圧電素子、液滴吐出ヘッド、および液滴吐出装置
【課題】圧電体を挟む２つの電極および圧電体層の結晶性の関係が良好な圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電素子は、第１電極２０と、第２電極４０と、第１電極２０および第２電極４０の間に挟持された圧電体層３０と、を含む圧電素子であって、第１電極２０および圧電体層３０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、第２電極４０は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、それぞれ優先配向構造を有し、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、式（１）：ｆ１＞ｆ２＞ｆ３
の関係を満たす。
【解決手段】圧電素子は、第１電極２０と、第２電極４０と、第１電極２０および第２電極４０の間に挟持された圧電体層３０と、を含む圧電素子であって、第１電極２０および圧電体層３０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、第２電極４０は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、それぞれ優先配向構造を有し、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、式（１）：ｆ１＞ｆ２＞ｆ３
の関係を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液滴吐出ヘッド、および液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を２つの電極によって挟んだ構造を有する圧電素子は、例えば、各種のアクチュエーターに利用されている。圧電アクチュエーターとしては、例えば、振動板などの可動部材が撓み振動モードによって駆動される型式のものがある。このような圧電アクチュエーターは、例えば、インク滴を吐出するノズル孔と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板を圧電素子により駆動して圧力発生室内に導入されたインクを加圧し、ノズル孔からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等に利用されている。
【０００３】
一方、圧電体としては、結晶化されたセラミックスが用いられることが多く、セラミックスの結晶構造や結晶性が、圧電素子の性能を左右する要素の一つとなっている。例えば特許文献１には、下部電極層と上部電極層とに挟まれた誘電体層を有する誘電体素子において、下部電極の結晶性と誘電体層の結晶性が特定の関係にあるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、圧電素子の特性が、少なくとも、圧電体からなる圧電体層およびこれを挟持する２つの電極の３つの部材のそれぞれの結晶性や結晶構造に依存することは、容易に予想できる。また、圧電素子の特性に直接的に影響を与える因子の一つが、圧電体の結晶性や結晶構造にあることは自明であろう。
【０００６】
発明者による検討の結果、例えば特許文献１のように、圧電体を挟む２つの電極のうち、片方の電極および圧電体層の結晶性の関係を特定の関係に設計するだけでは必ずしも高性能な圧電素子は得られないことが判明した。また、発明者の検討の結果、特許文献１に開示された内容とは逆に、圧電体層の結晶性が、これを挟持する電極の結晶性よりも良好であるほうが、圧電素子の特性が向上することが分かってきた。そして、圧電体からなる圧電体層およびこれを挟持する２つの電極の３つの部材のそれぞれの結晶性や結晶構造が特定の関係にあるときに、優れた性能を有する圧電素子となることが分かってきた。
【０００７】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、圧電体を挟む２つの電極および圧電体層の結晶性の関係が良好な圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に挟持された圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第１電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、
前記第２電極は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極は、それぞれ優先配向構造を有し、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
本適用例の圧電素子は、第１電極、圧電体層および第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、上記式（１）の関係を満たしている。そのため、第１電極側から、圧電体層および第２電極の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上している。
【００１１】
これにより、本適用例の圧電素子は、例えば、圧電体層の結晶性や結晶構造を非常に良好にすることができ、例えば、リーク電流、および変位量の低下を長期間にわたって抑制することができる。
【００１２】
また、本適用例の圧電素子は、これを製造する際に、各電極と圧電体層との格子のミスマッチを選択することができる。そのため、圧電素子が配置される基体の態様にかかわらず、第１電極が接する基体を自由に選択することができる。さらに、本適用例の圧電素子は、面心立方晶以外の構造を有するあらゆる基体上で、第１電極、圧電体層および第２電極の逆格子マップによるピークの半値幅が上記式（１）の関係を満たす圧電素子となっている。
【００１３】
なお、本明細書において、優先配向という文言は、薄膜状、層状あるいは平板状の部材において、当該部材を構成する物質の結晶の特定の面が、当該部材の平面に、他の面よりも高い頻度で、平行に配置されていることを指す。
【００１４】
［適用例２］
適用例１において、
前記第１電極は、ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００１５】
本適用例の圧電素子は、圧電体層の圧電体の結晶配向がさらに良好となっている。そのため、本適用例の圧電素子は良好な圧電特性を有する。
【００１６】
［適用例３］
適用例１または適用例２において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００１７】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としている。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が高く優れた圧電性能を有している。
【００１８】
［適用例４］
適用例３において、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である、圧電素子。
【００１９】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としており、しかも、当該酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が非常に高く特に漏れ電流が低いという優れた特性を有している。
【００２０】
［適用例５］
適用例３または適用例４において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である、圧電素子。
【００２１】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としており、しかも、当該酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が非常に高く優れた圧電性能を有している。
【００２２】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、
前記第２電極は、ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方を主成分とし、
前記ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有し、
前記第２電極は、（１１１）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００２３】
本適用例の圧電素子は、第２電極が、ＰｔまたはＩｒの少なくとも一方を主成分とし、該ＰｔまたはＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有する、そして、第２電極が、（１１１）優先配向構造を有する。そのため、本適用例の圧電素子は、圧電体層の結晶性や結晶構造の質がさらに向上し、電気機械変換効率が非常に高く優れた圧電性能を有している。
【００２４】
［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれか一例において、
前記ｆ１および前記ｆ２は、（２００）ピークの半値幅であり、
前記ｆ３は、（１１１）ピークの半値幅である、圧電素子。
【００２５】
本適用例の圧電素子は、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００２６】
［適用例８］
適用例１ないし適用例７のいずれか一例において、
前記優先配向構造は、８０％以上の優先配向度である、圧電素子。
【００２７】
本適用例の圧電素子は、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００２８】
［適用例９］
適用例１ないし適用例８のいずれか一例において、
ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たす、圧電素子。
【００２９】
本適用例の圧電素子は、ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たすため、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００３０】
［適用例１０］
適用例１ないし適用例９のいずれか一例に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
【００３１】
本適用例の液滴吐出ヘッドは、上記適用例のいずれか一例の圧電素子を含んでいる。そのため、本適用例の液滴吐出ヘッドは、例えば漏れ電流が小さく、耐久性に優れた液滴吐出ヘッドである。
【００３２】
［適用例１１］
適用例１０に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
【００３３】
本適用例の液滴吐出装置は、上記適用例の液滴吐出ヘッドを含んでいる。そのため本適用例の液滴吐出装置は、例えば漏れ電流が小さく、耐久性に優れた液滴吐出装置である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の圧電素子の断面の模式図。
【図２】実施形態の圧電素子のＸ線回折強度測定結果の一例を示すチャート。
【図３】実施形態の液滴吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図４】実施形態の液滴吐出装置を模式的に示す斜視図。
【図５】実験例および参考例の圧電素子のＸ線回折強度ピークの半値幅のプロット。
【図６】実験例および参考例の圧電素子のＸ線回折強度ピークの半値幅のプロット。
【図７】実験例および参考例の圧電素子のヒステリシスループ。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に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。なお以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。そのため、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で実施される各種の変形例も含む。なお、下記の実施形態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。また、ここでは説明の便宜のために、単純な例を示すのであり、本実施形態の圧電素子の構造は、ここで示す構造に限定されるものではない。
【００３６】
１．圧電素子
図１は、本実施形態にかかる圧電素子１００の断面の模式図である。図１において、圧電素子１００は、基体１０の上に形成されている。本実施形態にかかる圧電素子１００は、第１電極２０と、第２電極４０と、圧電体層３０と、を含む。
【００３７】
１．１．基体
圧電素子１００は、例えば、図１に示すような基体１０の表面に形成される。基体１０は、導体、半導体または絶縁体で形成されることができる。基体１０は、例えば平板状の部材とすることができ、この場合、基体１０は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。図１の例では、基板１および基板１の主面に形成された導電層２を合わせて基体１０となっている。
【００３８】
本実施形態では、基板１は、平板状の形状を有している。基板１の内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。また、例えば、後述する液滴吐出ヘッドのように、基板１に圧力室等の空洞が形成され、ノズル板が接続されているような場合においては、基板１やノズル板を含む複数の構成をまとめて一つの基板１とみなしてもよい。
