JP7415489B2 - 圧電アクチュエーターおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電アクチュエーターの製造方法に関する。
圧電素子によって振動板を変形させる圧電素子アクチュエーターが知られている。このような圧電アクチュエーターは、例えば、液体吐出ヘッドなどに用いられている。
例えば特許文献１には、厚さ１μｍの二酸化シリコン膜と、厚さ２００ｎｍの酸化ジルコニウム膜と、からなる振動板を備えた圧電アクチュエーターが記載されている。
特開２００５－１６８１７２号公報
しかしながら、特許文献１では、酸化ジルコニウム膜が２００ｎｍと厚いため、高温高湿の環境に曝されると、二酸化シリコン膜から酸化ジルコニウム膜が剥がれる場合がある。
本発明に係る圧電アクチュエーターの製造方法の一態様は、
振動板を形成する工程と、
前記振動板上に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記振動板を形成する工程は、
気相法によってジルコニウムを含む金属層を形成する工程と、前記金属層を焼成して金属酸化物層を形成する工程と、を含む単一層形成工程を有し、
前記単一層形成工程を繰り返し、前記金属酸化物層が積層された前記振動板を形成し、
前記金属酸化物層の厚さは、２００ｎｍ未満である。
本実施形態に係る圧電アクチュエーターを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電アクチュエーターの金属酸化物層を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電アクチュエーターの製造方法を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る圧電アクチュエーターの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電アクチュエーターの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る液体吐出ヘッドを模式的に示す断面図。 本実施形態に係るプリンターを模式的に示す斜視図。 実験例の評価結果を示す表。 実験例のＸＲＤ測定結果を示すグラフ。 実験例のＸＲＤ測定結果を示すグラフ。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 圧電アクチュエーター
まず、本実施形態に係る圧電アクチュエーターについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００を模式的に示す断面図である。
圧電アクチュエーター１００は、図１に示すように、振動板１０と、圧電素子２０と、を含む。振動板１０は、基板２上に設けられている。
基板２は、例えば、シリコン基板である。図示の例では、基板２には、開口部４が設けられている。開口部４は、例えば、基板２を貫通している。
振動板１０は、可撓性を有し、圧電素子２０の動作によって変形する。振動板１０は、例えば、酸化シリコン層１２と、金属酸化物層１４と、を有している。
酸化シリコン層１２は、基板２上に設けられている。酸化シリコン層１２は、ＳｉＯ２層であってもよい。酸化シリコン層の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上３μｍ以下である。
金属酸化物層１４は、酸化シリコン層１２上に設けられている。金属酸化物層１４は、ジルコニウムを含む。金属酸化物層１４は、例えば、酸化ジルコニウム層である。金属酸化物層１４は、ＺｒＯ２層であってもよい。
金属酸化物層１４の厚さＴは、２００ｎｍ未満であり、好ましくは１０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。金属酸化物層１４の厚さＴは、例えば、圧電アクチュエーター１００の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いて観察することによって測定することができる。
金属酸化物層１４は、複数設けられている。図示の例では、金属酸化物層１４は、２層設けられているが、その数は特に限定されず、例えば、２層以上１０層以下であり、好ましくは２層以上５層以下である。複数の金属酸化物層１４の厚さＴは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
