特徴とする圧電素子。 - 前記金属酸化物は、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
- 前記ペロブスカイト型酸化物は、一般式ＡＢＯ３で示され、
前記Ａは、鉛を含み、
前記Ｂは、ジルコニウムおよびチタンのうち、少なくとも１種を含むことを特徴する請求項１または請求項２に記載の圧電素子。 - 前記下部電極は、結晶からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記下部電極は、白金族金属からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記金属酸化物層は、前記下部電極の直接上に形成されており、
前記圧電体層は、前記金属酸化物層の直接上に形成されており、
前記上部電極は、前記圧電体層の直上に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電素子。 - 前記下部電極と前記金属酸化物層との間にアモルファス層が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記アモルファス層は、導体からなることを特徴とする請求項７に記載の圧電素子。
- 前記アモルファス層は、ホウ化コバルト鉄を含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の圧電素子。
- 前記アモルファス層は、前記下部電極の直接上に形成されており、
前記金属酸化物層は、前記アモルファス層の直接上に形成されており、
前記圧電体層は、前記金属酸化物層の直接上に形成されており、
前記上部電極は、前記圧電体層の直接上に形成されていることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の圧電素子。 - 請求項１乃至１０のいずれかに記載の圧電素子を有する、液体噴射ヘッド。
- 請求項１乃至１０のいずれかに記載の圧電素子を有する、プリンタ。
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| JP2008218880A (ja) | 2008-09-18 |
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