液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータ
【課題】変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０と、下電極６０と、下電極６０上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０の下電極６０とは反対側に形成された上電極８０と、を備え、圧力発生室１２に圧力を発生させてノズル開口から液滴を吐出する圧電素子３００と、を具備し、下電極６０は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、第一電極層６１の圧電体層７０側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層６２と、を有し、第二電極層６２の面内の格子定数は、第一電極層６１の面内の格子定数よりも大きく、且つ圧電体層７０の面内の格子定数よりも大きい。
【解決手段】液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０と、下電極６０と、下電極６０上に形成された圧電体層７０と、圧電体層７０の下電極６０とは反対側に形成された上電極８０と、を備え、圧力発生室１２に圧力を発生させてノズル開口から液滴を吐出する圧電素子３００と、を具備し、下電極６０は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、第一電極層６１の圧電体層７０側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層６２と、を有し、第二電極層６２の面内の格子定数は、第一電極層６１の面内の格子定数よりも大きく、且つ圧電体層７０の面内の格子定数よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下電極、圧電体層及び上電極を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層としては、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この圧電体層を用いて圧電素子を設けたとしても、十分な変位を得ることができなかった。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載される圧電アクチュエータにおいても同様に存在する。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑み、変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。なお、本発明において、「上電極」や「下電極」なる表現を用いているが、これは、単に圧電体層７０の両側の一方と他方とを特定するために用いているものであり、流路形成基板に対する配置のことではない。
【０００７】
ここで、前記第二電極層は、バリウム鉛酸化物を含むことが好ましい。これによれば、バリウム鉛酸化物の格子定数はランタンニッケル酸化物の格子定数よりも大きいため、ランタンニッケル酸化物上に直接設けた圧電体層よりも、第二電極層上の圧電体層の面内の格子定数を引き伸ばすことができる。
【０００８】
また、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、優れた変位特性の圧電素子とすることができると共に、第二電極層としてバリウム鉛酸化物を用いた場合には、圧電体層の成分が下電極側に拡散するのを抑制することができ、且つ下電極の成分が圧電体層側に拡散するのを抑制することができる。
【０００９】
また、前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層は、自然配向によって（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層及び圧電体層を（１００）面に優先配向させることができる。
【００１０】
また、前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、第二電極層上に所定の結晶構造で所定の配向性を有する圧電体層を設けるので優れた変位特性とすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、低い駆動電圧で、重量の大きな液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドを実現できる。
【００１２】
また、本発明の他の態様は、下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備えた圧電素子を具備する圧電アクチュエータであって、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする圧電アクチュエータにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
【００１５】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
【００１６】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。
【００１７】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００１８】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００１９】
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ３で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有する結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３で、ｘが０．５のＰＺＴを用いた。つまり、圧電体層７０は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだものを用いた。
【００２０】
また、圧電体層７０は、結晶が（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。なお、本発明で「結晶が（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、９０％以上）が（１００）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が菱面体晶系（rhombohedral）あるいは正方晶系（tetragonal）である場合と、を含むものである。
【００２１】
さらに、圧電体層７０は、分極方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）に対して所定角度（５０〜６０°）傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。
