JP5812243B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波デバイス及びｉｒセンサー - Google Patents

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、圧電体層と圧電体層に電圧を印加する電極を有する圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子に関する。

圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電材料からなる圧電体層（圧電体膜）を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

このような圧電素子を構成する圧電体層として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられる（特許文献１参照）。しかしながら、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えばＫ、Ｎａ及びＮｂを含有するＫＮＮ系の圧電材料がある（特許文献２参照）。ＫＮＮ系材料は高いキュリー温度と優れた電気特性を有するものである。

特開２００１−２２３４０４号公報 特開２００９−１３０１８２号公報

しかしながら、ＫＮＮ系の圧電材料は、リーク電流が発生し、絶縁性が低いという問題がある。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、リーク電流を抑制し、絶縁性を向上させることができる圧電素子を有する液体噴射ヘッド、液体噴射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、ノズル開口に連通する圧力発生室と、白金を含む第１電極と、前記第１電極上に設けられカリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなる圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極とを備えた圧電素子と、を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、白金を含む第１電極上にカリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなる圧電体層を設けることにより、リーク電流を抑制し、絶縁性を向上させることができる。

また、前記圧電体層は、ビスマスが、前記圧電体層の厚さ方向の中心よりも前記第１電極側に多く含まれていることが好ましい。これによれば、カリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなり第１電極側にビスマスを多く含む圧電体層を有し、リーク電流が抑制され、絶縁性が向上された液体噴射ヘッドとなる。

また、前記圧電体層は、鉄が、前記圧電体層の厚さ方向の中心よりも前記第１電極側に多く含まれていることが好ましい。これによれば、カリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなり第１電極側に鉄を多く含む圧電体層を有し、リーク電流が抑制され、絶縁性が向上された液体噴射ヘッドとなる。

本発明の他の態様は、上記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、リーク電流が抑制され、絶縁性が向上された液体噴射ヘッドを有するため、信頼性に優れた液体噴射装置となる。

また、本発明の他の態様は、白金を含む第１電極と、前記第１電極上に設けられカリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなる圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極とを備えることを特徴とする圧電素子にある。かかる態様では、白金を含む第１電極上にカリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなる圧電体層を設けることにより、リーク電流を抑制し、絶縁性を向上させることができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施例２及び比較例１のＰｔのＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 実施例２のＢｉのＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 実施例２のＦｅのＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 実施例１〜３及び比較例１のＩ−Ｖ曲線を示す図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。

（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の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′線断面図である。図１〜図３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マニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。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。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、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。

さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが２μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層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、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜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や密着層５６を設けなくてもよい。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。

上記第１電極６０は白金（Ｐｔ）を含むものである。そして、第１電極６０の上に設けられる圧電体層７０は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含む酸化物、すなわち、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含む圧電材料からなるものである。

このようなＫ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含む圧電材料の構造は制限されないが、主にペロブスカイト構造を有するものであることが好ましい。

そして、本実施形態においては、Ｂｉは、圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも第１電極６０側に多く含まれている、すなわち、Ｂｉは圧電体層７０の第１電極６０側に偏析している。例えば、圧電体層７０の第１電極６０との界面近傍は、Ｂｉを圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも多く含む。そして、Ｂｉは圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも第２電極８０側に多く含まれていてもよい。また、本実施形態においては、Ｆｅも圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも第１電極６０側に多く含まれている、すなわち、Ｆｅは圧電体層７０の第１電極６０側に偏析している。例えば、圧電体層７０の第１電極６０との界面近傍は、Ｆｅを圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも多く含む。

このように、第１電極６０はＰｔを含むものとし、圧電体層７０をＫ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含む圧電材料からなるものとすることにより、後述する実施例に示すように、Ｐｔの圧電体層７０への拡散が抑制されるため、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含有するＫＮＮ系の材料でありながら、特許文献２のように電流ブロック層を設けなくても、リーク電流が抑制され絶縁性が高い圧電素子３００とすることができる。一方、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含みＢｉ及びＦｅを含まない圧電材料からなる圧電体層とすると、圧電体層へ多量のＰｔが拡散され、絶縁性が低くなってしまう。

このような圧電素子３００の個別電極である各第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、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜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、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部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。このマニホールド部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マニホールド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、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。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、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００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によってマニホールド部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のマニホールド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、マニホールド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Ｉ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、マニホールド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、密着層５６、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。

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図８は、圧力発生室の長手方向の断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜）上に、酸化チタン等からなる密着層５６を、スパッタリング法や熱酸化等で形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、密着層５６の上に、第１電極６０を構成する白金膜をスパッタリング法等により全面に形成する。

次いで、この白金膜上に、圧電体層７０を積層する。圧電体層７０は、有機金属化合物を含む溶液を塗布乾燥し、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（圧電体膜）を得るＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法や、スパッタリング法等の気相法により形成できる。

