JP5499533B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び圧電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子を具備する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び圧電素子に関する。
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層としては、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いたものが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、この圧電体層を用いて圧電素子を設けたとしても、十分な変位を得ることができなかった。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、他の装置に搭載されるアクチュエーター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、高い変位特性を有する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び圧電素子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、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多い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、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、高い変位特性を得ることができる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
ここで、前記圧電体層のＡサイトに存在する鉛の量は、Ａサイトに存在するジルコニウムの量よりも多く、且つＡサイトに存在するチタンの量より多いことが好ましく、また、前記圧電体層のＢサイトに存在する鉛の量は、Ｂサイトに存在するジルコニウムの量よりも少なく、且つＢサイトに存在するチタンの量より少ないことが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶構造が安定する。
また、前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、且つ単斜晶系構造を有することが好ましい。これによれば、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
また、前記圧電体層は、分極方向が膜面垂直方向に対して、５０度〜６０度傾いていることが好ましい。これによれば、高い圧電特性の圧電素子とすることができる。
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備えることを特徴とする液体噴射装置にある。これによれば、省電力で液体噴射特性に優れた液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、基板上に変位可能に設けられた、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上したアクチュエーター装置を実現できる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
さらに、本発明の他の態様は、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子であって、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな圧電特性を得ることができる、すなわち、圧電特性を向上した圧電素子を実現できる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い圧電特性を有する圧電体層を実現できる。
他の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在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、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、高い変位特性を得ることができる。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、高い変位特性を得ることができる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
ここで、前記圧電体層のＡサイトに存在する鉛の量は、Ａサイトに存在するジルコニウムの量よりも多く、且つＡサイトに存在するチタンの量より多いことが好ましく、また、前記圧電体層のＢサイトに存在する鉛の量は、Ｂサイトに存在するジルコニウムの量よりも少なく、且つＢサイトに存在するチタンの量より少ないことが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶構造が安定する。
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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備えることを特徴とする液体噴射装置にある。これによれば、省電力で液体噴射特性に優れた液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、基板上に変位可能に設けられた、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上したアクチュエーター装置を実現できる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
さらに、本発明の他の態様は、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子であって、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな圧電特性を得ることができる、すなわち、圧電特性を向上した圧電素子を実現できる。
また、圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことで、高い圧電特性を有する圧電体層を実現できる。
他の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在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、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、高い変位特性を得ることができる。
ここで、前記圧電体層のＡサイトに存在する鉛の量は、Ａサイトに存在するジルコニウムの量よりも多く、且つＡサイトに存在するチタンの量より多いことが好ましく、また、前記圧電体層のＢサイトに存在する鉛の量は、Ｂサイトに存在するジルコニウムの量よりも少なく、且つＢサイトに存在するチタンの量より少ないことが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶構造が安定する。
また、前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、且つ単斜晶系構造を有することが好ましい。これによれば、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
また、前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことが好ましい。これによれば、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
また、前記圧電体層のＡサイトに存在する遷移金属の量は、Ａサイト全体の４％以上であることが好ましい。これによれば、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
また、前記圧電体層のＢサイトに存在する鉛の量は、２．５％以上、１５％以下であることが好ましい。これによれば、高い変位特性を有する圧電体層を実現できる。