金属酸化物層１４は、柱状結晶構造を有する。ここで、図２は、金属酸化物層１４を模式的に示す断面図であり、柱状結晶構造を説明するための図である。「柱状結晶構造」とは、図２に示すように、結晶粒Ｇの形状が柱状であり、かつ、結晶粒界ＧＢが金属酸化物層１４の下面１４ａから上面１４ｂまで連続している構造をいう。図２に示すように、２層の金属酸化物層１４のうち、一方の金属酸化物層１４の結晶粒界ＧＢと他方の金属酸化物層１４の結晶粒界ＧＢとは、横方向（基板２の上面２ａの垂線と直交する方向）にずれている。図示の例では、結晶粒界ＧＢは、直線状に設けられている。
金属酸化物層１４に対してＸ線回折（X‐ray diffraction：ＸＲＤ）測定を行った場合、例えば、金属酸化物層１４の（－１１１）面に帰属されるピークＰ（－１１１）、および金属酸化物層１４の（－２１１）面に帰属されるピークＰ（－２１１）が確認される。さらに、金属酸化物層１４の（１１１）面に帰属されるピークＰ（１１１）が確認されて
もよい。ピークＰ（－１１１）およびピークＰ（－２１１）は、単斜晶系の金属酸化物層１４に帰属される。ピークＰ（１１１）は、正方晶系の金属酸化物層１４に帰属される。
金属酸化物層１４のＸＲＤにおいて、ピークＰ（－１１１）の位置は、２８．１°以上２８．５°以下である。ピークＰ（－２１１）の位置は、４０．４°以上４１．４°以下である。ピークＰ（１１１）の位置は、２９．５°以上３０．５°以下である。
金属酸化物層１４のＸＲＤにおいて、ピークＰ（－１１１）の強度に対するピークＰ（－２１１）の強度の比Ｒは、例えば、０．３６以下であり、好ましくは０．３１以下であり、より好ましくは０．２５以下であり、さらにより好ましくは０．２０以下である。金属酸化物層１４は、（－１１１）優先配向していてもよい。「（－１１１）優先配向」とは、金属酸化物層１４に帰属される全てのピークのうち、ピークＰ（－１１１）の強度が最も大きいことをいう。ピークＰ（１１１）の強度は、ピークＰ（－２１１）の強度よりも大きくてもよい。
圧電素子２０は、図１に示すように、振動板１０上に設けられている。圧電素子２０は、第１電極２２と、圧電体層２４と、第２電極２６と、を有している。
第１電極２２は、金属酸化物層１４上に設けられている。第１電極２２の形状は、例えば、層状である。第１電極２２の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第１電極２２は、例えば、白金層、イリジウム層、チタン層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層などである。第１電極２２は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
第１電極２２は、圧電体層２４に電圧を印加するための一方の電極である。第１電極２２は、圧電体層２４の下に設けられた下部電極である。
圧電体層２４は、第１電極２２上に設けられている。図示の例では、圧電体層２４は、第１電極２２上および金属酸化物層１４上に設けられている。圧電体層２４は、第１電極２２と第２電極２６との間に設けられている。圧電体層２４の厚さは、例えば、２００ｎｍ以上２μｍ以下である。圧電体層２４は、第１電極２２と第２電極２６との間に電圧が印加されることにより、変形することができる。
圧電体層２４は、例えば、ペロブスカイト構造の複合酸化物層である。圧電体層２４は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）層、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３：ＫＮＮ）層などである。圧電体層２４は、マンガン、ニオブ、シリコンなどの添加剤が添加されていてもよい。
第２電極２６は、圧電体層２４上に設けられている。なお、図示はしないが、第２電極２６は、第１電極２２と電気的に分離されていれば、さらに、圧電体層２４の側面および金属酸化物層１４上に設けられていてもよい。
第２電極２６の形状は、例えば、層状である。第２電極２６の厚さは、例えば、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極２６は、例えば、イリジウム層、白金層、チタン層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ルテニウム酸ストロンチウム層、ニッケル酸ランタン層などである。第２電極２６は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
第２電極２６は、圧電体層２４に電圧を印加するための他方の電極である。第２電極２
６は、圧電体層２４上に設けられた上部電極である。
２． 圧電アクチュエーターの製造方法
次に、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４および図５は、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