具体的には、所定の圧電体膜形成用組成物により圧電体前駆体膜を形成し、圧電体前駆体膜を加熱して結晶化させることにより、圧電体層７０を形成できる。そして、本発明においては、圧電体膜形成用組成物は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ及びＦｅを含有するものである。

このように圧電体膜形成用組成物としてＫ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ及びＦｅを含有するものを用い、これを加熱して結晶化することにより、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含む圧電材料からなる圧電体層７０が形成される。また、本実施形態においては、この圧電体層７０は、主にペロブスカイト構造を有するものである。

そして、圧電体膜形成用組成物中に含まれるＫ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅの量が、モル比でＫ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝（１−ｘ）：ｘ：１：ａ：ａ （０＜ｘ＜１、０．０１≦ａ≦０．０５）であることが好ましい。この範囲内では、特にリーク電流を抑制することができる。また、上記ａが０．０５より大きいとペロブスカイト構造ではない異相が生じる場合がある。

圧電体層７０を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、図５（ｂ）に示すように、白金膜上に、有機金属化合物、具体的にはＫ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ及びＦｅを含有する有機金属化合物を例えばＫ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝（１−ｘ）：ｘ：１：ａ：ａ （０＜ｘ＜１、０．０１≦ａ≦０．０５）を満たす割合で含むＭＯＤ溶液やゾルからなる圧電体膜形成用組成物（前駆体溶液）をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜７１を形成する（塗布工程）。

塗布する前駆体溶液は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅをそれぞれ含む有機金属化合物を混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解させたものである。Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅをそれぞれ含む有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機金属錯体などを用いることができる。Ｋを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウム、カリウムアセチルアセトナート、カリウムｔｅｒｔ−ブトキシドなどが挙げられる。Ｎａを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、ナトリウムアセチルアセトナート、ナトリウムｔｅｒｔ−ブトキシドなどが挙げられる。Ｎｂを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸ニオブ、ペンタエトキシニオブなどが挙げられる。Ｂｉを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。Ｆｅを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。勿論、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅを二種以上含む有機金属化合物を用いてもよい。

次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度（例えば、１２０〜２００℃）に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度（例えば、３００〜４５０℃）に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。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、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。なお、塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回行ってもよい。

次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度、例えば６００〜８００℃程度に加熱して、一定時間保持することによって結晶化させ、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含む圧電材料からなる圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。ＫＮＮ系材料では、この焼成工程において、第１電極６０を構成するＰｔが圧電体層７０中に拡散することによりリーク電流が発生し絶縁性が低下するという問題が生じるが、本発明においては、Ｂｉ及びＦｅを含有するため、Ｐｔが圧電体層７０中に拡散することを抑制できるので、リーク電流を抑制し絶縁性を向上することができる。なお、このようにして得られた圧電体層７０は、ＢｉやＦｅが圧電体層７０の厚さ方向の中心よりも第１電極６０側に多く含まれるものである。また、主に、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。

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、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。

上記では、圧電体層７０を化学溶液法で形成する例を示したが、上述のように、スパッタリング法等で形成してもよい。

次に、図６（ａ）に示すように、圧電体膜７２上に所定形状のレジスト（図示無し）をマスクとして第１電極６０及び圧電体膜７２の１層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。

次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成することで、図６（ｂ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。例えば、塗布溶液の１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、例えば、１０層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜７２を積層して設けたが、１層のみでもよい。

このように圧電体層７０を形成した後は、図７（ａ）に示すように、圧電体層７０上に白金等からなる第２電極８０をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電体層７０及び第２電極８０を同時にパターニングして、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０からなる圧電素子３００を形成する。なお、圧電体層７０と第２電極８０とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト（図示なし）を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、例えば、６００〜８００℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することができる。

次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０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。

次に、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さに薄くする。

次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上に、マスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。

そして、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５２を介して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、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。

その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面のマスク膜５２を除去した後にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハー１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩとする。

以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１０００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッタ法および熱酸化により膜厚４０ｎｍの酸化チタン膜を形成した。さらに酸化チタン膜上に膜厚１３０ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。

次いで、第１電極６０上に圧電体層７０をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸カリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ナトリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ニオブの１−ブタノール溶液、２−エチルヘキサン酸ビスマスのオクタン溶媒溶液および２−エチルヘキサン酸鉄のキシレン溶媒溶液を、各金属が、モル比で、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝０．５：０．５：１：０．０１：０．０１となるように混合して、前駆体溶液を調製した。