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備えることを特徴とする液体噴射装置にある。これによれば、省電力で液体噴射特性に優れた液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、基板上に変位可能に設けられた、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備し、前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上したアクチュエーター装置を実現できる。
かかる態様では、圧電体層のＡサイト及びＢサイトに、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在することで、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上したアクチュエーター装置を実現できる。
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の平面図及びそのＡ−Ａ'断面図である。
図１及び図２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リザーバー部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバー１００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。
なお、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、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、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、第１電極６０、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、絶縁体膜５５及び第１電極６０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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。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。
圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、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。本実施形態では、圧電体層７０として、式Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３において、ｘが１．０より大きく、且つ１．３以下で、ｙの値は特に限定されないが、例えば相境界を含む０．４≦ｙ≦０．６のＰＺＴを用いると好適である。
また、圧電体層７０は、結晶が（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。なお、本発明で「結晶が（１００）面に優先配向している」とは、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、９０％以上）が（１００）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が菱面体晶系（rhombohedral）あるいは正方晶系（tetragonal）等である場合と、を含むものである。
さらに、圧電体層７０は、分極方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）に対して所定角度（５０度〜６０度）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。
本実施形態の圧電体層７０は、Ａサイトに鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）を有し、Ｂサイトに鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）を有するものである。すなわち、本実施形態の圧電体層７０は、Ｐｂｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３であり、基本的にＡサイトには鉛（Ｐｂ）、Ｂサイトにはジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）が存在するものであるが、Ａサイトには鉛だけではなく、ジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）も存在し、Ｂサイトにはジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）だけではなく鉛（Ｐｂ）が存在する。
そして、圧電体層７０のＡサイトに存在する鉛の量は、Ａサイトに存在するジルコニウムの量よりも大きく、且つＡサイトに存在するチタンの量より多いことが好ましい。また、圧電体層７０のＢサイトに存在する鉛の量は、Ｂサイトに存在するジルコニウムの量よりも少なく、且つＢサイトに存在するチタンの量よりも少ないことが好ましい。なお、ここで言う「各サイトの鉛、ジルコニウム及びチタンの存在する量」とは、Ａサイト又はＢサイトに存在する元素の数のことである。すなわち、ここでいう量とは、各元素の存在率のことである。
ここで、鉛量と、ジルコニウム及びチタン等の遷移金属量とは、Induced Coupling Plasma（ＩＣＰ）分析によって定量的に分析することができる。本実施形態の圧電体層７０は、遷移金属に対して鉛が過剰に薄膜中に存在しているが、Ｘ線回折解析において、異相による回折ピークが見られない。このことから、本実施形態の圧電体層７０の過剰鉛は、異相として薄膜中に析出しているのではなく、ペロブスカイト型構造のＡサイトのみならずＢサイトにも組み込まれている。
なお、Ａサイトにジルコニウム及びチタンが存在する本発明の圧電体層７０は、詳しくは後述する圧電体層７０の成膜条件を適宜設定することで形成できる。
このように、圧電体層７０のＡサイト及びＢサイトの両方に、それぞれ鉛、ジルコニウム及びチタンが存在すると、圧電体層７０の面内の格子定数（ａ軸、ｂ軸）を大きくすることができる。また、圧電体層７０の面内の格子定数（ａ軸、ｂ軸）は、この面に垂直な方向、すなわち厚さ方向の格子定数（ｃ軸）に比べて大きい。このように、圧電体層７０の面内の格子定数を大きくし、且つａ軸、ｂ軸の格子定数をｃ軸の格子定数よりも大きくすることで、詳しくは後述するように、圧電体層７０を低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、いわゆる高い変位特性の圧電体層７０とすることができる。なお、Ｂサイトの鉛の量は、遷移金属の量に対して２．５％以上且つ１５％以下であることが、変位特性上好ましく、５％以上且つ１２．５％以下が好適である。すなわち、この組成域（２．５％〜１５％）を外れると高い圧電変位を得ることができない。
（実施例１）
ここで（１１０）面に優先配向したシリコンウェハー上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり厚さが１０００ｎｍの弾性膜５０と、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが５００ｎｍの絶縁体膜５５とを設ける。弾性膜５０は、熱酸化により形成し、絶縁体膜５５は、弾性膜５０上にジルコニウムをスパッタリング法により形成後、これを熱酸化することにより形成した。
ここで（１１０）面に優先配向したシリコンウェハー上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり厚さが１０００ｎｍの弾性膜５０と、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが５００ｎｍの絶縁体膜５５とを設ける。弾性膜５０は、熱酸化により形成し、絶縁体膜５５は、弾性膜５０上にジルコニウムをスパッタリング法により形成後、これを熱酸化することにより形成した。
