JP5828368B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び圧電センサー - Google Patents
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Description
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、および圧電素子に関する。
例えば、インクジェットプリンター等の液体噴射装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１参照）。このような液体噴射ヘッドに備えられる圧電素子の圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（組成式Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３で表され、「ＰＺＴ」と略称される圧電セラミックス）などのＰＺＴ系圧電材料が知られている（特許文献１参照）。
鉛の含有量を抑えた圧電セラミックスは、一般的にＰＺＴ系圧電セラミックスに比べて歪量が小さい。しかしながら、近年、環境問題の観点から、ＰＺＴ系圧電材料の代替材料として、鉛の含有量を抑えたペロブスカイト型酸化物の圧電材料が望まれている。例えば、特許文献２においては、Ａサイト元素としてビスマスを含み、Ｂサイト元素として、鉄を含み、組成式Ｂｉ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｏ３で表され、ＢＦＯ系セラミックスと略称される非鉛系圧電材料が報告されている。
したがって、このような圧電セラミックスを用いた圧電素子を備える液体噴射ヘッドであって、環境負荷が小さく、信頼性が向上した液体噴射ヘッドが望まれている。
本発明のいくつかの態様のいずれかによれば、環境負荷が小さく、信頼性が向上した圧電素子を備える液体噴射ヘッドを提供することができる。また、本発明のいくつかの態様のいずれかによれば、上記圧電素子、上記液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置を提供することができる。
（１）本発明に係る圧電素子は、
酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された第１電極と、
前記第１電極の上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
ノズル孔に連通する圧力発生室と、
を含み、
前記圧電体層は、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、前記複合酸化物は、少なくとも、Ａサイト元素としてビスマスおよびＢサイト元素として鉄を含み、
前記中間層は、酸化アルミニウムからなり、前記圧電体層から前記中間層の下への前記ビスマスの拡散を防止する。
酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された第１電極と、
前記第１電極の上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、
ノズル孔に連通する圧力発生室と、
を含み、
前記圧電体層は、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、前記複合酸化物は、少なくとも、Ａサイト元素としてビスマスおよびＢサイト元素として鉄を含み、
前記中間層は、酸化アルミニウムからなり、前記圧電体層から前記中間層の下への前記ビスマスの拡散を防止する。
本発明によれば、環境負荷が小さく、信頼性が向上した圧電素子を提供することができる。
（２）本発明に係る圧電素子において、
前記複合酸化物は、Ｂサイト元素として、マンガン、およびチタンを更に含んでいてもよい。
前記複合酸化物は、Ｂサイト元素として、マンガン、およびチタンを更に含んでいてもよい。
（３）本発明に係る圧電素子において、
前記複合酸化物は、Ａサイト元素として、カリウムを更に含んでいてもよい。
前記複合酸化物は、Ａサイト元素として、カリウムを更に含んでいてもよい。
（４）本発明に係る液体噴射ヘッドは、本発明に係る圧電素子を有する。
（５）また、本発明に係る液体噴射装置は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。
（５）また、本発明に係る液体噴射装置は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。
本発明によれば、環境負荷が小さく、信頼性が向上した液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することができる。
（６）本発明に係る圧電センサーは、本発明に係る圧電素子を有する。
本発明によれば、環境負荷が小さく、信頼性が向上した圧電センサーを提供することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本実施形態に係る液体噴射ヘッドが備える圧電素子について説明した後、本実施形態に係る液体噴射ヘッドについて説明する。
１．圧電素子
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、本実施形態にかかる圧電素子１００および液体噴射ヘッド６００を模式的に示す断面図である。