圧電アクチュエーター１００の製造方法は、図３に示すように、振動板１０を形成する振動板形成工程（ステップＳ１）と、第１電極２２を形成する第１電極形成工程（ステップＳ２）と、圧電体層２４を形成する圧電体層形成工程（ステップＳ３）と、第２電極２６を形成する第２電極形成工程（ステップＳ４）と、含む。
振動板形成工程（ステップＳ１）では、図４に示すように、例えば、シリコン基板である基板２を熱酸化して、酸化シリコン層１２を形成する。
次に、気相法によって、酸化シリコン層１２上に金属層１３を形成する。気相法としては、例えば、スパッタ法が挙げられる。金属層１３は、ジルコニウムを含む層である。金属層１３は、例えば、ジルコニウム層である。
図５に示すように、金属層１３を焼成して金属酸化物層１４を形成する。焼成によって金属層１３は、酸化されて金属酸化物層１４となる。焼成の温度は、例えば、８５０℃以上１０００℃以下であり、好ましくは９００℃以上９５０℃以下である。焼成の温度が８５０℃以上であれば、金属酸化物層１４が金属層１３から剥離することを抑制することができる。焼成の温度が１０００℃以下であれば、焼成の温度が高すぎて金属酸化物層１４にクラックが発生することを抑制することができる。
図１に示すように、気相法によって金属層１３を形成する工程と、金属層１３を焼成して金属酸化物層１４を形成する工程と、を実行することで金属酸化物層１４を１層形成する（単一層形成工程）。上記工程を繰り返し、複数の金属酸化物層１４が積層された振動板１０を形成する。金属酸化物層１４を形成する工程の繰り返し回数は、特に限定されない。
第１電極形成工程（ステップＳ２）では、図１に示すように、振動板１０上に第１電極２２を形成する。第１電極２２は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、真空蒸着法などによって形成される。次に、第１電極２２を、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。
圧電体層形成工程（ステップＳ３）では、第１電極２２上に圧電体層２４を形成する。圧電体層２４は、例えば、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）等の液相法、ＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法、スパッタ法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法などによって形成される。次に、圧電体層２４を、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。
第２電極形成工程（ステップＳ４）では、圧電体層２４上に第２電極２６を形成する。第２電極２６は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法などによって形成される。次に、第２電極２６を、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。なお、第２電極２６と圧電体層２４とを、同じ工程でパターニングしてもよい。
次に、基板２を下面側からエッチングして、基板２に開口部４を形成する。
以上の工程により、圧電アクチュエーター１００を製造することができる。
圧電アクチュエーター１００の製造方法は、例えば、以下の効果を有する。
圧電アクチュエーター１００の製造方法では、振動板形成工程（ステップＳ１）において、気相法によってジルコニウムを含む金属層１３を形成する工程と、金属層１３を焼成して金属酸化物層１４を形成する工程と、を含む単一層形成工程を有し、該単一層形成工程を繰り返し、金属酸化物層１４が積層された振動板１０を形成する。金属酸化物層１４の厚さＴは、２００ｎｍ未満である。
そのため、金属酸化物層の厚さＴが２００ｎｍ以上に比べて、高温高湿の環境に曝されても、金属酸化物層１４が、金属酸化物層１４と酸化シリコン層１２との界面、および金属酸化物層１４と金属酸化物層１４と界面から剥がれ難い圧電アクチュエーター１００を製造することができる（詳細は、後述する「５． 実験例」参照）。さらに、金属酸化物層を液相法で形成する場合に比べて、金属酸化物層１４が剥がれ難い。したがって、耐久性および信頼性の高い圧電アクチュエーター１００を製造することができる。