また、絶縁体膜５５上に第１電極６０として、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とをスパッタリング法により順次積層形成した。このときの第１電極６０の厚さが２００ｎｍとなるようにした。
この第１電極６０上にＰＺＴからなる圧電体層７０を形成した。圧電体層７０の製造方法としては、有機金属化合物を溶媒に溶解・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−ゲル法を用いた。
具体的には、遷移金属（Ｚｒ＋Ｔｉ）に対して１．１８となる鉛が含有されたＰＺＴとなる組成液を塗布する塗布工程と、組成液を乾燥させて圧電体前駆体膜を形成する乾燥工程と、乾燥した圧電体前駆体膜を４１０℃の温度で脱脂する脱脂工程と、脱脂した圧電体前駆体膜を赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて、酸素１００％雰囲気中で、６５０℃で３０秒の加熱を３回行って焼成して結晶化した圧電体膜を形成する焼成工程と、からなる圧電体膜形成工程を繰り返し行って、複数層の圧電体膜が積層形成された合計の厚さが約１．１μｍの圧電体層７０を形成した。なお、塗布工程から焼成工程までの１回の圧電体膜形成工程は、塗布工程において組成液を１００ｎｍの厚さで塗布する毎に行った。また、圧電体膜形成工程では、相対湿度が４０％ＲＨとなる雰囲気中で行った。
ちなみに、上述した脱脂とは、圧電体前駆体膜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り、圧電体前駆体膜が結晶化しない程度に、すなわち、非晶質の圧電体前駆体膜を形成することを言う。
このような圧電体層７０上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが２００ｎｍの第２電極８０を形成した。
（実施例２）
上述した実施例１と同様に、シリコンウェハー上に弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０を形成後、ゾル−ゲル法により圧電体層７０を形成した。
上述した実施例１と同様に、シリコンウェハー上に弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０を形成後、ゾル−ゲル法により圧電体層７０を形成した。
実施例２では、圧電体層７０を構成する圧電体膜を形成する際に、塗布工程には組成液を２００ｎｍの厚さで塗布し、焼成時にはＲＴＡ装置によって７００℃で６０秒の加熱を１回行うようにした。なお、組成液として、遷移金属に対する鉛の比率が１．１８含有するものを用いた。また、脱脂工程では、３８０℃で行い、圧電体膜形成工程を相対湿度が７０％ＲＨの雰囲気中で行った。圧電体層７０の厚さは、実施例１と同様となるように、すなわち、厚さが約１．１μｍとなるように形成した。そして、このような圧電体層７０上には、上述した実施例１と同様の第２電極８０を形成した。
（試験例）
上述した実施例１及び実施例２の各圧電素子に電圧を印加し、その変位量をレーザー変位計を用いて測定した。
上述した実施例１及び実施例２の各圧電素子に電圧を印加し、その変位量をレーザー変位計を用いて測定した。
また、実施例１及び実施例２の各圧電体層について、Ｘ線回折法（X-Ray Diffraction）によって測定したＸ線の回折ピークから格子定数を測定した。
さらに、実施例１及び２の各圧電体層についてラマン散乱によりＰＺＴ格子における各振動モードのラマンシフトを測定した。すなわち、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長３２５ｎｍ）を励起レーザーとして測定したラマン散乱により得られるラマンシフトにおいて、Ａサイトの振動モードを示すＡ１（２ＴＯ）のピーク位置（Ｂ１ピークシフト量）と、Ｂサイトの振動モードを示すＡ１（３ＬＯ）のピーク位置（Ａ１ピークシフト量）とを測定した。なお、ラマンシフトとは、入射光とラマン散乱光との波数差のことを言う。本実施形態では、ラマン散乱の測定は、室温無偏光でバックスキャッタリング環境下により測定した結果のものである。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１の圧電素子の方が、実施例２の圧電素子に比べて変位量が大きいことが分かる。
また、ラマン散乱によるＢ１ピークシフト量、Ａ１ピークシフト量は、実施例２を基準（０ｃｍ−１）として、実施例２に対する実施例１のピークシフト量を算出したものである。この結果から、実施例１の圧電体層では、Ａサイトの振動モードを表すＢ１ピークのシフトが＋５ｃｍ−１であり、Ａサイトが実質的に軽くなっている。また、実施例１の圧電体層では、Ｂサイトの振動モードを表すＡ１ピークシフト量が、−１ｃｍ−１となっており、Ｂサイトが実質的に重くなっている。すなわち、実施例１の圧電体層では、Ａサイトに鉛（Ｐｂ）以外の軽い陽イオンであるジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）が位置している。また、実施例１の圧電体層では、Ｂサイトにジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）以外の重い鉛（Ｐｂ）が位置している。
さらに、圧電体層の面内（ａ軸）の格子定数が、実施例１の方が大きく、且つ実施例１及び２共に圧電体層の面内（ａ軸）の格子定数が、厚さ方向（ｃ軸）の格子定数よりも大きくなっている。
ここで、この試験結果について、Ａサイトの鉛（Ｐｂ）と、Ｂサイトの遷移金属とを交換した場合（交換構造）に関する電子状態シミュレーション（第１原理計算）を行った。この電子状態シミュレーションの結果を図３に示す。
電子状態シミュレーションの条件としては、局所密度近似の範囲での密度汎関数法とし、超ソフト擬ポテンシャル法を用いた。エネルギーおよび電子密度に対するカットオフは、それぞれ２０Ｈａｒｔｒｅｅ、１８０Ｈａｒｔｒｅｅである。ＡＢＯ３のセルに関して２ｘ２ｘ２でスーパーセルを構成し、逆格子点（ｋ点）のメッシュは（２ｘ２ｘ２）である。原子位置は、実際の結晶成長温度７００℃付近において常誘電状態であることを考慮し、常誘電状態を仮定した。原子交換の比率は１２．５％のみで行ったが、格子定数の変化は図３（ｃ）で示すように線形で近似できる。格子定数は、１つのＡＢＯ３のセルに換算して表した。全エネルギーは価電子帯からの寄与のみを取り入れた。また、全エネルギーはＡＢＯ３の１つのセルに換算した値を示した。
図３（ａ）はＡＢＯ３に対する格子定数と全エネルギーの関係である。図中において、Ｐｅｒｆｅｃｔは、原子交換のない完全な結晶を表している。即ち、過剰鉛がなく原子交換のないＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３に対応している。図中のＺｒは、ＡサイトのＰｂとＢサイトのＺｒが交換した構造を、また図中のＴｉは、ＡサイトのＰｂとＢサイトのＴｉが交換した構造を示す。交換の比率はそれぞれ１２．５％である。図３（ａ）からわかるように、原子を交換すると、全エネルギーが１．２〜１．６ｅＶ程度増加する。これは原子交換を起こすのに一定のエネルギーを要するからである。また、グラフの極小値は、そのときの安定な格子定数に対応している。図３（ａ）は原子の交換が起きると、完全な結晶に対して格子定数が伸びることを示している。原子の交換構造を、結晶構造の欠陥と見なせば、欠陥生成エネルギーは下記式（１）で定義される。
〔数１〕
（欠陥生成エネルギー）＝（Perfect）−（交換構造） （１）
（欠陥生成エネルギー）＝（Perfect）−（交換構造） （１）
図３（ｂ）は、格子定数と原子交換に関する欠陥生成エネルギーの関係を表している。図３（ｂ）から、格子定数が４．１Å以上の領域では、ＡサイトＰｂとＢサイトＴｉの交換が、Ｚｒの場合に比べて小さな欠陥生成エネルギーを与えている。図３（ｃ）が示すように、安定な格子定数は４．１１Å〜４．１４５Åであるので、Ｔｉの方がＺｒよりも原子交換が起き易い。つまり、ＡサイトにＴｉを多く有する圧電体層７０の方が、比較的容易に形成することができる。
また、表１より、実施例１と実施例２とを比較すると格子定数の差は０．０１Åである。図３（ｃ）によれば、この０．０１Åの変化は、原子交換率において４％に相当している。即ち、実施例１は実施例２に比べて４％多い原子交換が起こっている。
