JP5297576B2 - 圧電素子及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子及び当該圧電素子が基板上に振動板を介して設けられたアクチュエータ装置並びにアクチュエータ装置によってノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
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を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。
このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、圧電素子を構成する圧電体層の（１００）面配向度を７０％以上に規定したものがある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、圧電体層の表面の（１００）面配向度を規定して（１００）面が優先配向されていることを規定したとしても、圧電体層の表面を広角Ｘ線回折法により測定した場合には、圧電体層の傾いた面である（１１１）面及び（１００）面は、基板（圧電体層の表面）に対して垂直に形成されている成分しか測定することができず、実際の配向がどうなっているか判別できないという問題がある。また、圧電体層の傾いた面である（１１１）面、（１００）面及び（２１１）面は、変形しないだけではなく、変形を阻害してしまい、（１１１）面、（１００）面及び（２１１）面を多く含む圧電体層は、変位量などの変位特性が悪くなってしまうという問題がある。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の圧電素子や圧電素子を用いた他のアクチュエータ装置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、優れた変位特性を有する圧電素子及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、下電極と、チタン酸ジルコン酸鉛である圧電体層と、上電極と、を備え、前記圧電体層の表面の（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面に対する（１００）面の割合が８６％以上であると共に、前記圧電体層の表面に直交する垂直面の（１００）面、（１１０）面、（２１０）面、（１１１）面及び（２１１）面に対する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面の割合が８７％以上であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、結晶が垂直に形成されて優れた変位特性の圧電体層が実現できる。
かかる態様では、結晶が垂直に形成されて優れた変位特性の圧電体層が実現できる。
ここで、前記圧電体層が、圧電体膜が複数積層されて形成されていることが好ましい。
これによれば、所望の厚さの圧電体層を高精度に得ることができる。
これによれば、所望の厚さの圧電体層を高精度に得ることができる。
また、前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛からなることが好ましい。
これによれば、チタン酸ジルコン酸鉛からなる所望の結晶の圧電体層を得ることができる。
これによれば、チタン酸ジルコン酸鉛からなる所望の結晶の圧電体層を得ることができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子が、基板上に振動板を介して設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、優れた変位特性の圧電素子を有するアクチュエータ装置を実現できる。
かかる態様では、優れた変位特性の圧電素子を有するアクチュエータ装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、上記態様のアクチュエータ装置をノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、優れた変位特性を有する圧電素子によって、優れた液体噴射特性を有する液体噴射ヘッドを実現できる。
かかる態様では、優れた変位特性を有する圧電素子によって、優れた液体噴射特性を有する液体噴射ヘッドを実現できる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の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、優れた液体噴射特性を有する液体噴射装置を実現できる。
かかる態様では、優れた液体噴射特性を有する液体噴射装置を実現できる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、その両面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。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。
また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた保護膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０−６／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、イリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが約０．１〜０．５μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、金、白金又はイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜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。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。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装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び絶縁体膜５５が振動板として作用する。圧電素子３００を構成する下電極膜６０も振動板としての機能を担うようにすることもできる。
圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料（強誘電性材料）や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、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）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を０．５〜２μｍ前後の厚さで形成した。
また、本実施形態の圧電体層７０は、表面の（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面に対する（１００）面の割合（以下、表面の配向度と言う）が７０％以上となっている。ここで、「表面の配向度」とは、広角Ｘ線回折法によって圧電体層７０を測定した際に生じる回折強度の比率を言う。具体的には、圧電体層７０の表面を広角Ｘ線回折法により測定すると（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面に相当する回折強度のピークが発生する。そして「表面の配向度」とは、これら各面に相当するピーク強度の和に対する（１００）面に相当するピーク強度の割合を意味する。本実施形態では、圧電体層７０の表面の（１００）面配向度が７０％以上となっており、（１００）面が優先配向していることになる。
また、本実施形態の圧電体層７０は、表面の（１００）面のピーク強度が、１００ｃｐｓ以上となっている。これにより、優れた変位特性の圧電体層７０とすることができる。
さらに、本実施形態の圧電体層７０は、表面に直交する垂直面の（１００）面、（１１０）面、（２１０）面、（１１１）面及び（２１１）面に対する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面の割合（以下、垂直面の配向度と言う）が８０％以上となっている。ここで、「垂直面の配向度」とは、インプレーンＸ線回折法によって圧電体層７０を測定した際に生じる回折強度の比率を言う。具体的には、圧電体層７０の垂直面をインプレーンＸ線回折法により測定すると、図３に示すように、広角Ｘ線回折法により測定される表面の（１００）面に相当する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面と、傾斜した（１１１）面及び（２１１）面とに相当する回折強度のピークが発生する。そして「垂直面の配向度」とは、これら各面に相当するピーク強度の和に対する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面に相当するピーク強度の割合を意味する。