さらに、圧電アクチュエーター１００の製造方法では、気相法によって、ジルコニウムを含む金属層１３の単一層を形成しているため、金属酸化物層１４は、柱状結晶構造を有する。また、振動板工程（ステップＳ１）では、金属層１３を形成し金属層１３を焼成して金属酸化物層１４を形成する工程を繰り返し行う。そのため、図２に示すように、２層の金属酸化物層１４において、一方の金属酸化物層１４の結晶粒界ＧＢと、他方の金属酸化物層１４の結晶粒界ＧＢとは、横方向にずれる。クラックは、結晶粒界ＧＢに沿って発生し易い。したがって、圧電アクチュエーター１００では、結晶粒界ＧＢがずれているため、一方の金属酸化物層１４の結晶粒界ＧＢに沿ってクラックが発生したとしても、一方の金属酸化物層１４の下面１４ａと他方の金属酸化物層１４の上面１４ｂとの境界面によってクラックの進行を止めることができる。例えば、２層の金属酸化物層において結晶粒界ＧＢがそろっているとクラックの進行を止めることができず、金属酸化物層が剥がれ易くなる。なお、単一層とは、一層からなる層を意味する。
さらに、金属酸化物層１４が柱状結晶構造を有するため、金属酸化物層が粒状結晶構造を有する場合に比べて、金属酸化物層１４における結晶粒界ＧＢの割合を少なくすることができる。結晶粒界ＧＢには隙間が生じやすく、隙間が生じると結晶粒Ｇ同士の結合力が低下する。例えば空気中の水分は、結晶粒界ＧＢに沿って侵入する。したがって、金属酸化物層１４を結晶粒界ＧＢの割合が少ない柱状結晶構造とすることにより、金属酸化物層１４の剥がれを防ぐことができる。なお、ジルコニウムを含む金属酸化物層を液相法で形成すると、当該金属酸化物層は、粒状結晶構造を有する。
圧電アクチュエーター１００の製造方法では、金属酸化物層１４の厚さＴは、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であってもよい。そのため、金属酸化物層１４が、より剥がれ難い圧電アクチュエーター１００を製造することができる。また、厚さＴが５０ｎｍ未満の金属酸化物層を形成しようとすると、コストが高くなる。したがって、厚さＴを５０ｎｍ以上とすることにより、製造コストの増加を抑えることができる。
圧電アクチュエーター１００の製造方法では、金属酸化物層１４は、酸化ジルコニウム層であり、金属酸化物層１４のＸＲＤにおいて、ピークＰ（－１１１）の強度に対するピークＰ（－２１１）の強度の比Ｒは、０．３６以下であってもよい。比Ｒが０．３６以下であれば、金属酸化物層１４と酸化シリコン層１２との界面において凹凸が生じることを
抑制することができ、界面に隙間が生じ難い。そのため、金属酸化物層１４が酸化シリコン層１２から剥がれ難い。
圧電アクチュエーター１００の製造方法では、金属酸化物層１４は、ピークＰ（１１１）の強度は、ピークＰ（－２１１）の強度よりも大きくてもよい。ここで、ピークＰ（－１１１）およびピークＰ（－２１１）は、単斜晶系の金属酸化物層１４に帰属され、ピークＰ（１１１）は、正方晶系の金属酸化物層１４に帰属される。正方晶系の金属酸化物層１４は、外力が加えられることで単斜晶系になり、体積が増加する。そのため、クラックが発生し、正方晶系の金属酸化物層１４に力が加えられると、金属酸化物層１４は、正方晶系から単斜晶系になり体積が増加して、クラックの進行を止めることができる。したがって、ピークＰ（１１１）の強度がピークＰ（－２１１）の強度よりも大きくなる程度に正方晶系の金属酸化物層１４が存在していると、金属酸化物層１４にクラックが発生したとしてもクラックの進行を止めることができる。金属酸化物層１４の厚さＴを１５０ｎｍ以下とすると、金属酸化物層１４の結晶粒が緻密になる。そのため、正方晶系に帰属される結晶粒に隣接する単斜晶系に帰属される結晶粒の割合が増加し、クラックの発生を抑制しやすくなる。
３． 液体吐出ヘッド
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す分解斜視図である。図７は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す平面図である。図８は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図である。なお、図６～図８では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。また、図６および図８では、圧電素子２０を簡略化して図示している。
液体吐出ヘッド２００は、図６～図８に示すように、例えば、基板２と、圧電アクチュエーター１００と、ノズルプレート２２０と、保護基板２４０と、回路基板２５０と、コンプライアンス基板２６０と、を含む。なお、便宜上、図７では、回路基板２５０の図示を省略している。
基板２には、圧力発生室２１１が設けられている。圧力発生室２１１は、複数の隔壁２１２によって区画されている。圧力発生室２１１は、圧電素子２０により容積が変化する。