【００３９】
また、基板１は、可撓性を有してもよく、圧電体層３０（圧電素子１００）の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）であってもよい。この場合は、圧電素子１００によって振動板が駆動される圧電アクチュエーターとなることができる。基板１が振動板である場合は、基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機酸化物、無機窒化物、およびステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、基板１（振動板）の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。この場合においても基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
【００４０】
さらに、基板１は、シリコン基板や水晶基板であってもよい。この場合、基板１を例えば音叉型に形成し、圧電素子１００によって励振、または、圧電素子１００によって振動を検出するタイミングデバイスを構成することができる。また、この場合、超音波発振器等の超音波デバイス、超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基板１に加わる応力や基板１の変形を圧電素子１００によって検出するような圧力センサー等の圧電デバイスを構成することができる。
【００４１】
本実施形態では、基板１の主面に導電層２が形成されている。導電層２は、必要に応じて形成されることができる。導電層２は、例えば、第１電極２０の導電性を補助するために形成されてもよい。また、導電層２は、複数の圧電素子１００の第１電極３０を電気的に接続するために形成されてもよい。図示の例では、導電層２は、第１電極３０と同様の形状にパターニングされているが、他の形状にパターニングされていてもよい。
【００４２】
導電層２を形成する場合には、導電層２は、例えば、金属または合金によって形成されることが好ましい。導電層２が形成される場合、当該金属または当該合金としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）およびこれらの金属を含む合金が挙げられる。導電層２がこのような材質で形成されると、第１電極２０の導電性をさらに十分に補助させることができる。また、導電層２がこのような材質で形成されると、第１電極２０の結晶の配向度をより高めることができる。
【００４３】
導電層２は、積層構造であってもよい。例えば、上述した金属の層が複数層積層していてもよいし、上述した合金の層が複数層積層していてもよいし、上述した金属の層および上述した合金の層が、規則的または交互に、あるいはランダムに積層していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。また、図示の例では、導電層２は、１層となっているように描いているが、酸素バリア、水分バリア、密着性付与などの他の機能を有する層（例えば、窒化物、酸化物、酸化窒化物の層または薄膜（アイランド状を含む））が積層されていてもよい。
【００４４】
１．２．第１電極
第１電極２０は、第２電極４０と対になって、圧電体層３０を挟んで設けられる。第１電極２０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第１電極２０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。第１電極２０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第１電極２０の導電性が不足したり、圧電体層３０の材料の結晶性や結晶の配向が所望のものとならない場合がある。また、第１電極２０が、６０ｎｍよりも大きいと、圧電素子１００の変位を拘束してしまう場合がある。また、第１電極２０を、平面的に見たときの形状については、第２電極４０との間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。また、圧電素子１００を平面的に見たときに、第１電極２０および第２電極４０は、オーバーラップする領域を有している。第１電極２０の機能の一つとしては、圧電体層３０に電界を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層３０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。
【００４５】
第１電極２０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分として形成され導電性を有する。第１電極２０に用いられるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物としては、例えば、化学組成が、一般式ＭＡＭＢＯ３（式中ＭＡで表される元素が酸素を１２配位し、ＭＢで表される元素が酸素を６配位する）で表される酸化物が挙げられる。
【００４６】
このような酸化物の具体例としては、一般式ＭＡＭＢＯ３において、ＭＡの元素として、Ｌａ（ランタン）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｎａ（ナトリウム）およびＢｉ（ビスマス）からなる群より選択される少なくとも１種、ＭＢの元素として、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択される少なくとも１種である化合物を挙げることができる。
【００４７】
これらのうち第１電極２０に主成分として用いられる酸化物として、より好ましくはＬａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、およびＳｎからなる群より選択される少なくとも１種を含む酸化物を挙げることができる。さらに、特に、導電性、結晶性や結晶構造の優れた酸化物の例として、ランタンおよびニッケルを含む酸化物が挙げられ、より具体的にはＬａＮｉＯ３を挙げることができる。第１電極２０がランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分として形成されると、圧電体層３０の圧電体の結晶配向をさらに良好とすることができ、前述の式（１）の関係を満足しやすくなる。
【００４８】
第１電極２０の主成分となる酸化物は、自己配向性に優れている。すなわち、第１電極２０は、特定の面によって優先配向している。第１電極２０における優先配向構造は、優先配向度が８０％以上であることがより好ましい。上記好ましい例として挙げたランタンおよびニッケルを含む酸化物は、自己配向性に特に優れている。すなわち、ランタンおよびニッケルを含む酸化物は、第１電極２０として成膜される過程において、結晶構造を採る場合に、第１電極２０が展開される平面の法線方向に、結晶の＜１００＞方向が自発的に配向しやすい。すなわち、第１電極２０が展開される平面に（１００）面と等価な面を平行にして形成されやすい。
【００４９】
このような第１電極２０の自己配向性により、第１電極２０に隣接して形成される圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の酸化物の結晶の配向を引き継いで、圧電体層３０の法線方向に対して、圧電体層３０を構成する材料の結晶を、特定の面によって優先配向しやすくするという効果を発現させることができる。
【００５０】
本実施形態の圧電素子１００では、第１電極２０および圧電体層３０は、ともにペロブスカイト型の結晶構造を採りうる材質で構成される。そして、各々の層の法線方向に、結晶の＜１００＞方向が配向しやすくなっている。すなわち、第１電極２０および圧電体層３０は、（１００）面と等価な面を、第１電極２０および圧電体層３０と平行にして配置されやすくなっている。このような配向における結晶の軸方向は、第１電極２０および圧電体層３０の材料を適宜選択することによって、＜１００＞方向だけでなく、例えば、＜１１０＞方向や、＜１１１＞方向などとすることもできる。また、このような結晶軸の配向は、圧電素子１００の用途によっても適宜選択されることができる。すなわち、圧電体層３０の結晶の配向と、第１電極２０および第２電極４０によって印加される電界の方向の組合せから、圧電素子１００の変位のモードや方向を選択することができ、また、圧電素子１００を強誘電体メモリのキャパシタとして用いる場合のように、その用途によって素子としての性能が高まる配向とするように、適宜調節することができる。
【００５１】
第１電極２０は、積層構造であってもよい。例えば、互いに異なる組成のペロブスカイト型の結晶構造をとる酸化物の層の複数が、規則的または交互に、あるいはランダムに積層していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。
【００５２】
第１電極２０は、これを構成する物質が、基体１０および圧電体層３０の少なくとも一方に拡散、または基体１０および圧電体層３０の少なくとも一方を構成する物質と相互に拡散する場合があり、顕微鏡等によって観察した場合に、基体１０や圧電体層３０との間に明確な境界が見られない場合がある。このような場合には、元素組成のマッピングや、デプスプロファイル等を観測することによって、基体１０や圧電体層３０との間の境界を見積もることができる。
【００５３】
第１電極２０は、適宜パターニングされることができる。図示の例では、第１電極２０は、第１電極２０の側面と圧電体層３０の側面とが一致するようにパターニングされているがこの限りでない。第１電極２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により形成することができる。そして必要に応じて、フォトリソグラフィ法等によって、パターニングされることができる。なお、第１電極２０は、印刷、インプリンティングなどの方法で形成することもでき、この場合は、基体１０に直接、第１電極２０を形成することができる。
【００５４】
１．３．圧電体層
圧電体層３０は、図１に示すように、第１電極２０および第２電極４０の間に挟持される。圧電体層３０と、第１電極２０および第２電極４０との間には、それぞれ他の層が形成されてもよい。この場合の他の層としては、例えばチタン層などが挙げられる。
【００５５】
図１の例では、圧電体層３０は、第１電極２０および第２電極４０に接して設けられている、圧電体層３０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることができる。圧電体層３０の厚みがこの範囲を外れると、十分な変形（電気機械変換）が得られなくなる場合がある。また、圧電体層３０のより好ましい厚みとしては、１０００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。圧電体層３０の厚みが、このような範囲内であると、圧電素子１００の変位量を十分大きくとることができるとともに、薄膜化に寄与することができる。
【００５６】
圧電体層３０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分として形成され圧電性を有する。第１電極２０に用いられるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物としては、例えば、化学組成が、一般式ＭＣＭＤＯ３（式中ＭＣで表される元素が酸素を１２配位し、ＭＤで表される元素が酸素を６配位する）で表される酸化物が挙げられる。圧電体層３０の主成分となる酸化物は、圧電性を有するものであるかぎり特に限定されないが、例えば、一般式ＭＣＭＤＯ３において、ＭＣが、Ｐｂ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、およびＢｉからなる群より選択される少なくとも１種であり、ＭＤが、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎａ、ＴａおよびＬａからなる群より選択される少なくとも１種である酸化物が好ましい。
【００５７】
これらのうち、圧電体層３０の材質としてより好ましくは、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とすることが好適である。圧電体層３０の主成分として好適な酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下これを「ＰＺＴ」と略記することがある）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）（以下これを「ＰＺＴＮ」と略記することがある。）などが挙げられる。
【００５８】
このような酸化物は、いずれも式中、ＭＣサイトの酸化物とＭＤサイトの酸化物の固溶体を形成することができる。そして、このような複合酸化物は、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。このような酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。これにより、圧電体層３０は、第１電極２０および第２電極４０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）。圧電素子１００が圧電体層３０の変形によって変形するため、例えば、圧電素子１００を含むアクチュエーターを構成すると、アクチュエーターの可動部を変形させたり（たわませたり）、振動させたりすることができる。
【００５９】