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、本実施形態にかかる圧電素子１００および液体噴射ヘッド６００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、酸化シリコン層１と、酸化シリコン層１の上に形成された中間層２と、中間層２の上に形成された第１電極１０と、中間層２の上において、第１電極１０を覆うように形成された圧電体層２０と、圧電体層２０の上に形成された第２電極３０と、を含む。
酸化シリコン層１は、図１に示すように、圧電素子１００における基板の一部であって、プレート状の部材である。酸化シリコン層１の形状は、例えば、層状または薄膜状である。酸化シリコン層１の厚みは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。酸化シリコン層１は、上面が平面的な形状であれば形状は特に限定されず、矩形でも円形であってもよい。酸化シリコン層１は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することができる。
中間層２は、図１に示すように、酸化シリコン層１と第１電極１０との間に設けられる層である。中間層２は、圧電素子１００における基板の一部であって、プレート状の部材である。中間層２の形状は、例えば、層状または薄膜状である。中間層２の厚みは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。中間層２は、上面が平面的な形状であれば形状は特に限定されず、矩形でも円形であってもよい。中間層２は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形（屈曲）することができる。
中間層２の材質は、酸化マグネシウムおよび／または酸化アルミニウムである。したがって、中間層２は、図１に示すように、酸化マグネシウムまたは酸化アルミニウムからなる単層であってもよいし、図示はされないが、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムからなる積層体であってもよい。
中間層２に酸化アルミニウムを用いた場合、より高い剛性を有した中間層２とすることができ、圧電素子１００の小型化薄膜化に資することができる。また、中間層２に酸化アルミニウムを用いることによれば、製造コストを低減することができ、生産性の向上に寄与することができる。
また、中間層２に酸化マグネシウムを用いた場合、製造工程においてクラック等が入りにくくなる。また、酸化シリコン層１との密着性も向上する。したがって、圧電素子１００の信頼性をより向上させることができる。
第１電極１０は、中間層２上に形成されている。第１電極１０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第１電極１０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。第１電極１０の平面形状は、第２電極３０が対向して配置されたときに両者の間に圧電体層２０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形である。
第１電極１０の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯｘ：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯｘ：ＬＮＯ）が挙げられる。第１電極１０は、上記に例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
第１電極１０の機能の一つとしては、第２電極３０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層２０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。
また、図示はしないが、第１電極１０と中間層２との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの酸化物の層が挙げられる。
圧電体層２０は、中間層２の上に形成される。圧電体層２０は、第１電極１０および中間層２の上に形成されていてもよい。したがって、圧電体層２０は、中間層２の上で、第１電極１０を覆うように形成されていてもよい。また、図示はされないが、第１電極１０の上のみに形成されていてもよい。圧電体層２０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。圧電体層２０の厚みは、例えば、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。圧電体層２０は、圧電性を有することができ、第１電極１０および第２電極３０によって電界が印加されることで変形することができる（電気機械変換）。
圧電体層２０の材質は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物を主成分とする。つまりは、圧電体層２０は、製造工程において不可避の不純物を含んでいてもよい。複合酸化物は、一般式ＡＢＯ３で表され、Ａサイトの元素の総モル数と、Ｂサイトの元素の総モル数と、酸素原子のモル数の比は、１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で、１：１：３からずれていてもよい。
