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JP7423978B2 - 圧電素子、液体吐出ヘッド、およびプリンター - Google Patents

圧電素子、液体吐出ヘッド、およびプリンター Download PDF

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JP7423978B2 JP2019195074A JP2019195074A JP7423978B2 JP 7423978 B2 JP7423978 B2 JP 7423978B2 JP 2019195074 A JP2019195074 A JP 2019195074A JP 2019195074 A JP2019195074 A JP 2019195074A JP 7423978 B2 JP7423978 B2 JP 7423978B2
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Description

本発明は、圧電素子、液体吐出ヘッド、およびプリンターに関する。
環境負荷低減の観点から、鉛などの有害物質の使用を控えた非鉛系の圧電材料の開発が進められている。このような非鉛系の圧電材料としては、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３：ＫＮＮ）が有望視されている。
例えば特許文献１には、ニッケル酸ランタンからなる配向制御層を用いて、ＫＮＮからなる圧電体層を（１００）に優先配向させることが記載されている。
特開２０１１－１５５２７２号公報
しかしながら、特許文献１では、配向制御層であるニッケル酸ランタンが圧電体層中に拡散してしまう場合がある。これにより、圧電素子のリーク電流が増加する場合がある。そのため、ニッケル酸ランタンを配向制御層として用いることなく、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含む圧電体層の配向を制御することが求められている。
本発明に係る圧電素子の一態様は、
基体に設けられた第１電極と、
前記第１電極に設けられ、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電体層と、
前記圧電体層に設けられた第２電極と、
を含み、
前記第１電極は、白金層であり、
前記第１電極は、（１１１）優先配向し、
前記第１電極の平均結晶粒径は、２００ｎｍ以上である。
前記圧電素子の一態様において、
前記第１電極の表面粗さＲｑは、２．２０ｎｍ以上であってもよい。
前記圧電素子のいずれかの態様において、
前記基体は、酸化ジルコニウム層を含み、
前記第１電極は、前記酸化ジルコニウム層に設けられていてもよい。
本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、
前記圧電素子のいずれかの態様と、
液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
を含み、
前記基体は、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室が設けられた流路形成基板を有し、
前記ノズル孔は、前記圧力発生室に連通している。
本発明に係るプリンターの一態様は、
前記液体吐出ヘッドの一態様と、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む。
本実施形態に係る圧電素子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。 実施例１の第１電極のＳＥＭ像。 実施例２の第１電極のＳＥＭ像。 比較例１の第１電極のＳＥＭ像。 第１電極の成膜温度および平均結晶粒径、ならびに圧電体層の比Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）を示す表。 実施例１の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像。 実施例２の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像。 比較例１の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像。 第１電極の成膜温度と表面粗さＲｑとの関係を示すグラフ。 ψ＝０°におけるＸＲＤ測定結果。 ψ＝５４．７４°におけるＸＲＤ測定結果。
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、本実施形態に係る圧電素子１００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、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、を含む。圧電素子１００は、基体２上に設けられている。
基体２は、例えば、半導体、絶縁体などで形成された平板である。基体２は、単層であっても、複数の層が積層された積層体であってもよい。基体２は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、内部に空間などが形成された構造であってもよい。
図示の例では、基体２は、振動板２３０を有している。振動板２３０は、可撓性を有し、圧電体層２０の動作によって変形する。振動板２３０は、酸化シリコン層２３２と、酸化シリコン層２３２上に設けられた酸化ジルコニウム層２３４と、を有している。酸化シリコン層２３２は、例えば、ＳｉＯ２層である。酸化ジルコニウム層２３４は、例えば、ＺｒＯ２層である。