基板２の、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端には、第１連通路２１３および第２連通路２１４が設けられている。第１連通路２１３は、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端をＹ軸方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。第２連通路２１４のＹ軸方向の幅は、例えば、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅と同じである。第２連通路２１４の＋Ｘ軸方向には、複数の第２連通路２１４と連通する第３連通路２１５が設けられている。第３連通路２１５は、マニホールド２１６の一部を構成する。マニホールド２１６は、各圧力発生室２１１の共通の液室となる。このように、基板２には、第１連通路２１３、第２連通路２１４、および第３連通路２１５からなる供給流路２１７と、圧力発生室２１１とが設けられている。供給流路２１７は、圧力発生室２１１に連通し、圧力発生室２１１に液体を供給する。
ノズルプレート２２０は、基板２の一方側の面に設けられている。ノズルプレート２２０の材質は、例えば、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）である。ノズルプレート２２０は、例えば接着剤や熱溶着フィルムなどによって、基板２に接合されている。ノズルプレート２２０には、Ｙ軸に沿って複数のノズル孔２２２が設けられている。ノズル孔２２２は、圧力発生室２１１に連通し、液体を吐出する。振動板１０は、基板２の他方の面に設け
られている。
圧電素子２０は、複数設けられている。圧電素子２０の数は、特に限定されない。
液体吐出ヘッド２００では、電気機械変換特性を有する圧電体層２４の変形によって、振動板１０および第１電極２２が変位する。すなわち、液体吐出ヘッド２００では、振動板１０および第１電極２２が、実質的に振動板としての機能を有している。
第１電極２２は、圧力発生室２１１ごとに独立する個別電極として構成されている。第１電極２２のＹ軸方向の幅は、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅よりも狭い。第１電極２２のＸ軸方向の長さは、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。Ｘ軸方向において、第１電極２２の両端は、圧力発生室２１１の両端を挟んで位置する。第１電極２２の－Ｘ軸方向の端には、リード電極２０２が接続されている。
圧電体層２４のＹ軸方向の幅は、例えば、第１電極２２のＹ軸方向の幅よりも広い。圧電体層２４のＸ軸方向の長さは、例えば、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。第１電極２２の＋Ｘ軸方向の端は、例えば、圧電体層２４の＋Ｘ軸方向の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極２２の＋Ｘ軸方向の端は、圧電体層２４によって覆われている。一方、圧電体層２４の－Ｘ軸方向の端は、例えば、第１電極２２の－Ｘ軸方向側の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極２２の－Ｘ軸方向側の端は、圧電体層２４によって覆われていない。
第２電極２６は、例えば、圧電体層２４および振動板１０上に連続して設けられている。第２電極２６は、複数の圧電素子２０に共通する共通の電極として構成されている。
保護基板２４０は、接着剤２０３によって基板２に接合されている。保護基板２４０には、貫通孔２４２が設けられている。図示の例では、貫通孔２４２は、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通しており、第３連通路２１５と連通している。貫通孔２４２および第３連通路２１５は、各圧力発生室２１１の共通の液室となるマニホールド２１６を構成している。さらに、保護基板２４０には、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通する貫通孔２４４が設けられている。貫通孔２４４には、リード電極２０２の－Ｘ軸方向の端が位置している。
保護基板２４０には、開口部２４６が設けられている。開口部２４６は、圧電素子２０の駆動を阻害しないための空間である。開口部２４６は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。
回路基板２５０は、保護基板２４０上に設けられている。回路基板２５０には、圧電素子２０を駆動させるための半導体集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）を含む。回路基板２５０とリード電極２０２は、接続配線２０４を介して電気的に接続されている。
コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられている。コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられた封止層２６２と、封止層２６２上に設けられた固定板２６４と、を有している。封止層２６２は、マニホールド２１６を封止するための層である。封止層２６２は、例えば、可撓性を有する。固定板２６４には、貫通孔２６６が設けられている。貫通孔２６６は、固定板２６４をＺ軸方向に貫通している。貫通孔２６６は、Ｚ軸方向からみて、マニホールド２１６と重なる位置に設けられている。
４． プリンター
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図９は、
本実施形態に係るプリンター３００を模式的に示す斜視図である。
プリンター３００は、インクジェット式のプリンターである。プリンター３００は、図９に示すように、ヘッドユニット３１０を含む。ヘッドユニット３１０は、例えば、液体吐出ヘッド２００を有している。液体吐出ヘッド２００の数は、特に限定されない。ヘッドユニット３１０は、供給手段を構成するカートリッジ３１２，３１４が着脱可能に設けられている。ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、装置本体３２０に取り付けられたキャリッジ軸３２２に軸方向移動自在に設けられており、液体供給手段から供給された液体を吐出する。
ここで、液体とは、物質が液相であるときの状態の材料であればよく、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども液体に含まれる。液体の代表的な例としては、インクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは、一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。
プリンター３００では、駆動モーター３３０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３３２を介してキャリッジ３１６に伝達されることで、ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、キャリッジ軸３２２に沿って移動される。一方、装置本体３２０には、液体吐出ヘッド２００に対して、紙などの被記録媒体であるシートＳを相対移動させる搬送機構としての搬送ローラー３４０が設けられている。シートＳを搬送する搬送機構は、搬送ローラーに限られず、ベルトやドラムなどであってもよい。
プリンター３００は、液体吐出ヘッド２００および搬送ローラー３４０を制御する制御部としてのプリンターコントローラー３５０を含む。プリンターコントローラー３５０は、液体吐出ヘッド２００の回路基板２５０と電気的に接続されている。プリンターコントローラー３５０は、例えば、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および液体吐出ヘッド２００へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路などを備えている。
なお、圧電アクチュエーター１００は、液体吐出ヘッドおよびプリンターに限らず、広範囲な用途に用いることができる。圧電アクチュエーター１００は、例えば、超音波モーター、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、圧電スピーカー、圧電ポンプ、圧力－電気変換機器などに好適に用いられる。
５． 実験例
５．１． 試料の作製
シリコン基板を熱酸化して、ＳｉＯ２層を形成した。次に、スパッタ法により、ＳｉＯ２層上にＺｒ層を形成した。次に、８５０℃～１０００℃で焼成を行い、Ｚｒ層をＺｒＯ２層にした。図１０は、実験例で作製したＺｒＯ２層の構成を示す図である。
実験例１～５では、図１０に示すように、厚さの異なるＺｒＯ２層を１層形成した。なお、Ｚｒ層の厚さは、ＺｒＯ２層の目標の厚さを１．４４で除した値とした。例えば、実験例１では、ＺｒＯ２層の目標の厚さが５０ｎｍであるため、厚さ約３５ｎｍのＺｒ層を形成した。
実験例６～１１では、スパッタ法によるＺｒ層の形成、および焼成によるＺｒ層の酸化を繰り返すことにより、２層のＺｒＯ２層を形成した。実験例６～１１は、１層目または
２層目のＺｒＯ２層の厚さがそれぞれ異なる。
実験例１２では、スパッタ法によるＺｒ層の形成、および焼成によるＺｒ層の酸化を繰り返すことにより、３層のＺｒＯ２層を形成した。
実験例１３では、スパッタ法によるＺｒ層の形成、および焼成によるＺｒ層の酸化を繰り返すことにより、４層のＺｒＯ２層を形成した。