圧電体層３０は、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の結晶配向の影響を受ける場合がある。また、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の、結晶粒の大きさや、質などの結晶性を引き継ぐ場合がある。このような現象を利用すれば、圧電体層３０の材料の結晶構造や結晶性を制御することができる。
【００６０】
例えば、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の結晶の配向が、層の法線方向に、結晶の＜１００＞方向を向いている場合（（１００）優先配向）に、圧電体層３０の結晶の軸方向が、＜１００＞方向に向きやすくなっている（（１００）優先配向）。圧電体層３０における優先配向構造は、優先配向度が８０％以上であることがより好ましい。また、このような結晶の配向は、圧電素子１００の用途によっても適宜選択されることができる。すなわち、圧電体層３０の結晶の配向と、第１電極２０および第２電極４０によって印加される電界の方向の組合せから、圧電素子１００の変位のモードや方向を選択することができ、また、圧電素子１００を強誘電体メモリのキャパシタとして用いる場合のように、その用途によって素子としての性能が高まる配向とするように、適宜調節することができる。
【００６１】
圧電体層３０は、積層構造であってもよい。例えば、互いに異なる組成の圧電体の層や、同一の組成の圧電体の層が、複数層積層していてもよい。また、圧電体層３０には、厚みの方向に組成が傾斜していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。
【００６２】
圧電体層３０は、これを構成する物質が、第１電極２０および第２電極４０の少なくとも一方に拡散、または第１電極２０および第２電極４０の少なくとも一方を構成する物質と相互に拡散する場合があり、顕微鏡等によって観察した場合に、第１電極２０および第２電極４０との間に明確な境界が見られない場合がある。このような場合には、元素組成のマッピングや、デプスプロファイル等を観測することによって、第１電極２０および第２電極４０との間の境界を見積もることができる。
【００６３】
１．４．第２電極
第２電極４０は、図１に示すように、第１電極２０と対になって圧電体層３０を挟持する。第２電極４０は、全体が第１電極２０と対向していてもよいし、一部が第１電極２０に対向していてもよい。第２電極４０の形状は、第１電極２０と対向できるかぎり限定されないが、圧電素子１００を薄膜状、層状あるいは板状にする場合には、同様に薄膜状、層状あるいは板状の形状が好ましい。この場合の第２電極４０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２電極４０の平面的な形状についても、第１電極２０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。第２電極４０の機能の一つとしては、圧電体層３０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層３０の上に形成された上部電極）となることが挙げられる。
【００６４】
第２電極４０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）、およびそれらの合金などを例示することができる。第１電極２０は、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。さらに、第２電極４０は、構成および材質を、上述の第１電極２０と同様としてもよい。また、第２電極４０は、白金およびイリジウムの少なくとも一方を主成分とすることが特に好ましい。そしてこの場合には、白金およびイリジウムの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有することが好ましく、当該結晶の（１１１）面が優先配向していることが特に好ましい。第２電極４０が、このような構造を有すると、圧電体層３０の結晶性や結晶構造の質をさらに向上させることができる。
【００６５】
図１では、第１電極２０と第２電極４０とが平面的に同じ形状で形成された例を示しているが、第２電極４０のほうが第１電極２０よりも平面的に大きく形成されてもよい。この場合は、第２電極４０は、圧電体層３０の側面に形成されてもよく、第２電極４０に、水分や水素等から圧電体層３０を保護する機能を兼ねさせることができる。なお、第１電極２０および第２電極４０の一方が他方よりも大きく形成された場合、当該大きく形成された電極を、複数の圧電素子の共通電極としてもよい。
【００６６】
１．５．第１電極、圧電体層および第２電極の結晶性
第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、上記のようにそれぞれ、構成する材料の特定の面によって優先配向している。したがって第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、優先配向の軸においてＸ線回折強度測定を行うことができる。ここでいうＸ線回折強度測定は、市販の装置で行うことができ、例えば、２θ／θスキャン、ロッキングカーブ、χ−スキャン、逆格子マップ測定などを行うことができる。
【００６７】
図２は、第１電極２０にＬＮＯを用い、圧電体層３０にＰＺＴを用い、第２電極４０に金属イリジウムを用いた圧電素子のＸ線回折強度測定結果の一例である。図２に示すように、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、同時にＸ線回折強度測定を行うことができ、各層の材料に由来するピークを検出することができる。例えば、図示のように、基体１０に形成された圧電素子１００に対して、２θ／θスキャンのＸ線回折強度測定を行うと、第１電極２０に含まれる酸化物に由来する（１００）面、（２００）面などのピーク、圧電体層３０の酸化物に由来する（１００）面、（２００）面などのピーク、および第２電極４０の金属等に由来する（１１１）面などのピークを観測することができる。また、この場合、適宜な関数を用いてフィッティングを行って、ピーク分離等を行い、所望のピークを検出してもよい。その際に用いる関数およびフィッティング手法は、一般的なものを用いることができ特に限定されない。関数としては、例えば、ガウス関数、ローレンツ関数、および、擬ヴォイト関数、並びに、これらの関数や他の関数の複数を組み合わせた関数などを用いることができる。図２には、擬ヴォイト関数によって、最小二乗法にてフィッティングした例を示している。
【００６８】
得られる測定結果のチャートにおいて、各ピークは、いずれもそれぞれの結晶が属する部材に対して、優先配向した構造を有しているため、特定の大きさの幅を有している。Ｘ線回折強度測定のピークにおける幅は、一般に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性、および測定装置の条件によって変化する。したがって、測定装置の条件を一定とした場合には、ピークの幅は、結晶の質および結晶の配置（結晶性）に起因して変化する。また、本実施形態では、ピークは、ベースラインからピークの頂点までの距離（強度の差）の１／２の位置における幅（半値幅：ＦＷＨＭ（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ））によって特徴付けられる。
【００６９】
本実施形態では、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たしている。すなわち、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、構成する材料に由来するピークの半値幅が減少するように形成されている。このことは、構造上の違いとして、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上していることを示している。
【００７０】
第１電極２０の材質がＬＮＯを主成分とし、圧電体層３０の材質がＰＺＴを主成分とし、第２電極４０の材質がイリジウムを主成分としている場合、典型的には、ｆ１は、ＬＮＯの（２００）面のピークの半値幅、ｆ２は、ＰＺＴの（２００）面のピークの半値幅、ｆ３は、Ｉｒの（１１１）面のピークの半値幅とすることができる。しかし上記式（１）の関係には、他の面（それぞれのより高次の面または低次の面）のピークの半値幅を用いてもよく、例えば、ｆ１にＬＮＯの（１００）面のピークの半値幅、ｆ２にＰＺＴの（１００）面のピークの半値幅、ｆ３にＩｒの（１１１）面のピークの半値幅を、選択することについての制限はない。
【００７１】
各ピークの半値幅を変化させる方法としては、例えば、各層の材料の組成を変化させること、各層を形成する際の条件（例えば、焼成温度、焼成時の環境（圧力、雰囲気気体）など）を変化させることの少なくとも一種が挙げられる。上記式（１）の関係とするために、これらの方法は、適宜組み合わせて適用されることができる。
【００７２】
これらの方法のうち、圧電体層３０をＰＺＴを主成分としたときには、ＰＺＴの鉛の含有量を、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下とすると、上記式（１）の関係を満たしやすい傾向があり、また、ＰＺＴのジルコニウムおよびチタンの含有比率を、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲とすることにより、上記式（１）の関係を満たしやすい傾向がある。これらの傾向は、必ずしも互いに独立して現れるものではなく、各ピークの半値幅に対しては、多くの要因が互いに影響を及ぼしあうため、圧電体層３０の圧電特性を損なわない範囲で、適宜選択して適用される。
【００７３】
さらに、式（１）の関係においては、ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たすことがより好ましい。ｆ１、ｆ２、およびｆ３が、それぞれこのような関係にあると、さらに漏れ電流等が小さくなり圧電素子１００の特性を向上することができる。
【００７４】
本実施形態の圧電素子１００は、上述したように、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、上記式（１）の関係を満たしている。そのため、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上している。
【００７５】
これにより、本実施形態の圧電素子１００は、例えば、圧電体層３０の結晶性や結晶構造を非常に良好にすることができ、例えば、リーク電流、および変位量の低下を長期間にわたって抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態の圧電素子は、これを製造する際に、各電極と圧電体層３０との格子のミスマッチを選択することができる。そのため、圧電素子１００が配置される基体１０の態様にかかわらず、第１電極２０が接する基体１０を自由に選択することができる。さらに、本実施形態の圧電素子１００は、面心立方晶以外の構造を有するあらゆる基体１０上で、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の逆格子マップによるピークの半値幅が上記式（１）の関係を満たす圧電素子となっている。
【００７７】
２．圧電アクチュエーター
次に、本実施形態の圧電素子１００を含む圧電アクチュエーターについて説明する。本実施形態の圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子１００を有し、上述の基板１が振動板となっている。
【００７８】
振動板は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。振動板は、可撓性を有し（撓むことができ）、圧電体層３０（圧電素子１００）の動作によって変形（屈曲）することができる。そして振動板と、圧電素子１００を含んで圧電アクチュエーターが構成される。振動板のたわみ量は、圧電アクチュエーターを液滴吐出ヘッドに使用する場合、吐出させる液体の体積と同程度に圧力室の容積を変化させうる程度であれば十分である。振動板の材質としては、「１．１．基体」の項で述べたと同様である。
【００７９】
なお、圧電アクチュエーターの圧電素子１００において、圧電体層３０を水分や水素等から保護するための保護膜が設けられていてもよい。このような保護膜としては、例えば、窒素化合物の層や、高分子化合物の層を挙げることができる。
【００８０】
以上のように、本実施形態では、基板１が振動板であって、酸化ジルコニウムによって形成されている圧電アクチュエーターを説明した。このような圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子１００を有しているため、例えば、リーク電流、および変位量の低下が長期間にわたって少なく、少なくとも耐久性に優れている。
【００８１】
なお上記説明では、本発明にかかる圧電アクチュエーターの一例として、基板１が撓み等の変形動作される振動板となっている圧電アクチュエーターについて説明した。しかし、本発明にかかる圧電アクチュエーターとしては、例えば、基体１０が音叉型の振動片となっているようなタイミングデバイスや、基体１０が超音波領域の周波数で振動され超音波を発生する超音波発振器等の超音波デバイス、基体１０が超音波領域の周波数で振動して他の部材を駆動する超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基体１０に加わる応力や基体１０の変形を圧電素子１００によって検出するような圧力センサー等、他の圧電デバイスも例示することができる。
【００８２】
３．液滴吐出ヘッド