本実施形態に係る圧電素子の複合酸化物は、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなり、Ａサイト元素として、ビスマス（Ｂｉ）を含み、Ｂサイト元素として、鉄（Ｆｅ）を含む。例えば、このような複合酸化物の一例としては、組成式Ｂｉ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｏ３で表され、ＢＦＯ系セラミックスと略称されるセラミックスを含む固溶体（混晶セラミックス）を挙げることができる。
また、本実施形態に係る圧電素子の複合酸化物は、Ｂサイト元素として、マンガン（Ｍｎ）およびチタン（Ｔｉ）を更に含んでいてもよい。例えば、このような複合酸化物の一例としては、組成式ｘＢｉ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｏ３−ｙＢａＴｉＯ３［ただし、ｘ＋ｙ＝１］で表され、ＢＦＭ−ＢＴ系セラミックスと略称されるセラミックスを含む固溶体（混晶セラミックス）を挙げることができる。
また、本実施形態に係る圧電素子の複合酸化物は、Ａサイト元素として、カリウム（Ｋ）を更に含んでいてもよい。例えば、このような複合酸化物の一例としては、組成式ｘＢｉ（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｏ３−ｙ（Ｂｉ、Ｋ）ＴｉＯ３［ただし、ｘ＋ｙ＝１］で表され、ＢＦＭ−ＢＫＴ系セラミックスと略称されるセラミックスを含む固溶体（混晶セラミックス）を挙げることができる。
なお、圧電材料は、マンガン、クロム、コバルト、アルミニウム、カリウム、リチウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケル、亜鉛、ケイ素、ランタン、セリウム、プラセオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム等種々の元素を添加して特性改善をすることが知られているが、本発明の効果を得られる範囲であれば、圧電体層２０は、当然このような添加物をさらに含んでいてもよい。
第２電極３０は、圧電体層２０上に形成されている。第２電極３０の形状は、例えば、層状または薄膜状である。第２電極３０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。第２電極３０の形状は、特に限定されず、例えば、矩形、円形である。第２電極３０としては、第１電極１０の材質として列挙した上記材料を用いることができる。
第２電極３０の機能の一つとしては、第１電極１０と一対になって、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極（例えば、圧電体層２０の上方に形成された上部電極）となることが挙げられる。
なお、図示の例では、第２電極３０は、圧電体層２０の上面に形成されているが、さらに、圧電体層２０の側面、中間層２の上面に形成されていてもよい。
以上のような圧電素子１００は、例えば、圧力発生室内の液体を加圧する圧電アクチュエーターとして、液体噴射ヘッドや、該液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置（インクジェットプリンター）などに適用されてもよいし、圧電体層の変形を電気信号として検出する圧電センサー等その他の用途として用いてもよい。
本実施形態に係る圧電素子は、例えば、以下の特徴を有する。
本実施形態に係る圧電素子によれば、ビスマスを含む圧電体層２０と、酸化シリコン層１との間に酸化マグネシウムおよび／または酸化アルミニウムからなる中間層２が設けられる。アルカリ元素であるビスマスは、製造工程および製造後において、周辺部材へ拡散しやすい。例えば、白金層などの金属層を設けた場合であっても、金属層を通過し、容易に拡散することが知られている。拡散したビスマスは、反応性が高いため、周囲の部材を変質させる可能性がある。例えば、酸化シリコンが拡散したビスマスにより変質し、ビスマスシリケートを形成することが知られている。しかしながら、本実施形態に係る圧電素子によれば、圧電体層２０からのビスマス拡散を中間層２によって防止することができ、中間層２の下に設けられた酸化シリコン層１を保護することができる。つまりは、ビスマスを含む圧電体層２０を用いた圧電素子において、酸化シリコン層１の表面が変質して圧電素子の信頼性が低下することを防ぐことができる。したがって、信頼性が向上した圧電素子を提供することができる。
また、圧電体層２０がカリウムなどのビスマス以外のアルカリ元素を含む場合も、中間層２の作用によって、酸化シリコン層１を保護することができ、信頼性が向上した圧電素子を提供することができる。
また、本実施形態に係る圧電素子によれば、第１電極１０および圧電体層２０と酸化シリコン層１との間に中間層２を設けることで、製造工程におけるプロセスダメージを確実に防ぐことができる。したがって、信頼性が向上した圧電素子を提供することができる。詳細は後述される。
２．液体噴射ヘッド
次に、本実施形態にかかる液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１は、液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図２は、液体噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