このように圧電体層７０の垂直面の（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面の配向度を８０％以上とすることで、結晶が垂直に形成されて優れた変位特性の圧電体層７０とすることができる。すなわち、圧電体層７０の表面の配向度だけを調整したとしても、傾斜した（１１１）面、（１１０）面及び（２１１）面は考慮されておらず、より優れた変位特性を得ることができない。なお、傾斜した（１１１）面、（１１０）面及び（２１１）面は、変位しないだけでなく、圧電体層７０の変位を阻害してしまうものである。そして、圧電体層７０の表面を広角Ｘ線回折法で測定しても、インプレーンＸ線回折法によって測定することができる（１１１）面及び（２１１）面が測定されない。このため、インプレーンＸ線回折法により測定した圧電体層７０の表面に直交する垂直面の（１００）面、（１１０）面、（２１０）面、（１１１）面及び（２１１）面に対する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面の割合を８０％以上と規定することで、圧電体層７０の傾斜面である（１１１）面及び（２１１）面を考慮して優れた変位特性を得ることができる。
また、圧電体層７０の表面に直交する垂直面の（１００）面の存在比が、圧電体層７０の表面に直交する垂直面から所定角度傾きを有する面の（１００）面と、圧電体層７０の表面に直交する垂直面の（１００）面との合計に対して１０％以上に形成することにより、変位特性を向上することができる。
さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
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、下電極膜６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３４を介して接合されている。このリザーバ部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リザーバ１００を構成している。
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。保護基板３０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１１０が固定されている。この駆動回路１１０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１１０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２０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（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ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、リザーバ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。
また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。さらに、保護基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３５が設けられている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口４４からインクを取り込み、リザーバ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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０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、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０及び保護膜５１となる二酸化シリコン膜５２を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の全面に亘ってイリジウム（Ｉｒ）からなる下電極膜６０を形成後、所定形状にパターニングする。
次いで、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、例えば、リラクサ強誘電体（例えば、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＮＮ−ＰＴ等）の他の圧電材料を用いてもよい。また、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、下電極膜６０上に図示しない種チタン（Ｔｉ）を形成後、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分保持することで乾燥することができる。また、乾燥工程での昇温レートは０．５〜１．５℃／ｓｅｃが好適である。なお、ここで言う「昇温レート」とは、加熱開始時の温度（室温）と到達温度との温度差の２０％上昇した温度から、温度差の８０％の温度に達するまでの温度の時間変化率と規定する。例えば、室温２５℃から１００℃まで５０秒で昇温させた場合の昇温レートは、（１００−２５）×（０．８−０．２）／５０＝０．９［℃／ｓｅｃ］となる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを０．５〜１．５℃／ｓｅｃとするのが好ましい。
次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。焼成工程では、圧電体前駆体膜７１を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、６８０℃で５〜３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜７２を形成した。また、本実施形態の焼成工程では、昇温レートを１２０℃／ｓｅｃとした。
なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、拡散炉、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置などを用いることができる。本実施形態では、焼成工程の昇温レートが１２０℃／ｓｅｃと高いため、このような高い昇温レートで焼成することができるＲＴＡ装置を用いた。
また、本実施形態では、上述のように下電極膜６０上に図示しない種チタン（Ｔｉ）を形成した後、圧電体膜７２を形成することで、チタン結晶を核としてＰＺＴを成長させることにより、結晶成長が下電極膜６０から起こり、緻密で柱状の結晶を得ることができる。このような種チタンは、焼成後には圧電体膜７２中に拡散するものである。
そして、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回、本実施形態では１０回繰り返すことで、図５（ｃ）に示すように１０層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。例えば、ゾルの１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。
このような製造方法によって、表面の配高度を７０％以上で、且つ表面に直交する垂直面の配高度が８０％以上の圧電体層７０を形成することができる。これにより、優れた変位特性の圧電体層７０とすることができる。
そして、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程によって圧電体層７０を形成した後は、図６（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板１０の全面に形成し、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングすることで形成される。
次に、図６（ｃ）に示すように、パターニングされた複数の圧電素子３００を保持する保護基板３０を、流路形成基板１０上に例えば接着剤３４によって接合する。なお、保護基板３０には、リザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成されている。また、保護基板３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単結晶基板からなり、保護基板３０を接合することで流路形成基板１０の剛性は著しく向上することになる。
次に、図６（ｄ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００が形成された面とは反対側の二酸化シリコン膜５２を所定形状にパターニングすることで保護膜５１を形成し、保護膜５１をマスクとして流路形成基板１０をＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