【００２２】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。
【００２３】
また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい
。
【００２４】
下電極膜６０は、流路形成基板１０側に設けられてランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、第一電極層６１の圧電体層７０側に設けられて、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層６２とで構成されている。
【００２５】
第一電極層６１は、厚さが例えば１００ｎｍのランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）を含む。ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、結晶が（１００）面に優先配向した導電性材料として用いられている。なお、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、二次元の方向に異方性があるランタン（Ｌａ）の層状化合物であるため、（１００）面に自然配向すると考えられる。
【００２６】
ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）の格子定数は、ＡＢＯ３のキュービック表示において、３．８７Åであり、圧電体層７０であるＰＺＴの代表的な格子定数４．１０Åに比べて小さいものである。なお、ランタンニッケル酸化物としては、例えば、ＬａＮｉＯ３が挙げられるが、たとえ他の組成比のランタンニッケル酸化物であったとしても、Ｂサイトにはイオン半径の比較的小さなニッケル（Ｎｉ）が存在するため、比較的大きなイオン半径を有するジルコニウムやチタンなどがＢサイトに存在する圧電体層７０の格子定数よりも小さくなると考えられる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１は、薄すぎると、（１００）面に優先配向したペロブスカイト型構造を有するものにならないため、例えば、１００ｎｍ程度は必要である。
【００２７】
第二電極層６２は、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含み、第一電極層６１の面内の格子定数よりも大きく、且つ圧電体層７０の面内の格子定数よりも大きい材料が用いられる。このような第二電極層６２の材料としては、例えば、バリウム鉛酸化物（一例としてＢａＰｂＯ３）が挙げられる。
【００２８】
なお、バリウム鉛酸化物は、厚すぎると、結晶が（１１０）面に優先配向してしまうため、結晶が（１００）面に優先配向する程度の厚さで形成することが好ましく、バリウム鉛酸化物の厚さは、１μｍ以下とするのが好適である。さらに、１００ｎｍ程度が好ましい。
【００２９】
また、面内の格子定数とは、圧電体層７０の下面、すなわち、圧電体層７０と下電極膜６０との界面に水平な方向の格子定数のことを言う。
【００３０】
また、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）は、格子定数が４．２５Åであり、このバリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２上には、圧電体層７０をその格子定数を面内に引き伸ばして形成して、圧電体層７０の面内の格子定数を大きくしている。すなわち、第一電極層６１上に圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１の格子定数（３．８７Å）により圧電体層７０の面内の格子定数が収縮し、圧電体層７０は、一般的なＰＺＴの格子定数（４．１０Å）よりも小さな格子定数となってしまう。これに対して、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２は、金属であり、強誘電性を示さない。したがって、ＰＺＴなどの圧電体層７０とは異なり、ヤング率が２００ＧＰａ程度と硬く、面内格子定数は下地となる第一電極層６１（ＬＮＯ）の影響を受け難い。すなわち、第二電極層６２は、下地となる第一電極層６１の（１００）面の優先配向のみを受け継ぎ、第二電極層６２の格子定数は、バリウム鉛酸化物のバルクの格子定数に近い面内格子定数（例えば、４．２５Å）と、第一電極層６１及び圧電体層７０よりも大きくすることができる。これにより、第二電極層６２上に圧電体層７０を形成することで、圧電体層７０の面内の格子定数を４．１５Å程度に引き伸ばすことができる。
【００３１】
このように、圧電体層７０の面内の格子定数を比較的大きくすることで、圧電体層７０の圧電特性を向上することができる。また、第一電極層６１及び第二電極層６２を含む下電極膜６０上に、（１００）面に優先配向した圧電体層７０を形成することができる。すなわち、第一電極層６１は（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層６２も（１００）面に優先配向しているため、圧電体層７０を第二電極層６２上にエピタキシャル成長により形成することで、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができる。ここで、例えば、下電極膜６０として、遷移金属酸化物からなる第二電極層６２のみを設けた場合、第二電極層６２は、（１００）面に優先配向しない可能性がある。
【００３２】
本実施形態では、（１００）面に優先配向した第一電極層６１によって、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができると共に、第二電極層６２によって、圧電体層７０の面内の格子定数を引き伸ばすことができ、変位特性や耐久性などの圧電特性に優れた圧電素子３００を実現できる。これにより、低電圧で圧電素子３００を駆動しても、ノズル開口２１から重量の大きなインク滴を吐出させることができる。
【００３３】
なお、第二電極層６２は、導電性を有するため電極として機能するため、第一電極層６１の厚さを比較的薄く形成することができる。すなわち、例えば、第一電極層６１のみが電極として機能し、第二電極層６２が電極として機能しない場合には、電気抵抗の問題から第一電極層６１を比較的厚く形成する必要があり、高コストになってしまう。
【００３４】
また、下電極膜６０の第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物を用いることで、圧電体層７０の成分が下電極膜６０側に拡散して不具合が発生するのを抑制すると共に、下電極膜６０の成分が圧電体層７０側に拡散して不具合が発生するのを抑制することができる。すなわち、例えば、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１のランタン（Ｌａ）やニッケル（Ｎｉ）が圧電体層７０側に拡散してしまうと共に、圧電体層７０の鉛（Ｐｂ）等の成分が第一電極層６１側に拡散してしまう。
【００３５】