第１電極１０は、基体２に設けられている。図示の例では、第１電極１０は、基体２の酸化ジルコニウム層２３４上に設けられている。第１電極１０は、基体２と圧電体層２０との間に設けられている。第１電極１０の形状は、層状である。第１電極１０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第１電極１０は、白金層である。第１電極１０の材質は、白金である。
第１電極１０は、（１１１）優先配向している。ここで、「第１電極１０は（１１１）優先配向している」とは、ＸＲＤ（X‐ray diffraction）測定により得られるＸ線回折強度曲線において、第１電極１０に由来する全てのピーク強度の合計ＩＡＬＬに対する、第１電極１０の（１１１）面に由来するピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／ＩＡＬＬが０．７０以上であることをいう。
第１電極１０は、多結晶である。第１電極１０の平均結晶粒径は、２００ｎｍ以上であり、好ましくは２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第１電極１０の平均結晶粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によって得られた第１電極１０のＳＥＭ像から求めることができる。
第１電極１０の表面粗さＲｑは、例えば、２．２０ｎｍ以上であり、好ましくは２．３０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。「第１電極１０の表面粗さＲｑ」とは、第１電極１０の上面１２の二乗平均平方根である。第１電極１０の表面粗さＲｑは、上面１２を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）で測定することで求めることができる。
第１電極１０は、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極である。第１電極１０は、圧電体層２０の下に設けられた下部電極である。
圧電体層２０は、第１電極１０に設けられている。図示の例では、圧電体層２０は、第１電極１０上および基体２上に設けられている。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に設けられている。圧電体層２０の厚さは、例えば、２００ｎｍ以上２μｍ以下である。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０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２０は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびニオブ（Ｎｂ）を含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む。圧電体層２０は、例えば、ＫＮＮからなるＫＮＮ層である。圧電体層２０は、さらに、マンガン（Ｍｎ）を含んでいてもよい。すなわち、圧電体層２０は、マンガンが添加されたＫＮＮ層であってもよい。圧電体層２０がマンガンを含むことにより、圧電素子１００のリーク電流を低減することができる。このように、圧電体層２０は、カリウム、ナトリウム、ニオブ、および酸素（Ｏ）以外の添加物を含んでいてもよい。
圧電体層２０のピーク強度の比Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）は、例えば、１００以上である。なお、比「Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）」のＩ（１００）は、Ｘ線回折強度曲線において、圧電体層２０の（１００）面に由来するピーク強度からバックグラウンド強度を差し引いたものである。また、「比Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）」のＩ（１１１）は、Ｘ線回折強度曲線において、圧電体層２０の（１１１）面に由来するピーク強度からバックグラウンド強度を差し引いたものである。以下、「圧電体層２０の比Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）」を、「圧電体層２０の（１００）配向率」ともいう。
ここで、面方位に関しては、圧電体層２０の結晶構造を擬立方晶として取り扱う。これは、薄膜状の圧電体層２０の結晶構造を正確に同定することは困難であり、説明を簡略化するためである。ただし、面方位に関して圧電体層２０の結晶構造を擬立方晶として取り扱うことは、圧電体層２０の結晶構造が、例えば、正方晶、斜方晶、単斜晶、菱面体晶など、擬立方晶よりも対称性の低いＡＢＯ３構造であることを否定するものではない。
圧電素子１００では、圧電体層２０と第１電極１０との間に、酸化チタン層、チタン層、ニッケル酸ランタン層などの層（以下、「酸化チタン層等」ともいう）が設けられていない。圧電体層２０と第１電極１０との間に酸化チタン層等が設けられていると、圧電体層２０を結晶化させるための焼成によって、酸化チタン層等の成分が圧電体層２０に拡散し、圧電体層２０の（１００）配向率が低下する。
さらに、圧電素子１００では、第１電極１０と基体２との間に酸化チタン層等が設けられていない。第１電極１０と基体２との間に酸化チタン層等が設けられていると、圧電体層２０と第１電極１０との間に酸化チタン層等が設けられている場合と同様に、圧電体層２０の（１００）配向率が低下する。図示の例では、圧電体層２０は、第１電極１０と接し、第１電極１０は、基体２と接している。
第２電極３０は、圧電体層２０に設けられている。図示の例では、第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられている。なお、図示はしないが、第２電極３０は、第１電極１０と電気的に分離されていれば、さらに、圧電体層２０の側面および基体２上に設けられていてもよい。