その後は、流路形成基板１０の保護基板３０とは反対側の面に、保護膜５１を介してノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板３０にコンプライアンス基板４０を接合することで、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッドが形成される。
なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割することでインクジェット式記録ヘッドが形成される。
（実施例）
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１２０℃／ｓｅｃで焼成し、これを４層積層することで実施例の圧電体層を形成した。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１２０℃／ｓｅｃで焼成し、これを４層積層することで実施例の圧電体層を形成した。
（比較例１）
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１０℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例１の圧電体層を形成した。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１０℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例１の圧電体層を形成した。
（比較例２）
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例２の圧電体層を形成した。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜をＲＴＡ装置によって昇温レート１℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例２の圧電体層を形成した。
（比較例３）
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜を拡散炉によって昇温レート３℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例３の圧電体層を形成した。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜を拡散炉によって昇温レート３℃／ｓｅｃで焼成し、これらを４層積層することで比較例３の圧電体層を形成した。
（試験例）
上述した実施形態１と同様に、実施例及び比較例１〜３の圧電体層について、広角Ｘ線回折法により表面の配高度を測定すると共に、インプレーンＸ線回折法により垂直面の配高度を測定した。また、各圧電体層の変位定数を測定した。これらの結果を下記表１に示す。
上述した実施形態１と同様に、実施例及び比較例１〜３の圧電体層について、広角Ｘ線回折法により表面の配高度を測定すると共に、インプレーンＸ線回折法により垂直面の配高度を測定した。また、各圧電体層の変位定数を測定した。これらの結果を下記表１に示す。
表１に示すように、実施例及び比較例１〜３の圧電体層は、表面の配向度が全て７０％以上で形成されているものの、比較例１〜３の垂直面の配高度は８０％未満で形成されていることが分かった。そして、圧電体層の表面の配高度が７０％以上であっても、垂直面の配高度によって変位定数、すなわち変位特性が悪化してしまうことが分かった。このため、実施例の圧電体層のように、表面の配高度が７０％以上で、且つ垂直面の配高度が８０％以上のものが変位特性に優れていることが分かる。
また、上記実施例に記載の圧電素子として、圧電体層の表面に直交する垂直面の（１００）面の存在比が、圧電体層の表面に直交する垂直面から所定傾きを有する面の（１００）面と圧電体層の表面に直交する垂直面の（１００）面の合計に対して１０％以上に形成すれば変位特性が向上する。
さらに、圧電体膜を焼成する際の昇温レートを１２０℃／ｓｅｃと高くすることで、変位特性の優れた実施例の圧電体層を形成することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的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１では、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７２を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７２を形成するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態１を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的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１では、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７２を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７２を形成するようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、下電極膜６０をパターニングすることにより形成した後に圧電体層７０を形成するようにしたが、デバイスの関係上、下電極膜上に１層目の圧電体膜を形成し、その後、下電極膜を圧電体膜と共にパターニングするようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態１では、下電極膜６０としてイリジウム（Ｉｒ）を用いるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、イリジウム（Ｉｒ）を主成分とする導電性材料としてもよく、また、イリジウム（Ｉｒ）と白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを順次積層するようにしてもよい。
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図７は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図７に示すように、インクジェット式記録ヘッド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に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
そして、駆動モータ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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。
なお、上述した実施形態１では、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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）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。
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 リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １１０ 駆動回路、 １２０ 接続配線、 ３００ 圧電素子
Claims (5)
- 下電極と、チタン酸ジルコン酸鉛である圧電体層と、上電極と、を備え、前記圧電体層の表面の（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面に対する（１００）面の割合が８６％以上であると共に、前記圧電体層の表面に直交する垂直面の（１００）面、（１１０）面、（２１０）面、（１１１）面及び（２１１）面に対する（１００）面、（１１０）面及び（２１０）面の割合が８７％以上であることを特徴とする圧電素子。
- 前記圧電体層が、圧電体膜が複数積層されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
- 請求項１又は２に記載の圧電素子が、基板上に振動板を介して設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。
- 請求項３に記載のアクチュエータ装置をノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項４に記載の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。
Priority Applications (5)
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