これに対して、第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を用いることで、第二電極層６２のイオン半径の大きなバリウム（Ｂａ）は、圧電体層７０側に拡散することなく、また、拡散したとしても、バリウム（Ｂａ）は圧電材料としても使用される材料であるため特に問題にならない。また、第二電極層６２の鉛（Ｐｂ）が圧電体層７０側に拡散したとしても、圧電体層７０は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、第二電極層６２から拡散された鉛による不具合が発生することがない。また、圧電体層７０の成分である鉛（Ｐｂ）も同様に、第二電極層６２側に拡散されたとしても、第二電極層６２は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、圧電体層７０から拡散された鉛による不具合が発生することがない。ちなみに、第二電極層６２の下地となるランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１の成分は、第二電極層６２によって、圧電体層７０側に拡散し難いものである。
【００３６】
（実施例）
ここで、（１１０）面に優先配向したシリコンウェハ上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり厚さが１０００ｎｍの弾性膜５０と、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが５００ｎｍの絶縁体膜５５とを設け、絶縁体膜５５上に下電極膜６０として、上述した実施形態１と同様に、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）からなり厚さが１００ｎｍの第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）からなり厚さが４０ｎｍの第二電極層６２とを設けた。そして、この下電極膜６０上にＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３となる圧電体層７０を形成した後、圧電体層７０上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが２００ｎｍの上電極膜８０を形成した。
【００３７】
なお、第一電極層６１及び第二電極層６２は、スパッタリング法により形成した。また、圧電体層７０は、ゾル−ゲル法により形成し、その焼成温度を７００℃とした。
【００３８】
（比較例）
比較のため、上述した実施例の第二電極層６２を形成しないもの、すなわち、下電極膜６０が第一電極層６１のみで構成される以外、上述した実施例と同じ構成のものを形成した。
【００３９】
（試験例）
上述した実施例及び比較例における第一電極層６１、第二電極層６２及び圧電体層７０の格子定数を測定した。また、圧電素子３００の変位量を測定した。この結果を下記表１に示す。なお、格子定数は、膜の面内方向をａ軸、厚さ方向をｃ軸と表している。また、格子定数は、Ｘ線回折法（X-Ray Diffraction）により測定したＸ線の回折ピークにより求めた。また、面内方向の格子定数の測定には、in-plane法を用いた。変位量は、上下電極膜に電圧を印加して、圧電素子の変位量をレーザー変位計で測定した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示すように、比較例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．０８Åとなったのに対し、実施例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２とで構成された下電極膜６０上に形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．１５Åと大きくなった。
【００４２】
また、圧電素子３００の変位量を測定したところ、ａ軸の格子定数が大きな圧電体層を有する実施例の圧電素子の方が、ａ軸の格子定数が小さな圧電体層を有する比較例の圧電素子に比べて大きな変位量となることが分かった。以上のことから、圧電体層７０の面内の格子定数が大きい方が、優れた変位特性を有するものであることが判明した。
【００４３】
また、実施例の圧電体層７０について、配向率と半価幅とを測定したところ、実施例の圧電体層７０は、（１００）面の配向率が９８％と高く、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって測定した（２００）面に由来するＸ線の回折ピークの半価幅が１２度となった。半価幅の値は小さいほど好ましく、結晶の配向揺らぎが小さいことを示している。下電極膜６０として、ランタンニッケル酸化物を用いない方法では、一般的に２０度以上となってしまう。ここで、Ｘ線回折法によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面及び（２００）面等に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」とは、Ｘ線回折法により測定されたＸ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅のことを言う。
【００４４】
また、上電極膜８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）を含む。この上電極膜８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等を含むリード電極９０が接続されている。
【００４５】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００４７】
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４８】
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００４９】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
【００５０】
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００５１】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００５２】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００５３】
なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタ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（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【００５４】
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、 １２
圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ６１ 第一電極層、 ６２ 第二電極層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下電極、圧電体層及び上電極を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層としては、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この圧電体層を用いて圧電素子を設けたとしても、十分な変位を得ることができなかった。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載される圧電アクチュエータにおいても同様に存在する。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑み、変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。なお、本発明において、「上電極」や「下電極」なる表現を用いているが、これは、単に圧電体層７０の両側の一方と他方とを特定するために用いているものであり、流路形成基板に対する配置のことではない。
【０００７】
ここで、前記第二電極層は、バリウム鉛酸化物を含むことが好ましい。これによれば、バリウム鉛酸化物の格子定数はランタンニッケル酸化物の格子定数よりも大きいため、ランタンニッケル酸化物上に直接設けた圧電体層よりも、第二電極層上の圧電体層の面内の格子定数を引き伸ばすことができる。
【０００８】
また、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、優れた変位特性の圧電素子とすることができると共に、第二電極層としてバリウム鉛酸化物を用いた場合には、圧電体層の成分が下電極側に拡散するのを抑制することができ、且つ下電極の成分が圧電体層側に拡散するのを抑制することができる。
【０００９】
また、前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層は、自然配向によって（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層及び圧電体層を（１００）面に優先配向させることができる。
【００１０】
また、前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向していることが好ましい。これによれば、第二電極層上に所定の結晶構造で所定の配向性を有する圧電体層を設けるので優れた変位特性とすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、低い駆動電圧で、重量の大きな液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドを実現できる。
【００１２】
また、本発明の他の態様は、下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備えた圧電素子を具備する圧電アクチュエータであって、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする圧電アクチュエータにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。
【００１５】
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
【００１６】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。
【００１７】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００１８】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００１９】
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ３で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有する結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３で、ｘが０．５のＰＺＴを用いた。つまり、圧電体層７０は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだものを用いた。
【００２０】
また、圧電体層７０は、結晶が（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。なお、本発明で「結晶が（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、９０％以上）が（１００）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が菱面体晶系（rhombohedral）あるいは正方晶系（tetragonal）である場合と、を含むものである。
【００２１】
さらに、圧電体層７０は、分極方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）に対して所定角度（５０〜６０°）傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。
【００２２】
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。
【００２３】
また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい
。
【００２４】
下電極膜６０は、流路形成基板１０側に設けられてランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、第一電極層６１の圧電体層７０側に設けられて、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層６２とで構成されている。
【００２５】
第一電極層６１は、厚さが例えば１００ｎｍのランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）を含む。ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、結晶が（１００）面に優先配向した導電性材料として用いられている。なお、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、二次元の方向に異方性があるランタン（Ｌａ）の層状化合物であるため、（１００）面に自然配向すると考えられる。
【００２６】
ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）の格子定数は、ＡＢＯ３のキュービック表示において、３．８７Åであり、圧電体層７０であるＰＺＴの代表的な格子定数４．１０Åに比べて小さいものである。なお、ランタンニッケル酸化物としては、例えば、ＬａＮｉＯ３が挙げられるが、たとえ他の組成比のランタンニッケル酸化物であったとしても、Ｂサイトにはイオン半径の比較的小さなニッケル（Ｎｉ）が存在するため、比較的大きなイオン半径を有するジルコニウムやチタンなどがＢサイトに存在する圧電体層７０の格子定数よりも小さくなると考えられる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１は、薄すぎると、（１００）面に優先配向したペロブスカイト型構造を有するものにならないため、例えば、１００ｎｍ程度は必要である。