上記電子状態シミュレーションにより、圧電体層において、Ａサイトの鉛と、Ｂサイトのジルコニウム及びチタンとが入れ替わっていると格子定数が変化し、且つＡサイトにジルコニウム及びチタンが存在する量が多いほど、格子定数が大きくなることが分かる。
以上の結果から、Ａサイト及びＢサイトに鉛、ジルコニウム及びチタンを存在させることで、格子定数、特に面内方向（ａ軸）の格子定数を大きくすることができる。そして、格子定数を大きくしたことで、表１に示すように低い駆動電圧で大きな変位を得る、すなわち、高い変位特性を有する圧電体層７０とすることができる。ちなみに、Ａサイトに鉛のみが存在し、Ｂサイトにジルコニウム及びチタンが存在すると共に、鉛とジルコニウム及びチタンとの比率が１対１の理想的な組成及び結晶構造の圧電体層の方が、一般的に高い変位特性が得られると考えられているが、実際には、上述の試験結果から分かるようにＡサイト及びＢサイトに鉛、ジルコニウム及びチタンを存在させることで高い変位特性を得ることができる。
ちなみに、このような圧電体層７０のＡサイト及びＢサイトの元素の置換は、上述したように、圧電体層を形成する際の各種条件によって決定される。
なお、このような圧電体層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１〜２μｍ前後の厚さで形成するのが好ましい。
また、圧電体層７０の製造方法は、上述したゾル−ゲル法に限定されるものではなく、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい。
さらに、第２電極８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる。この第２電極８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、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、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、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部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。このリザーバー部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ー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、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。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、絶縁体膜５５等）にリザーバーと各圧力発生室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によってリザーバー部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のリザーバー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、リザーバー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、リザーバー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、絶縁体膜５５、第１電極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。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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１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、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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１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、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、第１電極６０として、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを積層し、これが圧電体層７０の形成時に加熱されて酸化イリジウムを有するものを例示したが、第１電極６０は、特にこれに限定されるものではない。
また、実施形態１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４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４に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、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ー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に巻き掛けられて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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。
また、本発明は、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搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
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、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板（結晶基板）、 ３１ リザーバー部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
Claims (8)
- 液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、
第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記圧電体層のＡサイトに存在する鉛の量は、Ａサイトに存在するジルコニウムの量よりも多く、且つＡサイトに存在するチタンの量より多いことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層のＢサイトに存在する鉛の量は、Ｂサイトに存在するジルコニウムの量よりも少なく、且つＢサイトに存在するチタンの量より少ないことを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、且つ単斜晶系構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、分極方向が膜面垂直方向に対して、５０度〜６０度傾いていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
- 基板上に変位可能に設けられた、第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備し、
前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とするアクチュエーター装置。 - 第１電極と、該第１電極上に形成された一般式がＡＢＯ ３ で示されるペロブスカイト構造を有する圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備えた圧電素子であって、
前記圧電体層のＡサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＢサイトには、鉛、ジルコニウム及びチタンが存在し、
前記圧電体層のＡサイトに存在するチタンの量は、前記圧電体層のＡサイトに存在するジルコニウムの量より多いことを特徴とする圧電素子。
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