次に、本実施形態にかかる液体噴射ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１は、液体噴射ヘッド６００の要部を模式的に示す断面図である。図２は、液体噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液体噴射ヘッド６００は、本発明に係る圧電素子を有する。以下では、本発明に係る圧電素子として、圧電素子１００を用いた例について説明する。
液体噴射ヘッド６００は、図１および図２に示すように、例えば、ノズル板６１０と、流路形成基板６２０と、圧電素子１００と、筐体６３０と、を含む。なお、図２では、圧電素子１００、酸化シリコン層１、および中間層２を簡略化して図示している。
ノズル板６１０は、図１および図２に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクが吐出される。ノズル板６１０には、例えば、複数のノズル孔６１２が設けられている。図２に示す例では、複数のノズル孔６１２は、一列に並んで形成されている。ノズル板６１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が挙げられる。
流路形成基板６２０は、ノズル板６１０上（図２の例では下）に設けられている。流路形成基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。流路形成基板６２０がノズル板６１０と酸化シリコン層１との間の空間を区画することにより、図２に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力発生室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力発生室６２２と、を区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路（例えば、マニホールドということもできる）であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。
リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、酸化シリコン層１および中間層２に設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力発生室６２２に供給されることができる。圧力発生室６２２は、酸化シリコン層１および中間層２の変形により容積が変化する。圧力発生室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力発生室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２からインク等が吐出される。
なお、リザーバー６２４および供給口６２６は、圧力発生室６２２と連通していれば、流路形成基板６２０とは別の部材（図示せず）に設けられていてもよい。
圧電素子１００は、流路形成基板６２０上（図２の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作（振動、変形）することができる。酸化シリコン層１および中間層２は、圧電体層２０の動作によって変形し、圧力発生室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
筐体６３０は、図２に示すように、ノズル板６１０、流路形成基板６２０、および圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
液体噴射ヘッド６００によれば、環境負荷が小さく、信頼性が向上した圧電素子１００を有することができる。したがって、環境負荷が小さく、信頼性が高い液体噴射ヘッド６００を提供することができる。
なお、上記の例では、圧電体層２０を２つの電極１０、３０で挟む圧電素子１００を用いて、撓み振動によって圧力発生室６２２の容積を変化させる液体噴射ヘッド６００について説明した。しなしながら、本発明に係る液体噴射ヘッドは、上記の形態に限定されず、例えば、圧電体層と電極とを交互に積層させてなる圧電素子を固定基板に固定し、縦振動によって圧力発生室の容積を変化させる形態であってもよい。また、本発明に係る液体噴射ヘッドは、圧電素子の伸張や収縮変形ではなく剪断変形によって圧力発生室の容積を変化させる、いわゆるシェアモード型の圧電素子を用いた形態であってもよい。
また、上記の例では、液体噴射ヘッド６００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、本実施形態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（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。
３．圧電素子および液体噴射ヘッドの製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子および液体噴射ヘッドの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
次に、本実施形態に係る圧電素子および液体噴射ヘッドの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図３（Ａ）から図３（Ｄ）は、本実施形態に係る圧電素子および液体噴射ヘッドの製造方法を模式的に説明する断面図である。