【００２７】
第二電極層６２は、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含み、第一電極層６１の面内の格子定数よりも大きく、且つ圧電体層７０の面内の格子定数よりも大きい材料が用いられる。このような第二電極層６２の材料としては、例えば、バリウム鉛酸化物（一例としてＢａＰｂＯ３）が挙げられる。
【００２８】
なお、バリウム鉛酸化物は、厚すぎると、結晶が（１１０）面に優先配向してしまうため、結晶が（１００）面に優先配向する程度の厚さで形成することが好ましく、バリウム鉛酸化物の厚さは、１μｍ以下とするのが好適である。さらに、１００ｎｍ程度が好ましい。
【００２９】
また、面内の格子定数とは、圧電体層７０の下面、すなわち、圧電体層７０と下電極膜６０との界面に水平な方向の格子定数のことを言う。
【００３０】
また、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）は、格子定数が４．２５Åであり、このバリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２上には、圧電体層７０をその格子定数を面内に引き伸ばして形成して、圧電体層７０の面内の格子定数を大きくしている。すなわち、第一電極層６１上に圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１の格子定数（３．８７Å）により圧電体層７０の面内の格子定数が収縮し、圧電体層７０は、一般的なＰＺＴの格子定数（４．１０Å）よりも小さな格子定数となってしまう。これに対して、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２は、金属であり、強誘電性を示さない。したがって、ＰＺＴなどの圧電体層７０とは異なり、ヤング率が２００ＧＰａ程度と硬く、面内格子定数は下地となる第一電極層６１（ＬＮＯ）の影響を受け難い。すなわち、第二電極層６２は、下地となる第一電極層６１の（１００）面の優先配向のみを受け継ぎ、第二電極層６２の格子定数は、バリウム鉛酸化物のバルクの格子定数に近い面内格子定数（例えば、４．２５Å）と、第一電極層６１及び圧電体層７０よりも大きくすることができる。これにより、第二電極層６２上に圧電体層７０を形成することで、圧電体層７０の面内の格子定数を４．１５Å程度に引き伸ばすことができる。
【００３１】
このように、圧電体層７０の面内の格子定数を比較的大きくすることで、圧電体層７０の圧電特性を向上することができる。また、第一電極層６１及び第二電極層６２を含む下電極膜６０上に、（１００）面に優先配向した圧電体層７０を形成することができる。すなわち、第一電極層６１は（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層６２も（１００）面に優先配向しているため、圧電体層７０を第二電極層６２上にエピタキシャル成長により形成することで、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができる。ここで、例えば、下電極膜６０として、遷移金属酸化物からなる第二電極層６２のみを設けた場合、第二電極層６２は、（１００）面に優先配向しない可能性がある。
【００３２】
本実施形態では、（１００）面に優先配向した第一電極層６１によって、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができると共に、第二電極層６２によって、圧電体層７０の面内の格子定数を引き伸ばすことができ、変位特性や耐久性などの圧電特性に優れた圧電素子３００を実現できる。これにより、低電圧で圧電素子３００を駆動しても、ノズル開口２１から重量の大きなインク滴を吐出させることができる。
【００３３】
なお、第二電極層６２は、導電性を有するため電極として機能するため、第一電極層６１の厚さを比較的薄く形成することができる。すなわち、例えば、第一電極層６１のみが電極として機能し、第二電極層６２が電極として機能しない場合には、電気抵抗の問題から第一電極層６１を比較的厚く形成する必要があり、高コストになってしまう。
【００３４】
また、下電極膜６０の第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物を用いることで、圧電体層７０の成分が下電極膜６０側に拡散して不具合が発生するのを抑制すると共に、下電極膜６０の成分が圧電体層７０側に拡散して不具合が発生するのを抑制することができる。すなわち、例えば、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１のランタン（Ｌａ）やニッケル（Ｎｉ）が圧電体層７０側に拡散してしまうと共に、圧電体層７０の鉛（Ｐｂ）等の成分が第一電極層６１側に拡散してしまう。
【００３５】
これに対して、第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を用いることで、第二電極層６２のイオン半径の大きなバリウム（Ｂａ）は、圧電体層７０側に拡散することなく、また、拡散したとしても、バリウム（Ｂａ）は圧電材料としても使用される材料であるため特に問題にならない。また、第二電極層６２の鉛（Ｐｂ）が圧電体層７０側に拡散したとしても、圧電体層７０は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、第二電極層６２から拡散された鉛による不具合が発生することがない。また、圧電体層７０の成分である鉛（Ｐｂ）も同様に、第二電極層６２側に拡散されたとしても、第二電極層６２は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、圧電体層７０から拡散された鉛による不具合が発生することがない。ちなみに、第二電極層６２の下地となるランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１の成分は、第二電極層６２によって、圧電体層７０側に拡散し難いものである。
【００３６】
（実施例）
ここで、（１１０）面に優先配向したシリコンウェハ上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり厚さが１０００ｎｍの弾性膜５０と、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが５００ｎｍの絶縁体膜５５とを設け、絶縁体膜５５上に下電極膜６０として、上述した実施形態１と同様に、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）からなり厚さが１００ｎｍの第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）からなり厚さが４０ｎｍの第二電極層６２とを設けた。そして、この下電極膜６０上にＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３となる圧電体層７０を形成した後、圧電体層７０上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが２００ｎｍの上電極膜８０を形成した。