第２電極３０の形状は、例えば、層状である。第２電極３０の厚さは、例えば、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極３０は、例えば、イリジウム層、白金層、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（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層などである。第２電極３０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３０は、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極である。第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられた上部電極である。
圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
圧電素子１００では、第１電極１０は、白金層であり、第１電極１０は、（１１１）優先配向し、第１電極１０の平均結晶粒径は、２００ｎｍ以上である。そのため、圧電素子１００では、後述する「５． 実施例および比較例」に示すように、第１電極の平均結晶粒径が２００ｎｍ未満である場合に比べて、圧電体層２０の（１００）配向率を高くすることができる。このように、圧電素子１００では、配向制御層を用いることなく、圧電体層２０の配向を制御することができる。
ここで、本発明者のこれまでの経験から、ＫＮＮ層の（１００）配向している部分は、ＫＮＮ層の（１００）配向していない部分（例えば（１１１）配向している部分）に比べて、クラックが発生し難いことがわかっている。圧電素子１００では、圧電体層２０の（１００）配向率が高いので、圧電体層２０にクラックが発生し難い。
圧電素子１００では、第１電極１０の表面粗さＲｑは、２．２０ｎｍ以上である。そのため、圧電素子１００では、後述する「５． 実施例および比較例」に示すように、第１電極の表面粗さＲｑが２．２０ｎｍ未満である場合に比べて、圧電体層２０の（１００）配向率を高くすることができる。
２． 圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、基体２を準備する。具体的には、シリコン基板を熱酸化することによって酸化シリコン層２３２を形成する。次に、酸化シリコン層２３２上にスパッタ法などによってジルコニウム層を形成し、該ジルコニウム層を熱酸化することによって酸化ジルコニウム層２３４を形成する。これにより、酸化シリコン層２３２および酸化ジルコニウム層２３４からなる振動板２３０を形成することができる。以上の工程により、基体２を準備することができる。
次に、基体２上に、第１電極１０を形成する。第１電極１０は、スパッタ法によって形成される。スパッタ法において、成膜温度は、３００℃以上５００℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下である。電圧は、例えば、直流で１００Ｗ以上２００Ｗ以下である。導入ガスは、例えば、アルコン（Ａｒ）ガスである。導入ガスの流量は、例えば、１０ｓｃｃｍ以上１００ｓｃｃｍ以下である。導入ガスの圧力は、例えば、０．１Ｐａ以上１．０Ｐａ以下である。次に、第１電極１０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。
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、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）などのＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法によって形成される。以下、圧電体層２０の形成方法について説明する。
まず、例えば、カリウムを含む金属錯体、ナトリウムを含む金属錯体、ニオブを含む金属錯体、およびマンガンを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解または分散させて前駆体溶液を調整する。
カリウムを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウムなどが挙げられる。ナトリウムを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウムなどが挙げられる。ニオブを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸ニオブ、ニオブエトキシド、ペンタエトキシニオブ、ペンタブトキシニオブなどが挙げられる。マンガンを含む金属錯体としては、例えば、２－エチルヘキサン酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。なお、２種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、カリウムを含む金属錯体として、２－エチルへキサン酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。
溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２－ｎブトキシエタノール、ｎ－オクタン、２－ｎエチルヘキサン、またはこれらの混合溶媒などが挙げられる。