図３（Ａ）に示すように、単結晶シリコン基板である基板６２０ａを準備し、圧電素子１００を形成する面の上に酸化シリコン層１を形成する。酸化シリコン層１を形成する方法は特に限定されず、公知の成膜技術を用いることができる。酸化シリコン層１は、例えば、熱酸化法により形成される。
次に、図３（Ｂ）に示すように、酸化シリコン層１上に、中間層２を形成する。中間層２を形成する方法は特に限定されず、公知の成膜技術を用いることができる。中間層２は、例えば、スピンコート法、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの公知の成膜方法により形成される。中間層２を形成する工程においては、必要に応じて、乾燥工程、脱脂工程、結晶化のための熱処理工程、およびパターニング工程が行われてもよい。
次に、図３（Ｃ）に示すように、中間層２上に、第１電極１０、圧電体層２０、および第２電極３０を積層して形成する。ここで、各層の成膜およびパターニングの順序は特に限定されない。
図３（Ｃ）に示すように、中間層２の上に第１電極１０を形成する。第１電極１０の製造方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、第１導電層１１および第２導電層１２は、例えば、スピンコート法、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの公知の成膜方法により形成される。第１電極１０を形成する工程においては、必要に応じて、乾燥工程、脱脂工程、結晶化のための熱処理工程、およびパターニング工程が行われてもよい。
次に、第１電極１０上に、圧電体層２０を形成する。圧電体層２０は、例えば、スパッタ法、レーザーアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法や、ゾルゲル法およびＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法などに代表される液相法により形成される。圧電体層２０の結晶化温度は、例えば、５００℃以上８００℃以下である。圧電体層２０を形成する工程においては、必要に応じて、乾燥工程、脱脂工程、結晶化のための熱処理工程、およびパターニング工程が行われてもよい。
次に、圧電体層２０上に、第２電極３０を形成する。第２電極３０は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ法により形成される。圧電体層２０を形成する工程においては、必要に応じて、乾燥工程、脱脂工程、結晶化のための熱処理工程、およびパターニング工程が行われてもよい。ここで、第２電極３０および圧電体層２０のパターニングは、同じ工程で行ってもよいし、別々の工程で行ってもよい。
上述のように、ビスマスを含む圧電体層２０は、中間層２の上方において結晶化が行われる。したがって、中間層２により、酸化シリコン層１に対するビスマス拡散の影響を防ぐことができる。
以上の工程により、環境負荷が小さく、信頼性が向上した圧電素子１００を製造することができる。
次に、図３（Ｄ）に示すように、基板６２０ａを成形し、流路形成板６２０を形成する。成形工程は、適宜、基板６２０ａの裏面（圧電素子１００が設けられる面とは反対側の面）を研磨する工程、エッチングする工程、ダイシングする工程を含んでいてもよい。エッチングする工程においては、例えば、ＫＯＨなどのエッチャントを利用したウェットエッチングにより、圧力発生室６２２などの流路を流路形成板６２０に形成する。
ここで、酸化シリコン層１は、ウェットエッチングにおけるエッチングストッパーとしても用いられる。ここで、酸化シリコン層１は、中間層２によりビスマスを含む圧電体層２０からの変質作用から保護されているため、酸化シリコン層１がエッチングストッパーとして確実に機能することができる。したがって、圧電素子１００をプロセスダメージから確実に保護することができる。
次に、ノズル孔６１２を有したノズル板６１０を、例えば接着剤等により所定の位置に接合する。これによって、ノズル孔６１２は、圧力発生室６２２と連通する。図示はされないが、封止板６３０を圧電素子１００の上方より搭載する。
以上のいずれかの方法により、液滴噴射ヘッド６００を製造することができる。なお、液滴噴射ヘッド６００の製造方法は、上述の製造方法に限定されずに、流路形成板６２０およびノズル板６１０を、電鋳法等を用いて一体形成してもよい。
４．実施例
以下に実施例１〜２および比較例１を示し、図面を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によってなんら限定されるものではない。
以下に実施例１〜２および比較例１を示し、図面を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によってなんら限定されるものではない。
４．１．実施例１
まず、基板を以下の工程にて作製した。単結晶シリコン基板上に二酸化シリコン層（酸化シリコン層）を熱酸化にて作製した。この二酸化シリコン層上にスピンコート法により膜厚が５０ｎｍの酸化マグネシウム層（中間層）を作製した。基板は、５００ｒｐｍで５秒間回転させた後、３０００ｒｐｍで３０秒間回転させた。該原料液は、酸化マグネシウムを含む有機金属塩を、溶媒（n-ブタノール）に混合したものを用いた。