図３は、液滴吐出ヘッド６００を模式的に示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッド６００は、少なくとも、上述の圧電素子１００と、基体１０と、ノズル板６１０と、を有する。液滴吐出ヘッド６００の基体１０は、振動板６２１および圧力室基板６２０を合わせたものに相当する。
【００８３】
ノズル板６１０は、図３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ことができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
【００８４】
圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図３の例では下）に設けられている。圧力室基板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。圧力室基板６２０がノズル板６１０と振動板６２１との間の空間を区画することにより、図３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、供給口６２６および圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板６２１とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板６２１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、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板６２１の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室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。
【００８５】
圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図３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。振動板６２１は、圧電素子１００の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【００８６】
筐体６３０は、図３に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板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。
【００８７】
液滴吐出ヘッド６００は、圧電素子１００を有する。そのため、圧電素子１００の圧電体層２０の特性が良好で、漏れ電流が低減され、安定した動作が可能である。
【００８８】
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、たとえば、プリンター等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、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（面発光ディスプレー）、電気泳動ディスプレー等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射ヘッドとしても好適に利用することができる。
【００８９】
４．液滴吐出装置
図４は、液滴吐出装置７００を模式的に示す斜視図である。
【００９０】
液滴吐出装置７００は、図４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。さらに、液滴吐出装置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。
【００９１】
ヘッドユニット７３０は、上述した液滴吐出ヘッド６００（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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
なお、本実施形態では、液滴吐出ヘッド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例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液滴吐出ヘッド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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
液滴吐出装置７００は、液滴吐出ヘッド６００を有する。したがって圧電素子１００の圧電体層２０の特性が良好で、漏れ電流が低減され、安定した動作が可能で、印刷特性等が良好なものとなっている。
【００９９】
なお、上記例示した液滴吐出装置は、１つの液滴吐出ヘッドを有し、この液滴吐出ヘッドによって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液滴吐出ヘッドを有してもよい。液滴吐出装置が複数の液滴吐出ヘッドを有する場合には、複数の液滴吐出ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液滴吐出ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
【０１００】
以上、本発明にかかる圧電素子を有する液滴吐出装置の一例として、インクジェットプリンターとしての液滴吐出装置７００を説明したが、本発明にかかる液滴吐出装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明にかかる液滴吐出装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
【０１０１】
５．実験例および参考例
以下に実験例および参考例を示し、本発明にかかる圧電素子をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
【０１０２】
５．１．基体の作成
実験例および参考例の圧電素子は、次のような基体の上に形成した。まず、シリコン基板を準備し、シリコン基板の表面に１０７０ｎｍの酸化シリコン層を熱酸化により形成した。次に、酸化シリコン層の上に、酸化ジルコニウムを４００ｎｍ、酸化チタンを４０ｎｍ、および金属イリジウムを５０ｎｍの順に、スパッタ法により堆積させ、実験例および参考例の共通の基体として用いた。なお、基体の表面には、金属イリジウムが堆積されているが、この金属イリジウムの層は、実施形態で述べた導電層２と見なしてもよい。
【０１０３】
５．２．圧電素子の作成
実験例および参考例のいずれも、まず、上述の基体の上に、第１導電層として、ＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）をスパッタ法により４０ｎｍ堆積し、ＬＮＯ層を形成した。ＬＮＯ層を形成するときのＣＶＤ装置等の条件としては、基体の温度を２５０℃とし、チャンバー内の圧力を１．２Ｐａ、ＲＦ電力を１ｋＷとした。この条件は、実験例および参考例において共通とした。
【０１０４】
次に、圧電体層としてＰＺＴ層を、ＬＮＯ層の上に形成した。実験例および参考例では、いずれも圧電体層としてＰＺＴを用いたが、各例ごとに、鉛、ジルコニウム、およびチタンの組成を変化させて作成した。ＰＺＴ層は、ゾルゲル法によって作成した。実験例および参考例に用いた前駆体溶液の各原料の組成比を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
表１に示した組成の前駆体溶液を、ＬＮＯ層の上にスピンコートにより塗布し、ホットプレート上で、１００℃、１５０℃、４００℃の順にそれぞれ５分間ずつ加熱し、溶媒および低分子量成分を除去した（脱脂）。この操作を３回繰り返し、試料をＲＴＡ装置に導入し、酸素雰囲気下、７５０℃にて５分間加熱して焼成（結晶化）を行った。脱脂および結晶化の操作を４回繰り返し、合計１３５０ｎｍの厚みの前駆体層を形成した。このときＰＺＴ層のＰＺＴは、ペロブスカイト型の結晶構造をとっていると考えられる。
【０１０７】
次に、第２導電層として、金属イリジウム層（Ｉｒ層）をＰＺＴ層の上に形成した。Ｉｒ層は、スパッタ法により形成し、スパッタ装置の条件としては、基体の温度を２５０℃とし、チャンバー内の圧力を０．９Ｐａ、ＲＦ電力を１．５ｋＷとした。この条件は、実験例および参考例において共通とした。
【０１０８】
以上のようにして得られた各実験例および各参考例の圧電素子を、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ）（ブルカー社製、型式Ｄ８ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳ）に導入し、２θ／θスキャンによる測定を実施した。測定によって得られたピークにつき、装置付属の解析ソフトウェアによってフィッティングして半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）を求め、表１に併記した。なお、半値幅を求めたピークは、ＬＮＯ層ではＬＮＯの（２００）面のピーク、ＰＺＴ層ではＰＺＴの（２００）面のピーク、Ｉｒ層ではＩｒの（１１１）面のピークとした。
【０１０９】
図５は、ＰＺＴ層の鉛量に対して、各ピークの半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）をプロットしたものである。このときのＺｒ／Ｔｉ比は、５０／５０である。また、図６は、ＰＺＴ層のＺｒ／Ｔｉ比に対して、各ピークの半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）をプロットしたものである。このときのＰＺＴ層の鉛量は、１．０５である。
【０１１０】
図５を見ると、鉛量が１．２よりも小さいときに（実験例）、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３（式（１））の関係を満足していることが判明した。また、図６を見ると、Ｚｒ／Ｔｉ比が４０／６０〜５５／４５の範囲（実験例）で式（１）の関係を満足していることが判明した。
【０１１１】
図７は、ＰＺＴ層のＰＺＴの鉛量を変化させたときのヒステリシスループの変化を示している。図７の結果から、鉛量が１．２よりも小さいときに（実験例）、正常な曲線を描くことが判明し、鉛量が１．２では（実験例）、漏れ電流（リーク）の大きい曲線を描くことが判明した。
【０１１２】
以上のように、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３（式（１））の関係を満足する各実験例の圧電素子は、漏れ電流の小さい良好な圧電素子となっており、式（１）の関係を満足しない参考例の圧電素子は、必ずしも良好な圧電素子となっていないことが判明した。
【０１１３】
以上に述べた実施形態および各変形実施形態は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態は、それぞれの実施形態が有する効果または相乗的な効果を奏することができる。
【０１１４】
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（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）を含む。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。
【符号の説明】
【０１１５】
１…基板、２…導電層、１０…基体、２０…第１電極、３０…圧電体層、４０…第２電極、１００…圧電素子、６００…液滴吐出ヘッド、６１０…ノズル板、６１２…ノズル孔、６２０…圧力室基板、６２１…振動板、６２２…圧力室、６２４…リザーバー、６２６…供給口、６２８…貫通孔、６３０…筐体、７００…液滴吐出装置、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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液滴吐出ヘッド、および液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を２つの電極によって挟んだ構造を有する圧電素子は、例えば、各種のアクチュエーターに利用されている。圧電アクチュエーターとしては、例えば、振動板などの可動部材が撓み振動モードによって駆動される型式のものがある。このような圧電アクチュエーターは、例えば、インク滴を吐出するノズル孔と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板を圧電素子により駆動して圧力発生室内に導入されたインクを加圧し、ノズル孔からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等に利用されている。
【０００３】
一方、圧電体としては、結晶化されたセラミックスが用いられることが多く、セラミックスの結晶構造や結晶性が、圧電素子の性能を左右する要素の一つとなっている。例えば特許文献１には、下部電極層と上部電極層とに挟まれた誘電体層を有する誘電体素子において、下部電極の結晶性と誘電体層の結晶性が特定の関係にあるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、圧電素子の特性が、少なくとも、圧電体からなる圧電体層およびこれを挟持する２つの電極の３つの部材のそれぞれの結晶性や結晶構造に依存することは、容易に予想できる。また、圧電素子の特性に直接的に影響を与える因子の一つが、圧電体の結晶性や結晶構造にあることは自明であろう。