実験例１４では、スパッタ法によるＺｒ層の形成、および焼成によるＺｒ層の酸化により１層目のＺｒＯ２層を形成した後、液相法によって２層目のＺｒＯ２層を形成した。液相法では、Ｚｒと有機物との化合物を塗布した後、８５０℃～１０００℃で焼成した。
５．２． 環境変化に対する耐久評価
上記のように作製した試料において、環境変化に対する耐久評価を行った。具体的には、温度４５℃で湿度５％の乾燥環境に２４時間曝した試料、および温度４５℃で湿度９５％の高温高湿環境に２４時間曝した試料に対して、スクラッチ試験を行った。スクラッチ試験は、ＺｒＯ２層が剥がれるまで圧力を上げ、剥がれた圧力（ミリニュートン）をスクラッチ強度として記録した。スクラッチ試験は、ＲＨＥＳＣＡ社製の「ＣＲＳ５０００」を用いた。
図１０に、環境変化に対する耐久評価として、乾燥環境と高温高湿環境とにおけるスクラッチ強度の変化量の評価を示す。スクラッチ試験は、スクラッチする針の先端の曲率半径等のパラメーターにより、得られる値が変わるため、変化量を用いて、相対的に比較した。図１０に示した評価基準は、以下のとおりである。
Ａ：スクラッチ強度の変化量が３％未満
Ｂ：スクラッチ強度の変化量が３％以上１０％未満
Ｃ：スクラッチ強度の変化量が１０％以上
なお、「スクラッチ強度の変化量」＝（「乾燥環境のスクラッチ強度」－「高温高湿環境のスクラッチ強度」）／「乾燥環境のスクラッチ強度」×１００とした。
図１０に示すように、ＺｒＯ２層の１層の厚さが２００ｎｍ以上の試料は、ＺｒＯ２層の１層の厚さが２００ｎｍ未満の試料に比べて耐久評価が低い。ＺｒＯ２層の１層の厚さが２００ｎｍ未満の試料については、ＺｒＯ２層を積層させても耐久評価は、高い。これにより、ＺｒＯ２層の１層の厚さを２００ｎｍ未満とすることにより、ＺｒＯ２層が剥がれ難くなることがわかった。
２層目のＺｒＯ２層を液相法で形成した実験例１５は、厚さが１００ｎｍであるにも関わらず、耐久評価が「Ｃ」であった。ＳＥＭを用いて、２層目のＺｒＯ２層の断面を観察したところ、実験例１５の２層目のＺｒＯ２層は粒状結晶構造を有していた。これに対し、スパッタ法によるＺｒ層の形成および酸化によって形成されたＺｒＯ２層は、全て柱状結晶構造であった。これにより、柱状結晶構造のＺｒＯ２層は、粒状結晶構造のＺｒＯ２層よりも剥がれ難いことがわかった。
図１０において、耐久評価が「Ｃ」の試料では、ＺｒＯ２層は、ＺｒＯ２層とＳｉＯ２層との界面、またはＺｒＯ２層とＺｒＯ２層との界面が剥離しており、ＺｒＯ２層の表面やＺｒＯ２層の内部から砕けて壊れた破壊（脆性破壊）ではなかった。
また、スクラッチ試験を行う前に、試料を２４時間、７０℃～８０℃の重水に暴露した
後、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）分析を行った。その結果、耐久評価が「Ｃ」の試料では、ＺｒＯ２層とＳｉＯ２層との界面、およびＺｒＯ２層とＺｒＯ２層との界面の少なくとも一方に、重水の反応が見られた。これにより、ＺｒＯ２層の厚さを２００ｎｍ以下とし、かつ、Ｚｒ層を気相法で形成することにより、金属酸化物層と酸化シリコン層との間に隙間を生じさせ難くすることができ、金属酸化物層と酸化シリコン層との界面へ侵入する水分を低減できることがわかった。さらに、金属酸化物層と金属酸化物層との間に隙間を生じさせ難くすることができ、金属酸化物層と金属酸化物層との界面へ侵入する水分を低減できることがわかった。
５．３． ＸＲＤ測定
スクラッチ試験を行う前に、試料に対して、ＸＲＤ測定（Out of plane測定）を行った。ＸＲＤ測定では、Bruker社製の「D8 Discover with GADDS」を用いた。ＸＲＤ測定では、ＣｕのＫα線を用いた。ＸＲＤ測定において取り込み角度を、２Theta：２０°～５０°、Gamma：－９５°～－８５°とした。ＸＲＤの装置配置を、Frame angles：２Theta：３５°、Omega：１０°、Phi：０°、Chi：９０°とした。
ＸＲＤ測定は、実験例１，２，４，５，１１，１３に対して行った。図１１は、実験例１，２，４，５のＸＲＤ測定結果を示すグラフである。図１２は、実験例１１，１３のＸＲＤ測定結果を示すグラフである。
図１１および図１２に示すように、実験例１，２，４，５，１１，１３において、ＺｒＯ２層の（－１１１）面に帰属されるピークＰ（－１１１）、およびＺｒＯ２層の（－２１１）面に帰属されるピークＰ（－２１１）が確認された。図１０に、ピークＰ（－１１１）の強度に対するピークＰ（－２１１）の強度の比Ｒを示す。
図１０に示すように、強度の比Ｒが０．３６以下の試料は、強度の比Ｒが０．３６より大きい場合に比べて、耐久評価が良好であることがわかった。