まず、基板を以下の工程にて作製した。単結晶シリコン基板上に二酸化シリコン層（酸化シリコン層）を熱酸化にて作製した。この二酸化シリコン層上にスピンコート法により膜厚が５０ｎｍの酸化マグネシウム層（中間層）を作製した。基板は、５００ｒｐｍで５秒間回転させた後、３０００ｒｐｍで３０秒間回転させた。該原料液は、酸化マグネシウムを含む有機金属塩を、溶媒（n-ブタノール）に混合したものを用いた。
次に、酸化マグネシウム層（中間層）上に圧電体層を液相法により形成した。その手法は、以下のとおりである。
まず、上述された圧電体層の原料液を準備し、この原料液を、スピンコート法により、第１電極上に滴下し基板を回転させた（塗布工程）。基板は、５００ｒｐｍで１０秒間回転させた後、３０００ｒｐｍで３０秒間回転させた。該原料液は、ビスマス、鉄、マンガン、チタン、カリウムの元素を含む公知の金属アルコキシドもしくは有機酸金属塩を、溶媒（ｎ−ブタノール）に混合したものを用いた。
次に、１５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、３分間乾燥を行った後（乾燥工程）、４５０℃に設定したホットプレート上に基板を乗せ、６分間保持して脱脂した（脱脂工程）。この塗布工程、乾燥工程、および脱脂工程を３回繰り返し行った。次に、７５０℃で５分間、酸素雰囲気中でアニールを行って（結晶化工程）、薄膜の圧電体層を形成した（成膜工程）。上記の成膜工程を２回繰り返し行った。これにより、下記一般式（１）で表され、ｘ＝０．６、ｙ＝１−ｘ＝０．４となる複合酸化物からなる圧電体層を得た。このとき、圧電体層の膜厚は、６００ｎｍであった。
（Ｂｉｘ＋ｙ、Ｋａｙ）（Ｆｅ０．９５ｘ、Ｍｎ０．０５ｘ、Ｔｉｙ）Ｏ３・・・（１）
４．２．実施例２
実施例２においては、二酸化シリコン層上に真空蒸着法により膜厚が５０ｎｍの酸化アルミニウム層（中間層）を作製した。真空度は（１．０×１０−５）Ｐａとし、加工温度は１２０℃、加工速度は５０ｎｍ／分の条件で、２分間蒸着を行った。上記の中間層の作製工程以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
実施例２においては、二酸化シリコン層上に真空蒸着法により膜厚が５０ｎｍの酸化アルミニウム層（中間層）を作製した。真空度は（１．０×１０−５）Ｐａとし、加工温度は１２０℃、加工速度は５０ｎｍ／分の条件で、２分間蒸着を行った。上記の中間層の作製工程以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
４．３．比較例１
比較例１においては、中間層を作製せずに、酸化シリコン層の上に圧電体層を作製した。中間層が作製されなかったこと以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
比較例１においては、中間層を作製せずに、酸化シリコン層の上に圧電体層を作製した。中間層が作製されなかったこと以外は、実施例１と同じ方法で形成した。
４．４．Ｘ線回折の評価
Ｘ線回折パターンの解析は、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、室温で測定された。
Ｘ線回折パターンの解析は、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、室温で測定された。
図４には、実施例１、２、および比較例１のＸ線回折パターン解析の結果を示す。図４におけるＸ線回折パターンの解析結果から、比較例１のみに３０°近辺に酸化ビスマス系由来の異相ピークが確認された。実施例１および２においては、このような異相は確認されなかった。したがって、中間層を設けることで、酸化シリコン層に対するビスマスの拡散が発生しなかったことが確認された。
４．５．圧電体層および酸化シリコン層の断面の状態（ＳＥＭ画像）
図５（Ａ）は、実施例１に係るＳＥＭ画像であって、本実施例に係るサンプルの酸化シリコン層、中間層、および圧電体層の断面の状態を示すＳＥＭ画像である。図５（Ｂ）は、比較例１に係るＳＥＭ画像であって、本比較例に係るサンプルの酸化シリコン層、および圧電体層の断面の状態を示すＳＥＭ画像である。
図５（Ａ）は、実施例１に係るＳＥＭ画像であって、本実施例に係るサンプルの酸化シリコン層、中間層、および圧電体層の断面の状態を示すＳＥＭ画像である。図５（Ｂ）は、比較例１に係るＳＥＭ画像であって、本比較例に係るサンプルの酸化シリコン層、および圧電体層の断面の状態を示すＳＥＭ画像である。
図５（Ａ）に示すように、実施例１に係るサンプルの酸化シリコン層には、中間層との界面において、変質層が形成されなかった。これに対し、図５（Ｂ）に示すように、比較例１に係るサンプルの酸化シリコン層には、圧電体層との界面において、変質層が形成された。これによれば、本実施形態に係る圧電素子において、中間層を設けることにより、酸化シリコン層の界面における変質を防ぎ、信頼性を向上させることができることが確認された。
５． 液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態にかかる液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態にかかる液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
液体噴射装置７００は、本発明に係る液体噴射ヘッドを有する。以下では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッド６００を用いた例について説明する。