【０００６】
発明者による検討の結果、例えば特許文献１のように、圧電体を挟む２つの電極のうち、片方の電極および圧電体層の結晶性の関係を特定の関係に設計するだけでは必ずしも高性能な圧電素子は得られないことが判明した。また、発明者の検討の結果、特許文献１に開示された内容とは逆に、圧電体層の結晶性が、これを挟持する電極の結晶性よりも良好であるほうが、圧電素子の特性が向上することが分かってきた。そして、圧電体からなる圧電体層およびこれを挟持する２つの電極の３つの部材のそれぞれの結晶性や結晶構造が特定の関係にあるときに、優れた性能を有する圧電素子となることが分かってきた。
【０００７】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、圧電体を挟む２つの電極および圧電体層の結晶性の関係が良好な圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に挟持された圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第１電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、
前記第２電極は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極は、それぞれ優先配向構造を有し、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
本適用例の圧電素子は、第１電極、圧電体層および第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、上記式（１）の関係を満たしている。そのため、第１電極側から、圧電体層および第２電極の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上している。
【００１１】
これにより、本適用例の圧電素子は、例えば、圧電体層の結晶性や結晶構造を非常に良好にすることができ、例えば、リーク電流、および変位量の低下を長期間にわたって抑制することができる。
【００１２】
また、本適用例の圧電素子は、これを製造する際に、各電極と圧電体層との格子のミスマッチを選択することができる。そのため、圧電素子が配置される基体の態様にかかわらず、第１電極が接する基体を自由に選択することができる。さらに、本適用例の圧電素子は、面心立方晶以外の構造を有するあらゆる基体上で、第１電極、圧電体層および第２電極の逆格子マップによるピークの半値幅が上記式（１）の関係を満たす圧電素子となっている。
【００１３】
なお、本明細書において、優先配向という文言は、薄膜状、層状あるいは平板状の部材において、当該部材を構成する物質の結晶の特定の面が、当該部材の平面に、他の面よりも高い頻度で、平行に配置されていることを指す。
【００１４】
［適用例２］
適用例１において、
前記第１電極は、ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００１５】
本適用例の圧電素子は、圧電体層の圧電体の結晶配向がさらに良好となっている。そのため、本適用例の圧電素子は良好な圧電特性を有する。
【００１６】
［適用例３］
適用例１または適用例２において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００１７】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としている。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が高く優れた圧電性能を有している。
【００１８】
［適用例４］
適用例３において、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である、圧電素子。
【００１９】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としており、しかも、当該酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が非常に高く特に漏れ電流が低いという優れた特性を有している。
【００２０】
［適用例５］
適用例３または適用例４において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である、圧電素子。
【００２１】
本適用例の圧電素子は、圧電体層を構成する圧電体が、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分としており、しかも、当該酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である。そのため、本適用例の圧電素子は、電気機械変換効率が非常に高く優れた圧電性能を有している。
【００２２】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、
前記第２電極は、ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方を主成分とし、
前記ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有し、
前記第２電極は、（１１１）優先配向構造を有する、圧電素子。
【００２３】
本適用例の圧電素子は、第２電極が、ＰｔまたはＩｒの少なくとも一方を主成分とし、該ＰｔまたはＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有する、そして、第２電極が、（１１１）優先配向構造を有する。そのため、本適用例の圧電素子は、圧電体層の結晶性や結晶構造の質がさらに向上し、電気機械変換効率が非常に高く優れた圧電性能を有している。
【００２４】
［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれか一例において、
前記ｆ１および前記ｆ２は、（２００）ピークの半値幅であり、
前記ｆ３は、（１１１）ピークの半値幅である、圧電素子。
【００２５】
本適用例の圧電素子は、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００２６】
［適用例８］
適用例１ないし適用例７のいずれか一例において、
前記優先配向構造は、８０％以上の優先配向度である、圧電素子。
【００２７】
本適用例の圧電素子は、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００２８】
［適用例９］
適用例１ないし適用例８のいずれか一例において、
ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たす、圧電素子。
【００２９】
本適用例の圧電素子は、ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たすため、さらに特性の良い圧電素子となっている。
【００３０】
［適用例１０］
適用例１ないし適用例９のいずれか一例に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
【００３１】
本適用例の液滴吐出ヘッドは、上記適用例のいずれか一例の圧電素子を含んでいる。そのため、本適用例の液滴吐出ヘッドは、例えば漏れ電流が小さく、耐久性に優れた液滴吐出ヘッドである。
【００３２】
［適用例１１］
適用例１０に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
【００３３】
本適用例の液滴吐出装置は、上記適用例の液滴吐出ヘッドを含んでいる。そのため本適用例の液滴吐出装置は、例えば漏れ電流が小さく、耐久性に優れた液滴吐出装置である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の圧電素子の断面の模式図。
【図２】実施形態の圧電素子のＸ線回折強度測定結果の一例を示すチャート。
【図３】実施形態の液滴吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【図４】実施形態の液滴吐出装置を模式的に示す斜視図。
【図５】実験例および参考例の圧電素子のＸ線回折強度ピークの半値幅のプロット。
【図６】実験例および参考例の圧電素子のＸ線回折強度ピークの半値幅のプロット。
【図７】実験例および参考例の圧電素子のヒステリシスループ。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に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。なお以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。そのため、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で実施される各種の変形例も含む。なお、下記の実施形態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。また、ここでは説明の便宜のために、単純な例を示すのであり、本実施形態の圧電素子の構造は、ここで示す構造に限定されるものではない。
【００３６】
１．圧電素子
図１は、本実施形態にかかる圧電素子１００の断面の模式図である。図１において、圧電素子１００は、基体１０の上に形成されている。本実施形態にかかる圧電素子１００は、第１電極２０と、第２電極４０と、圧電体層３０と、を含む。
【００３７】
１．１．基体
圧電素子１００は、例えば、図１に示すような基体１０の表面に形成される。基体１０は、導体、半導体または絶縁体で形成されることができる。基体１０は、例えば平板状の部材とすることができ、この場合、基体１０は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。図１の例では、基板１および基板１の主面に形成された導電層２を合わせて基体１０となっている。
【００３８】
本実施形態では、基板１は、平板状の形状を有している。基板１の内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。また、例えば、後述する液滴吐出ヘッドのように、基板１に圧力室等の空洞が形成され、ノズル板が接続されているような場合においては、基板１やノズル板を含む複数の構成をまとめて一つの基板１とみなしてもよい。
【００３９】
また、基板１は、可撓性を有してもよく、圧電体層３０（圧電素子１００）の動作によって変形（屈曲）することのできる振動板（絶縁層）であってもよい。この場合は、圧電素子１００によって振動板が駆動される圧電アクチュエーターとなることができる。基板１が振動板である場合は、基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機酸化物、無機窒化物、およびステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、基板１（振動板）の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。この場合においても基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
【００４０】
さらに、基板１は、シリコン基板や水晶基板であってもよい。この場合、基板１を例えば音叉型に形成し、圧電素子１００によって励振、または、圧電素子１００によって振動を検出するタイミングデバイスを構成することができる。また、この場合、超音波発振器等の超音波デバイス、超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基板１に加わる応力や基板１の変形を圧電素子１００によって検出するような圧力センサー等の圧電デバイスを構成することができる。
【００４１】
本実施形態では、基板１の主面に導電層２が形成されている。導電層２は、必要に応じて形成されることができる。導電層２は、例えば、第１電極２０の導電性を補助するために形成されてもよい。また、導電層２は、複数の圧電素子１００の第１電極３０を電気的に接続するために形成されてもよい。図示の例では、導電層２は、第１電極３０と同様の形状にパターニングされているが、他の形状にパターニングされていてもよい。
【００４２】
導電層２を形成する場合には、導電層２は、例えば、金属または合金によって形成されることが好ましい。導電層２が形成される場合、当該金属または当該合金としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）およびこれらの金属を含む合金が挙げられる。導電層２がこのような材質で形成されると、第１電極２０の導電性をさらに十分に補助させることができる。また、導電層２がこのような材質で形成されると、第１電極２０の結晶の配向度をより高めることができる。
【００４３】
導電層２は、積層構造であってもよい。例えば、上述した金属の層が複数層積層していてもよいし、上述した合金の層が複数層積層していてもよいし、上述した金属の層および上述した合金の層が、規則的または交互に、あるいはランダムに積層していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。また、図示の例では、導電層２は、１層となっているように描いているが、酸素バリア、水分バリア、密着性付与などの他の機能を有する層（例えば、窒化物、酸化物、酸化窒化物の層または薄膜（アイランド状を含む））が積層されていてもよい。
【００４４】
１．２．第１電極