次に、調整された前駆体溶液を、第１電極１０上に、スピンコート法などを用いて塗布して前駆体層を形成する。次に、前駆体層を、例えば１３０℃以上２５０℃以下で加熱して一定時間乾燥させ、さらに、乾燥した前駆体層を、例えば３００℃以上４５０℃以下で加熱して一定時間保持することによって脱脂する。次に、脱脂した前駆体層を、例えば５５０℃以上８００℃以下で焼成することによって結晶化させる。
そして、上記の前駆体溶液の塗布から前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返す。これにより、圧電体層２０を形成することができる。次に、圧電体層２０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。
前駆体層の乾燥および脱脂で用いられる加熱装置は、例えば、ホットプレートである。前駆体層の焼成で用いられる加熱装置は、赤外線ランプアニール装置（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置である。
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、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、第２電極３０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３０と圧電体層２０とを、同じ工程でパターニングしてもよい。
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
なお、圧電体層２０を形成する前に、第１電極１０の上面１２を、酸素プラズマアッシング装置によって、酸素プラズマアッシングしてもよい。これにより、上面１２に付着した炭素（Ｃ）などの不純物を除去することができ、圧電体層２０の（１００）配向率を高くすることができる。酸素プラズマアッシングの処理時間は、例えば、０．５分間以上であり、好ましくは０．５分間以上５分間以下である。
また、酸素プラズマアッシングの代わりに、ＵＶ（ultraviolet）ランプによって、第１電極１０の上面１２を、１７２ｎｍのＵＶで照射してもよい。ＵＶの照射時間は、例えば、５分間以上１５分間以下である。
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２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３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４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３のＩＶ－ＩＶ線断面図である。なお、図２～図４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２および図４では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
液体吐出ヘッド２００は、図２～図４に示すように、例えば、基体２と、圧電素子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。基体２は、流路形成基板２１０と、振動板２３０と、を有している。なお、便宜上、図３では、回路基板２５０の図示を省略している。
流路形成基板２１０は、例えば、シリコン基板である。流路形成基板２１０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１００により容積が変化する。
流路形成基板２１０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、流路形成基板２１０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、流路形成基板２１０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、流路形成基板２１０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２３０は、流路形成基板２１０の他方側の面に設けられている。振動板２３０は、例えば、流路形成基板２１０上に設けられた酸化シリコン層２３２と、酸化シリコン層２３２上に設けられた酸化ジルコニウム層２３４と、により構成されている。
圧電素子１００は、例えば、振動板２３０上に設けられている。圧電素子１００は、複数設けられている。圧電素子１００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２０の変形によって、振動板２３０および第１電極１０が変位する。すなわち、液体吐出ヘッド２００では、振動板２３０および第１電極１０が、実質的に振動板としての機能を有している。
第１電極１０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１０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１０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１０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１０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２０のＹ軸方向の幅は、例えば、第１電極１０のＹ軸方向の幅よりも広い。圧電体層２０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１０の＋Ｘ軸方向の端は、例えば、圧電体層２０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１０の＋Ｘ軸方向の端は、圧電体層２０によって覆われている。一方、圧電体層２０の－Ｘ軸方向の端は、例えば、第１電極１０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１０の－Ｘ軸方向側の端は、圧電体層２０によって覆われていない。