図１１および図１２に示すように、実験例１，２において、ＺｒＯ２層の（１１１）面に帰属されるピークＰ（１１１）の強度は、ＺｒＯ２層の（－２１１）面に帰属されるピークＰ（－２１１）の強度よりも大きかった。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…基板、２ａ…上面、４…開口部、１０…振動板、１２…酸化シリコン層、１３…金属層、１４…金属酸化物層、１４ａ…下面、１４ｂ…上面、２０…圧電素子、２２…第１電極、２４…圧電体層、２６…第２電極、１００…圧電アクチュエーター、２００…液体吐出ヘッド、２０２…リード電極、２０３…接着剤、２０４…接続配線、２１１…圧力発生室、２１２…隔壁、２１３…第１連通路、２１４…第２連通路、２１５…第３連通路、２１６…マニホールド、２１７…供給流路、２２０…ノズルプレート、２２２…ノズル孔、２４０…保護基板、２４２，２４４…貫通孔、２４６…開口部、２５０…回路基板、２６０…コンプライアンス基板、２６２…封止層、２６４…固定板、２６６…貫通孔、３００…プリンター、３１０…ヘッドユニット、３１２，３１４…カートリッジ、３１６…キャ
リッジ、３２０…装置本体、３２２…キャリッジ軸、３３０…駆動モーター、３３２…タイミングベルト、３４０…搬送ローラー、３５０…プリンターコントローラー

Claims (9)

  1. 振動板と、
    前記振動板上に形成された第１電極と、
    前記第１電極上に形成された圧電体層と、
    前記圧電体層上に形成された第２電極と、を有する圧電アクチュエーターであって、
    前記振動板は、ジルコニウムを含む単一層からなる第１金属酸化物層と、ジルコニウムを含む単一層からなり、前記第１金属酸化物層に積層された第２金属酸化物層と、を含み、
    前記第１金属酸化物層は、結晶粒が柱状であり、かつ、結晶粒界が前記第１金属酸化物層の下面から上面まで連続する柱状結晶構造を有し、
    前記第２金属酸化物層は、結晶粒が柱状であり、かつ、結晶粒界が前記第２金属酸化物層の下面から上面まで連続する柱状結晶構造を有し、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層との間で、結晶粒界が横方向に互いにずれている、圧電アクチュエーター。
  2. 請求項１において、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層は、それぞれ厚さが２００ｎｍ未満である、圧電アクチュエーター。
  3. 請求項２において、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層は、それぞれ厚さが５０ｎｍ以上である、圧電アクチュエーター。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層は、それぞれ厚さが１５０ｎｍ以下である、圧電アクチュエーター。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層は、それぞれＸ線回折において、（－１
    １１）面に帰属されるピークの強度に対する（－２１１）面に帰属されるピークの強度の比が、０．３６以下となる、圧電アクチュエーター。
  6. 請求項５において、
    前記（－１１１）面に帰属されるピークの位置が、２８．１°以上２８．５°以下となり、
    前記（－２１１）面に帰属されるピークの位置が、４０．４°以上４１．４°以下となる、圧電アクチュエーター。
  7. 請求項５または６において、
    （１１１）面に帰属されるピークの強度は、前記（－２１１）面に帰属されるピークの強度よりも大きく、
    前記（１１１）面に帰属されるピークの位置が、２９．５°以上３０．５°以下となる、圧電アクチュエーター。
  8. 振動板を形成する工程と、
    前記振動板上に第１電極を形成する工程と、
    前記第１電極上に圧電体層を形成する工程と、
    前記圧電体層上に第２電極を形成する工程と、
    を含み、
    前記振動板を形成する工程は、
    気相法によってジルコニウムを含む金属層を形成する工程と、前記金属層を焼成して金属酸化物層を形成する工程と、を含む単一層形成工程を有し、
    前記単一層形成工程を繰り返し、第１金属酸化物層と、前記第１金属酸化物層に積層された第２金属酸化物層と、を含む前記振動板を形成し、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層との間で、結晶粒界が互いにずれている、圧電アクチュエーターの製造方法。
  9. 請求項８において、
    前記第１金属酸化物層と前記第２金属酸化物層は、それぞれ厚さが２００ｎｍ未満である、圧電アクチュエーターの製造方法。
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