第１電極２０は、第２電極４０と対になって、圧電体層３０を挟んで設けられる。第１電極２０は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第１電極２０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。第１電極２０の厚みが２０ｎｍよりも小さいと、第１電極２０の導電性が不足したり、圧電体層３０の材料の結晶性や結晶の配向が所望のものとならない場合がある。また、第１電極２０が、６０ｎｍよりも大きいと、圧電素子１００の変位を拘束してしまう場合がある。また、第１電極２０を、平面的に見たときの形状については、第２電極４０との間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。また、圧電素子１００を平面的に見たときに、第１電極２０および第２電極４０は、オーバーラップする領域を有している。第１電極２０の機能の一つとしては、圧電体層３０に電界を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層３０の下方に形成された下部電極）となることが挙げられる。
【００４５】
第１電極２０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分として形成され導電性を有する。第１電極２０に用いられるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物としては、例えば、化学組成が、一般式ＭＡＭＢＯ３（式中ＭＡで表される元素が酸素を１２配位し、ＭＢで表される元素が酸素を６配位する）で表される酸化物が挙げられる。
【００４６】
このような酸化物の具体例としては、一般式ＭＡＭＢＯ３において、ＭＡの元素として、Ｌａ（ランタン）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｎａ（ナトリウム）およびＢｉ（ビスマス）からなる群より選択される少なくとも１種、ＭＢの元素として、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択される少なくとも１種である化合物を挙げることができる。
【００４７】
これらのうち第１電極２０に主成分として用いられる酸化物として、より好ましくはＬａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、およびＳｎからなる群より選択される少なくとも１種を含む酸化物を挙げることができる。さらに、特に、導電性、結晶性や結晶構造の優れた酸化物の例として、ランタンおよびニッケルを含む酸化物が挙げられ、より具体的にはＬａＮｉＯ３を挙げることができる。第１電極２０がランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分として形成されると、圧電体層３０の圧電体の結晶配向をさらに良好とすることができ、前述の式（１）の関係を満足しやすくなる。
【００４８】
第１電極２０の主成分となる酸化物は、自己配向性に優れている。すなわち、第１電極２０は、特定の面によって優先配向している。第１電極２０における優先配向構造は、優先配向度が８０％以上であることがより好ましい。上記好ましい例として挙げたランタンおよびニッケルを含む酸化物は、自己配向性に特に優れている。すなわち、ランタンおよびニッケルを含む酸化物は、第１電極２０として成膜される過程において、結晶構造を採る場合に、第１電極２０が展開される平面の法線方向に、結晶の＜１００＞方向が自発的に配向しやすい。すなわち、第１電極２０が展開される平面に（１００）面と等価な面を平行にして形成されやすい。
【００４９】
このような第１電極２０の自己配向性により、第１電極２０に隣接して形成される圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の酸化物の結晶の配向を引き継いで、圧電体層３０の法線方向に対して、圧電体層３０を構成する材料の結晶を、特定の面によって優先配向しやすくするという効果を発現させることができる。
【００５０】
本実施形態の圧電素子１００では、第１電極２０および圧電体層３０は、ともにペロブスカイト型の結晶構造を採りうる材質で構成される。そして、各々の層の法線方向に、結晶の＜１００＞方向が配向しやすくなっている。すなわち、第１電極２０および圧電体層３０は、（１００）面と等価な面を、第１電極２０および圧電体層３０と平行にして配置されやすくなっている。このような配向における結晶の軸方向は、第１電極２０および圧電体層３０の材料を適宜選択することによって、＜１００＞方向だけでなく、例えば、＜１１０＞方向や、＜１１１＞方向などとすることもできる。また、このような結晶軸の配向は、圧電素子１００の用途によっても適宜選択されることができる。すなわち、圧電体層３０の結晶の配向と、第１電極２０および第２電極４０によって印加される電界の方向の組合せから、圧電素子１００の変位のモードや方向を選択することができ、また、圧電素子１００を強誘電体メモリのキャパシタとして用いる場合のように、その用途によって素子としての性能が高まる配向とするように、適宜調節することができる。
【００５１】
第１電極２０は、積層構造であってもよい。例えば、互いに異なる組成のペロブスカイト型の結晶構造をとる酸化物の層の複数が、規則的または交互に、あるいはランダムに積層していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。
【００５２】
第１電極２０は、これを構成する物質が、基体１０および圧電体層３０の少なくとも一方に拡散、または基体１０および圧電体層３０の少なくとも一方を構成する物質と相互に拡散する場合があり、顕微鏡等によって観察した場合に、基体１０や圧電体層３０との間に明確な境界が見られない場合がある。このような場合には、元素組成のマッピングや、デプスプロファイル等を観測することによって、基体１０や圧電体層３０との間の境界を見積もることができる。
【００５３】
第１電極２０は、適宜パターニングされることができる。図示の例では、第１電極２０は、第１電極２０の側面と圧電体層３０の側面とが一致するようにパターニングされているがこの限りでない。第１電極２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により形成することができる。そして必要に応じて、フォトリソグラフィ法等によって、パターニングされることができる。なお、第１電極２０は、印刷、インプリンティングなどの方法で形成することもでき、この場合は、基体１０に直接、第１電極２０を形成することができる。
【００５４】
１．３．圧電体層
圧電体層３０は、図１に示すように、第１電極２０および第２電極４０の間に挟持される。圧電体層３０と、第１電極２０および第２電極４０との間には、それぞれ他の層が形成されてもよい。この場合の他の層としては、例えばチタン層などが挙げられる。
【００５５】
図１の例では、圧電体層３０は、第１電極２０および第２電極４０に接して設けられている、圧電体層３０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることができる。圧電体層３０の厚みがこの範囲を外れると、十分な変形（電気機械変換）が得られなくなる場合がある。また、圧電体層３０のより好ましい厚みとしては、１０００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。圧電体層３０の厚みが、このような範囲内であると、圧電素子１００の変位量を十分大きくとることができるとともに、薄膜化に寄与することができる。
【００５６】
圧電体層３０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分として形成され圧電性を有する。第１電極２０に用いられるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物としては、例えば、化学組成が、一般式ＭＣＭＤＯ３（式中ＭＣで表される元素が酸素を１２配位し、ＭＤで表される元素が酸素を６配位する）で表される酸化物が挙げられる。圧電体層３０の主成分となる酸化物は、圧電性を有するものであるかぎり特に限定されないが、例えば、一般式ＭＣＭＤＯ３において、ＭＣが、Ｐｂ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、およびＢｉからなる群より選択される少なくとも１種であり、ＭＤが、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎａ、ＴａおよびＬａからなる群より選択される少なくとも１種である酸化物が好ましい。
【００５７】
これらのうち、圧電体層３０の材質としてより好ましくは、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とすることが好適である。圧電体層３０の主成分として好適な酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下これを「ＰＺＴ」と略記することがある）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）（以下これを「ＰＺＴＮ」と略記することがある。）などが挙げられる。
【００５８】
このような酸化物は、いずれも式中、ＭＣサイトの酸化物とＭＤサイトの酸化物の固溶体を形成することができる。そして、このような複合酸化物は、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。このような酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。これにより、圧電体層３０は、第１電極２０および第２電極４０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）。圧電素子１００が圧電体層３０の変形によって変形するため、例えば、圧電素子１００を含むアクチュエーターを構成すると、アクチュエーターの可動部を変形させたり（たわませたり）、振動させたりすることができる。
【００５９】
圧電体層３０は、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の結晶配向の影響を受ける場合がある。また、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の、結晶粒の大きさや、質などの結晶性を引き継ぐ場合がある。このような現象を利用すれば、圧電体層３０の材料の結晶構造や結晶性を制御することができる。
【００６０】
例えば、圧電体層３０の材料が結晶化する際に、第１電極２０の結晶の配向が、層の法線方向に、結晶の＜１００＞方向を向いている場合（（１００）優先配向）に、圧電体層３０の結晶の軸方向が、＜１００＞方向に向きやすくなっている（（１００）優先配向）。圧電体層３０における優先配向構造は、優先配向度が８０％以上であることがより好ましい。また、このような結晶の配向は、圧電素子１００の用途によっても適宜選択されることができる。すなわち、圧電体層３０の結晶の配向と、第１電極２０および第２電極４０によって印加される電界の方向の組合せから、圧電素子１００の変位のモードや方向を選択することができ、また、圧電素子１００を強誘電体メモリのキャパシタとして用いる場合のように、その用途によって素子としての性能が高まる配向とするように、適宜調節することができる。
【００６１】
圧電体層３０は、積層構造であってもよい。例えば、互いに異なる組成の圧電体の層や、同一の組成の圧電体の層が、複数層積層していてもよい。また、圧電体層３０には、厚みの方向に組成が傾斜していてもよい。さらに積層する層の数も任意である。
【００６２】
圧電体層３０は、これを構成する物質が、第１電極２０および第２電極４０の少なくとも一方に拡散、または第１電極２０および第２電極４０の少なくとも一方を構成する物質と相互に拡散する場合があり、顕微鏡等によって観察した場合に、第１電極２０および第２電極４０との間に明確な境界が見られない場合がある。このような場合には、元素組成のマッピングや、デプスプロファイル等を観測することによって、第１電極２０および第２電極４０との間の境界を見積もることができる。
【００６３】
１．４．第２電極
第２電極４０は、図１に示すように、第１電極２０と対になって圧電体層３０を挟持する。第２電極４０は、全体が第１電極２０と対向していてもよいし、一部が第１電極２０に対向していてもよい。第２電極４０の形状は、第１電極２０と対向できるかぎり限定されないが、圧電素子１００を薄膜状、層状あるいは板状にする場合には、同様に薄膜状、層状あるいは板状の形状が好ましい。この場合の第２電極４０の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、第２電極４０の平面的な形状についても、第１電極２０に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層３０を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。第２電極４０の機能の一つとしては、圧電体層３０に電圧を印加するための一方の電極（例えば、圧電体層３０の上に形成された上部電極）となることが挙げられる。
【００６４】