第２電極３０は、例えば、圧電体層２０および振動板２３０上に連続して設けられている。第２電極３０は、複数の圧電素子１００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によって流路形成基板２１０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１００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１００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５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５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、圧電素子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。圧電素子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－電気変換機器などの圧電アクチュエーターとして好適に用いられる。また、圧電素子１００は、例えば、超音波検出器、角速度センサー、加速度センサー、振動センサー、傾きセンサー、圧力センサー、衝突センサー、人感センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、熱検知センサー、焦電センサー、圧電センサーなどの圧電方式のセンサー素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシターなどの強誘電体素子として好適に用いられる。また、圧電素子１００は、波長変換器、光導波路、光路変調器、屈折率制御素子、電子シャッター機構などの電圧制御型の光学素子として好適に用いられる。
５． 実施例および比較例
５．１． 試料の作製
５．１．１． 実施例１
実施例１では、６インチのシリコン基板を熱酸化することで、シリコン基板上に酸化シリコン層を形成した。次に、スパッタ法により、酸化シリコン層上にジルコニウム層を形成し、熱酸化させることで酸化ジルコニウム層を形成した。
次に、スパッタ法により、酸化ジルコニア層上に第１電極として厚さ５０ｎｍの白金層を形成した。スパッタ法では、成膜温度を４５０℃、電圧を直流で１５０Ｗ、Ａｒガスの流量を４０ｓｃｃｍ、Ａｒガスの圧力を０．４Ｐａとした。
次に、以下の手順で、第１電極上に圧電体層を形成した。
２－エチルヘキサン酸カリウム、２－エチルヘキサン酸ナトリウム、２－エチルヘキサン酸ニオブ、２－エチルヘキサン酸マンガンからなる前駆体溶液を、（Ｋ０．４Ｎａ０．６）（Ｎｂ０．９９５Ｍｎ０．００５）Ｏ３となるように調合した。次に、前駆体溶液をスピンコート法により第１電極上に塗布した。その後、１８０℃で乾燥、３５０℃で脱脂を行い、ＲＴＡ装置を用いて７５０℃で３分間、加熱処理を行った。
上記の工程を３回繰り返し、厚さ２５０ｎｍの圧電体層を形成した。
５．１．２． 実施例２
実施例２では、第１電極を形成する際のスパッタ法における成膜温度を３５０℃としたこと以外は、実施例１と同様に作製した。
５．１．３． 比較例１
比較例１では、第１電極を形成する際のスパッタ法における成膜温度を２５０℃としたこと以外は、実施例１と同様に作製した。
５．２． ＳＥＭ観察
実施例１，２および比較例１において、圧電体層を形成する前の第１電極の表面に対してＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察は、ＺＥＩＳＳ社製の「ＵＬＴＲＡ５５」を用いた。加速電圧：１ｋＶ、絞り径：３０μｍとした。
図６は、実施例１の第１電極のＳＥＭ像である。図７は、実施例２の第１電極のＳＥＭ像である。図８は、比較例１の第１電極のＳＥＭ像である。
図６～図８のＳＥＭ像から第１電極の平均結晶粒径を算出した。以下に、第１電極の平均結晶粒径の算出方法を説明する。
平面的に形成された第１電極をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した。このとき第１電極の略鉛直上方から観察した。すなわち、第１電極を平面視した。そして、２０００ｎｍ×２０００ｎｍ角の視野を無作為に選び、平均粒径の測定に用いる視野とした。この視野内を結晶粒の輪郭が観察できる程度の解像度（分解能）で画像（データ）を取得した。なお、一般に、結晶粒と結晶粒界とでは、二次電子放出効率が異なるので、結晶粒を観測しながら適宜の倍率でデータを取得することができる。また、結晶粒界が観測しにくい場合には、第１電極の結晶粒を損なわない程度に、例えばエッチングしたり研磨したりして観察してもよい。次に、得られた２０００ｎｍ×２０００ｎｍ角の画像内に完全に収まった結晶粒を５個以上無作為に選択した。画像内に完全に収まった結晶粒が１個以上４個以下であっても平均粒径の算出は行うことができる。また、画像内に完全に収まった結晶粒が１つもない（０個）場合は、平均をとることなく、平均粒径が１０００ｎｍであるとみなした。選択された各結晶粒について、最大差し渡し長さをそれぞれ測定した。最大差し渡しとは、結晶粒の輪郭を確定し、当該輪郭からはみ出すことなく、内側で描くことができる最長の直線線分の長さと定義する。そして、得られた各結晶粒の最大差し渡し長さの平均値を、第１電極の結晶粒の平均粒径とした。
図９は、第１電極の平均結晶粒径を示す表である。図９より、第１電極を形成する際のスパッタ法における成膜温度が高いほど、第１電極の結晶粒径が大きくなることがわかった。