【００３７】
なお、第一電極層６１及び第二電極層６２は、スパッタリング法により形成した。また、圧電体層７０は、ゾル−ゲル法により形成し、その焼成温度を７００℃とした。
【００３８】
（比較例）
比較のため、上述した実施例の第二電極層６２を形成しないもの、すなわち、下電極膜６０が第一電極層６１のみで構成される以外、上述した実施例と同じ構成のものを形成した。
【００３９】
（試験例）
上述した実施例及び比較例における第一電極層６１、第二電極層６２及び圧電体層７０の格子定数を測定した。また、圧電素子３００の変位量を測定した。この結果を下記表１に示す。なお、格子定数は、膜の面内方向をａ軸、厚さ方向をｃ軸と表している。また、格子定数は、Ｘ線回折法（X-Ray Diffraction）により測定したＸ線の回折ピークにより求めた。また、面内方向の格子定数の測定には、in-plane法を用いた。変位量は、上下電極膜に電圧を印加して、圧電素子の変位量をレーザー変位計で測定した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示すように、比較例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．０８Åとなったのに対し、実施例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２とで構成された下電極膜６０上に形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．１５Åと大きくなった。
【００４２】
また、圧電素子３００の変位量を測定したところ、ａ軸の格子定数が大きな圧電体層を有する実施例の圧電素子の方が、ａ軸の格子定数が小さな圧電体層を有する比較例の圧電素子に比べて大きな変位量となることが分かった。以上のことから、圧電体層７０の面内の格子定数が大きい方が、優れた変位特性を有するものであることが判明した。
【００４３】
また、実施例の圧電体層７０について、配向率と半価幅とを測定したところ、実施例の圧電体層７０は、（１００）面の配向率が９８％と高く、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって測定した（２００）面に由来するＸ線の回折ピークの半価幅が１２度となった。半価幅の値は小さいほど好ましく、結晶の配向揺らぎが小さいことを示している。下電極膜６０として、ランタンニッケル酸化物を用いない方法では、一般的に２０度以上となってしまう。ここで、Ｘ線回折法によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面及び（２００）面等に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」とは、Ｘ線回折法により測定されたＸ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅のことを言う。
【００４４】
また、上電極膜８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）を含む。この上電極膜８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等を含むリード電極９０が接続されている。
【００４５】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
【００４７】
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４８】
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００４９】
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
【００５０】
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００５１】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００５２】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００５３】
なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタ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（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【００５４】
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、 １２
圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ６１ 第一電極層、 ６２ 第二電極層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、
下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第二電極層は、バリウム鉛酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備えた圧電素子を具備する圧電アクチュエータであって、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１】
液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、
下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記第二電極層は、バリウム鉛酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備えた圧電素子を具備する圧電アクチュエータであって、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−９２９９４（Ｐ２０１０−９２９９４Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６０１０４（Ｐ２００８−２６０１０４）
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【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２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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