第２電極４０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）、およびそれらの合金などを例示することができる。第１電極２０は、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。さらに、第２電極４０は、構成および材質を、上述の第１電極２０と同様としてもよい。また、第２電極４０は、白金およびイリジウムの少なくとも一方を主成分とすることが特に好ましい。そしてこの場合には、白金およびイリジウムの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有することが好ましく、当該結晶の（１１１）面が優先配向していることが特に好ましい。第２電極４０が、このような構造を有すると、圧電体層３０の結晶性や結晶構造の質をさらに向上させることができる。
【００６５】
図１では、第１電極２０と第２電極４０とが平面的に同じ形状で形成された例を示しているが、第２電極４０のほうが第１電極２０よりも平面的に大きく形成されてもよい。この場合は、第２電極４０は、圧電体層３０の側面に形成されてもよく、第２電極４０に、水分や水素等から圧電体層３０を保護する機能を兼ねさせることができる。なお、第１電極２０および第２電極４０の一方が他方よりも大きく形成された場合、当該大きく形成された電極を、複数の圧電素子の共通電極としてもよい。
【００６６】
１．５．第１電極、圧電体層および第２電極の結晶性
第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、上記のようにそれぞれ、構成する材料の特定の面によって優先配向している。したがって第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、優先配向の軸においてＸ線回折強度測定を行うことができる。ここでいうＸ線回折強度測定は、市販の装置で行うことができ、例えば、２θ／θスキャン、ロッキングカーブ、χ−スキャン、逆格子マップ測定などを行うことができる。
【００６７】
図２は、第１電極２０にＬＮＯを用い、圧電体層３０にＰＺＴを用い、第２電極４０に金属イリジウムを用いた圧電素子のＸ線回折強度測定結果の一例である。図２に示すように、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０は、同時にＸ線回折強度測定を行うことができ、各層の材料に由来するピークを検出することができる。例えば、図示のように、基体１０に形成された圧電素子１００に対して、２θ／θスキャンのＸ線回折強度測定を行うと、第１電極２０に含まれる酸化物に由来する（１００）面、（２００）面などのピーク、圧電体層３０の酸化物に由来する（１００）面、（２００）面などのピーク、および第２電極４０の金属等に由来する（１１１）面などのピークを観測することができる。また、この場合、適宜な関数を用いてフィッティングを行って、ピーク分離等を行い、所望のピークを検出してもよい。その際に用いる関数およびフィッティング手法は、一般的なものを用いることができ特に限定されない。関数としては、例えば、ガウス関数、ローレンツ関数、および、擬ヴォイト関数、並びに、これらの関数や他の関数の複数を組み合わせた関数などを用いることができる。図２には、擬ヴォイト関数によって、最小二乗法にてフィッティングした例を示している。
【００６８】
得られる測定結果のチャートにおいて、各ピークは、いずれもそれぞれの結晶が属する部材に対して、優先配向した構造を有しているため、特定の大きさの幅を有している。Ｘ線回折強度測定のピークにおける幅は、一般に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性、および測定装置の条件によって変化する。したがって、測定装置の条件を一定とした場合には、ピークの幅は、結晶の質および結晶の配置（結晶性）に起因して変化する。また、本実施形態では、ピークは、ベースラインからピークの頂点までの距離（強度の差）の１／２の位置における幅（半値幅：ＦＷＨＭ（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ））によって特徴付けられる。
【００６９】
本実施形態では、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たしている。すなわち、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、構成する材料に由来するピークの半値幅が減少するように形成されている。このことは、構造上の違いとして、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上していることを示している。
【００７０】
第１電極２０の材質がＬＮＯを主成分とし、圧電体層３０の材質がＰＺＴを主成分とし、第２電極４０の材質がイリジウムを主成分としている場合、典型的には、ｆ１は、ＬＮＯの（２００）面のピークの半値幅、ｆ２は、ＰＺＴの（２００）面のピークの半値幅、ｆ３は、Ｉｒの（１１１）面のピークの半値幅とすることができる。しかし上記式（１）の関係には、他の面（それぞれのより高次の面または低次の面）のピークの半値幅を用いてもよく、例えば、ｆ１にＬＮＯの（１００）面のピークの半値幅、ｆ２にＰＺＴの（１００）面のピークの半値幅、ｆ３にＩｒの（１１１）面のピークの半値幅を、選択することについての制限はない。
【００７１】
各ピークの半値幅を変化させる方法としては、例えば、各層の材料の組成を変化させること、各層を形成する際の条件（例えば、焼成温度、焼成時の環境（圧力、雰囲気気体）など）を変化させることの少なくとも一種が挙げられる。上記式（１）の関係とするために、これらの方法は、適宜組み合わせて適用されることができる。
【００７２】
これらの方法のうち、圧電体層３０をＰＺＴを主成分としたときには、ＰＺＴの鉛の含有量を、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下とすると、上記式（１）の関係を満たしやすい傾向があり、また、ＰＺＴのジルコニウムおよびチタンの含有比率を、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲とすることにより、上記式（１）の関係を満たしやすい傾向がある。これらの傾向は、必ずしも互いに独立して現れるものではなく、各ピークの半値幅に対しては、多くの要因が互いに影響を及ぼしあうため、圧電体層３０の圧電特性を損なわない範囲で、適宜選択して適用される。
【００７３】
さらに、式（１）の関係においては、ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たすことがより好ましい。ｆ１、ｆ２、およびｆ３が、それぞれこのような関係にあると、さらに漏れ電流等が小さくなり圧電素子１００の特性を向上することができる。
【００７４】
本実施形態の圧電素子１００は、上述したように、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、上記式（１）の関係を満たしている。そのため、第１電極２０側から、圧電体層３０および第２電極４０の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上している。
【００７５】
これにより、本実施形態の圧電素子１００は、例えば、圧電体層３０の結晶性や結晶構造を非常に良好にすることができ、例えば、リーク電流、および変位量の低下を長期間にわたって抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態の圧電素子は、これを製造する際に、各電極と圧電体層３０との格子のミスマッチを選択することができる。そのため、圧電素子１００が配置される基体１０の態様にかかわらず、第１電極２０が接する基体１０を自由に選択することができる。さらに、本実施形態の圧電素子１００は、面心立方晶以外の構造を有するあらゆる基体１０上で、第１電極２０、圧電体層３０および第２電極４０の逆格子マップによるピークの半値幅が上記式（１）の関係を満たす圧電素子となっている。
【００７７】
２．圧電アクチュエーター
次に、本実施形態の圧電素子１００を含む圧電アクチュエーターについて説明する。本実施形態の圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子１００を有し、上述の基板１が振動板となっている。
【００７８】
振動板は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。振動板は、可撓性を有し（撓むことができ）、圧電体層３０（圧電素子１００）の動作によって変形（屈曲）することができる。そして振動板と、圧電素子１００を含んで圧電アクチュエーターが構成される。振動板のたわみ量は、圧電アクチュエーターを液滴吐出ヘッドに使用する場合、吐出させる液体の体積と同程度に圧力室の容積を変化させうる程度であれば十分である。振動板の材質としては、「１．１．基体」の項で述べたと同様である。
【００７９】
なお、圧電アクチュエーターの圧電素子１００において、圧電体層３０を水分や水素等から保護するための保護膜が設けられていてもよい。このような保護膜としては、例えば、窒素化合物の層や、高分子化合物の層を挙げることができる。
【００８０】
以上のように、本実施形態では、基板１が振動板であって、酸化ジルコニウムによって形成されている圧電アクチュエーターを説明した。このような圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子１００を有しているため、例えば、リーク電流、および変位量の低下が長期間にわたって少なく、少なくとも耐久性に優れている。
【００８１】
なお上記説明では、本発明にかかる圧電アクチュエーターの一例として、基板１が撓み等の変形動作される振動板となっている圧電アクチュエーターについて説明した。しかし、本発明にかかる圧電アクチュエーターとしては、例えば、基体１０が音叉型の振動片となっているようなタイミングデバイスや、基体１０が超音波領域の周波数で振動され超音波を発生する超音波発振器等の超音波デバイス、基体１０が超音波領域の周波数で振動して他の部材を駆動する超音波モーターのような機械的出力を有するデバイス、および、基体１０に加わる応力や基体１０の変形を圧電素子１００によって検出するような圧力センサー等、他の圧電デバイスも例示することができる。
【００８２】
３．液滴吐出ヘッド
図３は、液滴吐出ヘッド６００を模式的に示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッド６００は、少なくとも、上述の圧電素子１００と、基体１０と、ノズル板６１０と、を有する。液滴吐出ヘッド６００の基体１０は、振動板６２１および圧力室基板６２０を合わせたものに相当する。
【００８３】
ノズル板６１０は、図３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ことができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
【００８４】
圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上（図３の例では下）に設けられている。圧力室基板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。圧力室基板６２０がノズル板６１０と振動板６２１との間の空間を区画することにより、図３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、供給口６２６および圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板６２１とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板６２１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、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板６２１の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室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。
【００８５】
圧電素子１００は、圧力室基板６２０上（図３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。振動板６２１は、圧電素子１００の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【００８６】
筐体６３０は、図３に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板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。
【００８７】
液滴吐出ヘッド６００は、圧電素子１００を有する。そのため、圧電素子１００の圧電体層２０の特性が良好で、漏れ電流が低減され、安定した動作が可能である。
【００８８】
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、たとえば、プリンター等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、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（面発光ディスプレー）、電気泳動ディスプレー等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射ヘッドとしても好適に利用することができる。
【００８９】
４．液滴吐出装置
図４は、液滴吐出装置７００を模式的に示す斜視図である。
【００９０】