５．３． ＡＦＭ観察
実施例１，２および比較例１において、圧電体層を形成する前の第１電極の表面に対してＡＦＭ観察を行った。ＡＦＭ観察は、デジタルインスツルメンツ社製の「ＮａｎｏｓｃｏｐｅＩＩＩ」を用いた。
図１０は、実施例１の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像である。図１１は、実施例２の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像である。図１２は、比較例１の第１電極のＡＦＭトポグラフィー像である。図１０～図１２のＡＦＭトポグラフィー像の視野は、１μｍ×１μｍである。
図１０～図１２のＡＦＭトポグラフィー像から第１電極の表面粗さＲｑを算出した。図９に、第１電極の表面粗さＲｑを示す。また、図１３は、第１電極を形成する際のスパッタ法における成膜温度と、第１電極の表面粗さＲｑと、の関係を示すグラフである。
図９および図１３より、第１電極を形成する際のスパッタ法における成膜温度が高いほど、第１電極の表面粗さＲｑが大きくなることがわかった。
５．４． ＸＲＤ測定
実施例１，２および比較例１において、第１電極上に設けられた圧電体層に対して、ＸＲＤ測定を行った。ＸＲＤ測定は、Ｂｒｕｋｅｒ社製の「Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳ」を用いた。管電圧：５０ｋＶ、管電流：１００ｍＡ、検出器距離：１５ｃｍ、コリメーター径：０．３ｍｍで、ψ＝０°および５４．７４°における２次元データを測定した。ψ＝０°では測定時間を２４０ｓｅｃとし、ψ＝５４．７４°では測定時間を４８０ｓｅｃとした。得られた２次元データを付属のソフトで２θ範囲：２０°～５０°、χ範囲：－１００°～－８０°、ステップ幅：０．０２°、強度規格化法：Ｂｉｎ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄとして、Ｘ線回折強度曲線に変換した。
図１４は、ψ＝０°におけるＸＲＤ測定結果である。図１５は、ψ＝５４．７４°におけるＸＲＤ測定結果である。ψ＝０°におけるＸＲＤ測定によって、圧電体層の（１００）面に由来するピークを確認することができる。ψ＝５４．７４°におけるＸＲＤ測定によって、圧電体層の（１１１）面に由来するピークを確認することができる。
図９に、圧電体層のＩ（１００）、Ｉ（１１１）、および比Ｉ（１００）／Ｉ（１１１）を示す。なお、図９において、「Ｉ（１００）」は、図１４で測定された圧電体層の（１００）面に由来するピーク強度から、バックグラウンド強度として「５５」を差し引いた値である。また、「Ｉ（１１１）」は、図１５で測定された圧電体層の（１１１）面に由来するピーク強度から、バックグラウンド強度として「２００」を差し引いた値である。
図９に示すように、第１電極の平均結晶粒径が２００μｍ以上である実施例１，２は、第１電極の平均結晶粒径が２００μｍ未満である比較例１に比べて、圧電体層のＩ（１００）／Ｉ（１１１）強度が高かった。これにより、第１電極の平均結晶粒径を２００μｍ以上とすることにより、圧電体層の（１００）配向率を高くできることがわかった。
さらに、図９に示すように、第１電極の表面粗さＲｑが２．２０ｎｍ以上である実施例１，２は、第１電極の表面粗さＲｑが２．２０ｎｍ未満である比較例１に比べて、圧電体層のＩ（１００）／Ｉ（１１１）強度が高かった。
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…基体、１０…第１電極、１２…上面、２０…圧電体層、３０…第２電極、１００…圧電素子、２００…液体吐出ヘッド、２０２…リード電極、２０３…接着剤、２０４…接続配線、２１０…流路形成基板、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、２３０…振動板、２３２…酸化シリコン層、２３４…酸化ジルコニウム層、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 (4)

  1. 基体に設けられた第１電極と、
    前記第１電極に設けられ、カリウム、ナトリウム、およびニオブを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を含む圧電体層と、
    前記圧電体層に設けられた第２電極と、を含み、
    前記第１電極は、白金層であり、前記第１電極は、（１１１）優先配向し、前記第１電極の平均結晶粒径は、２００ｎｍ以上であって、前記第１電極の表面粗さＲｑは、２．２０ｎｍ以上である、
    圧電素子。
  2. 請求項１に従属する圧電素子であって、
    前記基体は、酸化ジルコニウム層を含み、
    前記第１電極は、前記酸化ジルコニウム層に設けられている、
    圧電素子。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の圧電素子と、
    液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
    を含み、
    前記基体は、前記圧電素子により容積が変化する圧力発生室が設けられた流路形成基板を有し、
    前記ノズル孔は、前記圧力発生室に連通している、
    液体吐出ヘッド。
  4. 請求項３に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
    前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、を含む、
    プリンター。
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