液体噴射装置７００は、図６に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。液体噴射装置７００は、さらに、液体噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド６００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）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッドおよびインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。
駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。
往復動機構７４２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７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッド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。
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド６００および記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０および給紙部７５０を制御することができる。
給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２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ー７５２ａおよび駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０および給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
液体噴射装置７００によれば、環境負荷が小さく、信頼性が高い液体噴射ヘッド６００を有することができる。したがって、液体噴射装置７００は、環境負荷が小さく、信頼性が高い液体噴射装置であることができる。
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。
１ 酸化シリコン層、２ 中間層、１０ 第１電極、２０ 圧電体層、３０ 第２電極、
１００ 圧電素子、
６００ 液体噴射ヘッド、６１０ ノズル板、６１２ ノズル孔、
６２０ 流路形成基板、６２０ａ 基板、
６２２ 圧力発生室、６２４ リザーバー、６２６ 供給口、
６２８ 貫通孔、６３０ 筐体、７００ 液体噴射装置、７１０ 駆動部、
７２０ 装置本体、７２１ トレイ、７２２ 排出口、７３０ ヘッドユニット、
７３１ インクカートリッジ、７３２ キャリッジ、７４１ キャリッジモーター、
７４２ 往復動機構、７４３ タイミングベルト、７４４ キャリッジガイド軸、
７５０ 給紙部、７５１ 給紙モーター、７５２ 給紙ローラー、
７５２ａ 従動ローラー、７５２ｂ 駆動ローラー、７６０ 制御部、
７７０ 操作パネル
１００ 圧電素子、
６００ 液体噴射ヘッド、６１０ ノズル板、６１２ ノズル孔、
６２０ 流路形成基板、６２０ａ 基板、
６２２ 圧力発生室、６２４ リザーバー、６２６ 供給口、
６２８ 貫通孔、６３０ 筐体、７００ 液体噴射装置、７１０ 駆動部、
７２０ 装置本体、７２１ トレイ、７２２ 排出口、７３０ ヘッドユニット、
７３１ インクカートリッジ、７３２ キャリッジ、７４１ キャリッジモーター、
７４２ 往復動機構、７４３ タイミングベルト、７４４ キャリッジガイド軸、
７５０ 給紙部、７５１ 給紙モーター、７５２ 給紙ローラー、
７５２ａ 従動ローラー、７５２ｂ 駆動ローラー、７６０ 制御部、
７７０ 操作パネル
Claims (6)
- 酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された第１電極と、
前記第１電極の上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上に形成された第２電極と、を含み、
前記圧電体層は、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、前記複合酸化物は、少なくとも、Ａサイト元素としてビスマスおよびＢサイト元素として鉄を含み、
前記中間層は、酸化アルミニウムからなり、前記圧電体層から前記中間層の下への前記ビスマスの拡散を防止する、圧電素子。 - 請求項１において、
前記複合酸化物は、Ｂサイト元素として、マンガン、およびチタンを更に含む、圧電素子。 - 請求項２において、
前記複合酸化物は、Ａサイト元素として、カリウムを更に含む、圧電素子。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電素子を有する、液体噴射ヘッド。
- 請求項４に記載の液体噴射ヘッドを有する、液体噴射装置。
- 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電素子を具備することを特徴とする圧電センサー。
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