液滴吐出装置７００は、図４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。さらに、液滴吐出装置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。
【００９１】
ヘッドユニット７３０は、上述した液滴吐出ヘッド６００（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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
なお、本実施形態では、液滴吐出ヘッド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例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液滴吐出ヘッド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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
液滴吐出装置７００は、液滴吐出ヘッド６００を有する。したがって圧電素子１００の圧電体層２０の特性が良好で、漏れ電流が低減され、安定した動作が可能で、印刷特性等が良好なものとなっている。
【００９９】
なお、上記例示した液滴吐出装置は、１つの液滴吐出ヘッドを有し、この液滴吐出ヘッドによって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液滴吐出ヘッドを有してもよい。液滴吐出装置が複数の液滴吐出ヘッドを有する場合には、複数の液滴吐出ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液滴吐出ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
【０１００】
以上、本発明にかかる圧電素子を有する液滴吐出装置の一例として、インクジェットプリンターとしての液滴吐出装置７００を説明したが、本発明にかかる液滴吐出装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明にかかる液滴吐出装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
【０１０１】
５．実験例および参考例
以下に実験例および参考例を示し、本発明にかかる圧電素子をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
【０１０２】
５．１．基体の作成
実験例および参考例の圧電素子は、次のような基体の上に形成した。まず、シリコン基板を準備し、シリコン基板の表面に１０７０ｎｍの酸化シリコン層を熱酸化により形成した。次に、酸化シリコン層の上に、酸化ジルコニウムを４００ｎｍ、酸化チタンを４０ｎｍ、および金属イリジウムを５０ｎｍの順に、スパッタ法により堆積させ、実験例および参考例の共通の基体として用いた。なお、基体の表面には、金属イリジウムが堆積されているが、この金属イリジウムの層は、実施形態で述べた導電層２と見なしてもよい。
【０１０３】
５．２．圧電素子の作成
実験例および参考例のいずれも、まず、上述の基体の上に、第１導電層として、ＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）をスパッタ法により４０ｎｍ堆積し、ＬＮＯ層を形成した。ＬＮＯ層を形成するときのＣＶＤ装置等の条件としては、基体の温度を２５０℃とし、チャンバー内の圧力を１．２Ｐａ、ＲＦ電力を１ｋＷとした。この条件は、実験例および参考例において共通とした。
【０１０４】
次に、圧電体層としてＰＺＴ層を、ＬＮＯ層の上に形成した。実験例および参考例では、いずれも圧電体層としてＰＺＴを用いたが、各例ごとに、鉛、ジルコニウム、およびチタンの組成を変化させて作成した。ＰＺＴ層は、ゾルゲル法によって作成した。実験例および参考例に用いた前駆体溶液の各原料の組成比を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
表１に示した組成の前駆体溶液を、ＬＮＯ層の上にスピンコートにより塗布し、ホットプレート上で、１００℃、１５０℃、４００℃の順にそれぞれ５分間ずつ加熱し、溶媒および低分子量成分を除去した（脱脂）。この操作を３回繰り返し、試料をＲＴＡ装置に導入し、酸素雰囲気下、７５０℃にて５分間加熱して焼成（結晶化）を行った。脱脂および結晶化の操作を４回繰り返し、合計１３５０ｎｍの厚みの前駆体層を形成した。このときＰＺＴ層のＰＺＴは、ペロブスカイト型の結晶構造をとっていると考えられる。
【０１０７】
次に、第２導電層として、金属イリジウム層（Ｉｒ層）をＰＺＴ層の上に形成した。Ｉｒ層は、スパッタ法により形成し、スパッタ装置の条件としては、基体の温度を２５０℃とし、チャンバー内の圧力を０．９Ｐａ、ＲＦ電力を１．５ｋＷとした。この条件は、実験例および参考例において共通とした。
【０１０８】
以上のようにして得られた各実験例および各参考例の圧電素子を、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ）（ブルカー社製、型式Ｄ８ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳ）に導入し、２θ／θスキャンによる測定を実施した。測定によって得られたピークにつき、装置付属の解析ソフトウェアによってフィッティングして半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）を求め、表１に併記した。なお、半値幅を求めたピークは、ＬＮＯ層ではＬＮＯの（２００）面のピーク、ＰＺＴ層ではＰＺＴの（２００）面のピーク、Ｉｒ層ではＩｒの（１１１）面のピークとした。
【０１０９】
図５は、ＰＺＴ層の鉛量に対して、各ピークの半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）をプロットしたものである。このときのＺｒ／Ｔｉ比は、５０／５０である。また、図６は、ＰＺＴ層のＺｒ／Ｔｉ比に対して、各ピークの半値幅（ｆ１、ｆ２、ｆ３）をプロットしたものである。このときのＰＺＴ層の鉛量は、１．０５である。
【０１１０】
図５を見ると、鉛量が１．２よりも小さいときに（実験例）、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３（式（１））の関係を満足していることが判明した。また、図６を見ると、Ｚｒ／Ｔｉ比が４０／６０〜５５／４５の範囲（実験例）で式（１）の関係を満足していることが判明した。
【０１１１】
図７は、ＰＺＴ層のＰＺＴの鉛量を変化させたときのヒステリシスループの変化を示している。図７の結果から、鉛量が１．２よりも小さいときに（実験例）、正常な曲線を描くことが判明し、鉛量が１．２では（実験例）、漏れ電流（リーク）の大きい曲線を描くことが判明した。
【０１１２】
以上のように、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３（式（１））の関係を満足する各実験例の圧電素子は、漏れ電流の小さい良好な圧電素子となっており、式（１）の関係を満足しない参考例の圧電素子は、必ずしも良好な圧電素子となっていないことが判明した。
【０１１３】
以上に述べた実施形態および各変形実施形態は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態は、それぞれの実施形態が有する効果または相乗的な効果を奏することができる。
【０１１４】
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（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）を含む。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。
【符号の説明】
【０１１５】
１…基板、２…導電層、１０…基体、２０…第１電極、３０…圧電体層、４０…第２電極、１００…圧電素子、６００…液滴吐出ヘッド、６１０…ノズル板、６１２…ノズル孔、６２０…圧力室基板、６２１…振動板、６２２…圧力室、６２４…リザーバー、６２６…供給口、６２８…貫通孔、６３０…筐体、７００…液滴吐出装置、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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に挟持された圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第１電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、
前記第２電極は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極は、それぞれ優先配向構造を有し、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たす、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１電極は、ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である、圧電素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である、圧電素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記第２電極は、ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方を主成分とし、
前記ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有し、
前記第２電極は、（１１１）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
前記ｆ１は、（１１１）ピークの半値幅であり、
前記ｆ２および前記ｆ３は、（２００）ピークの半値幅である、圧電素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項において、
前記優先配向構造は、８０％以上の優先配向度である、圧電素子。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項において、
ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たす、圧電素子。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の間に挟持された圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第１電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、
前記第２電極は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極は、それぞれ優先配向構造を有し、
前記第１電極、前記圧電体層および前記第２電極の、優先配向軸におけるＸ線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれｆ１、ｆ２およびｆ３（°）としたとき、下記式（１）：
ｆ１＞ｆ２＞ｆ３ ・・・・（１）
の関係を満たす、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１電極は、ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、（２００）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、１．０５倍以上１．１５倍以下である、圧電素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム：チタン＝４０：６０〜５５：４５の範囲である、圧電素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記第２電極は、ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方を主成分とし、
前記ＰｔおよびＩｒの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有し、
前記第２電極は、（１１１）優先配向構造を有する、圧電素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
前記ｆ１は、（１１１）ピークの半値幅であり、
前記ｆ２および前記ｆ３は、（２００）ピークの半値幅である、圧電素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項において、
前記優先配向構造は、８０％以上の優先配向度である、圧電素子。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項において、
ｆ３≦０．２６、かつ、０．２６＜ｆ２≦０．７５、かつ、ｆ１＜２．００の関係を満たす、圧電素子。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１８１７２０（Ｐ２０１１−１８１７２０Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４４９７７（Ｐ２０１０−４４９７７）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]