そしてこの前駆体溶液を、酸化チタン膜及び白金膜が形成された上記基板上に滴下し、１５００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、１５０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程からなる工程を４回繰り返し行った後に、酸素雰囲気中で、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ（ＲＴＡ）で７００℃、５分間焼成を行った（焼成工程）。次いで、この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を４回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を２回繰り返し、計８回の塗布により全体で厚さ５００ｎｍであり、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを有する圧電材料からなる圧電体層７０を形成した。

その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金膜を形成した後、ＲＴＡを用いて７００℃、５分間焼成を行うことで圧電素子３００を形成した。

（実施例２）
２−エチルヘキサン酸カリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ナトリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ニオブの１−ブタノール溶液、２−エチルヘキサン酸ビスマスのオクタン溶媒溶液および２−エチルヘキサン酸鉄のキシレン溶媒溶液の混合割合を変更して、各金属が、モル比で、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝０．５：０．５：１：０．０３：０．０３の前駆体溶液とした以外は、実施例１と同様にして、圧電素子３００を形成した。

（実施例３）
２−エチルヘキサン酸カリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ナトリウムの１−ブタノール溶媒溶液、２−エチルヘキサン酸ニオブの１−ブタノール溶液、２−エチルヘキサン酸ビスマスのオクタン溶媒溶液および２−エチルヘキサン酸鉄のキシレン溶媒溶液の混合割合を変更して、各金属が、モル比で、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝０．５：０．５：１：０．０５：０．０５の前駆体溶液とした以外は、実施例１と同様にして、圧電素子３００を形成した。

（比較例１）
２−エチルヘキサン酸ビスマスのオクタン溶媒溶液および２−エチルヘキサン酸鉄のキシレン溶媒溶液を添加せず、前駆体溶液を各金属がモル比で、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ＝０．５：０．５：１とした以外は、実施例１と同様にして、圧電素子３００を形成した。

（試験例１）
実施例１〜３及び比較例１の基板上に形成された圧電素子について、第２電極８０側から厚さ方向に亘って、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）であるカメカ社製「ＩＭＳ−７ｆ」により、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯの各元素を測定した。結果の一例として、実施例２及び比較例１についてＰｔの測定結果を図９に示す。また、実施例２について、Ｂｉの測定結果を図１０に、Ｆｅの測定結果を図１１に示す。図９〜１１において、左側が第２電極側、右側が基板側である。

この結果、実施例１〜３では、第２電極と第１電極との間に形成された圧電体層は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｂｉ、Ｆｅ及びＯを有していた。また、比較例１では、第２電極と第１電極との間に形成された圧電体層は、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを有していた。そして、実施例１〜３は比較例１と比べて、第１電極を構成するＰｔの圧電体層への拡散が抑制されていた。

また、実施例１〜３は、圧電体層の第１電極との界面近傍は、圧電体層の厚さ方向の中心よりもＢｉ及びＦｅを多く含んでいた。

（試験例２）
実施例１〜３及び比較例１の各圧電素子について、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、Ｘ線源にＣｕＫα線を使用し、室温で、圧電体層７０のＸ線回折パターンを求めた。その結果、実施例１〜３及び比較例１全てにおいてペロブスカイト構造に起因するピークと基板由来のピークのみが観測され、その他の異相に起因するピークは観測されなかった。

（試験例３）
実施例１〜３及び比較例１の各圧電素子について、ヒューレットパッカード社製「４１４０Ｂ」を用い、室温（２５℃）で電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を求めた。測定はφ＝５００μｍの電極パターンを使用した。結果を図１２に示す。この結果、実施例１〜３は、比較例１と比べてリーク電流が抑制されていた。このことと試験例１の結果とから、実施例１〜３では、Ｐｔの圧電体層７０への拡散が抑制されることで、リーク電流が抑制されたと考えられる。そして、Ｋ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｂｉ：Ｆｅ＝（１−ｘ）：ｘ：１：ａ：ａ （０＜ｘ＜１、０．０３≦ａ≦０．０５）を満たす実施例２及び実施例３は特に絶縁性が向上していた。

（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、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。

また、これら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１３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１３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、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、ＩＲセンサー等の焦電素子等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。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に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、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ マニホールド部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子

Claims (6)

1. 白金を含む第１電極と、前記第１電極上に設けられカリウム、ナトリウム、ニオブ、ビスマス及び鉄を含む酸化物からなる厚さが２μｍ以下の薄膜である圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極とを備えた圧電素子と、を備え、
   前記ビスマスが、前記圧電体層の厚さ方向の中心よりも前記第１電極側に多く含まれていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記鉄が、前記圧電体層の厚さ方向の中心よりも前記第１電極側に多く含まれていることを特徴とする請求項１に記載する圧電素子。
3. 請求項１又は２に記載する圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項３に記載する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。
5. 請求項１又は２の圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス。
6. 請求項１又は２の圧電素子を具備することを特徴とするＩＲセンサー。
   
   

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