JP2014061718A

JP2014061718A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2014061718A
Application number: JP2013257811A
Authority: JP
Inventors: Koichi Morozumi; 浩一両角; Jiro Kato; 治郎加藤; Satoshi Denda; 聡傳田; Ichiro Asaoka; 一郎朝岡
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2014-04-10

Abstract

【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アクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備し、該圧電素子が、第１電極と、該第１電極上に形成されチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層を電子エネルギー損失分光法で厚さ方向に前記第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を前記第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに第１電極、圧電体層及び第２電極を有するアクチュエータ装置に関する。

インクジェット式記録ヘッドのノズル開口から液体を噴射させる圧力発生手段として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る。そして、このような圧電素子に用いられる圧電体層として、チタン及びジルコニウムを含有し、Ｔｉ／Ｚｒ比を３０／７０〜７０／３０の範囲内にするものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２８６９５３号公報

しかしながら、特許文献１のように全体のＴｉ／Ｚｒ比を規定しただけの圧電体層を有する圧電素子では、十分な変位を得られない場合があった。なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他の液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子においても存在し、且つ液体噴射ヘッド以外のデバイスに用いられる圧電素子にも存在する。

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アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備し、該圧電素子が、第１電極と、該第１電極上に形成されチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層を電子エネルギー損失分光法で厚さ方向に前記第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を前記第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内である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、ＥＥＬＳ法により測定される圧電体層の結晶構造を、第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において、単斜晶系構造を有し、測定結果について横軸を第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内であるという所定の結晶構造にすることにより、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上することができる。

ここで、前記圧電体層の結晶構造が前記圧電体層の厚さ方向で異なることが好ましい。これによれば、さらに変位特性を向上させることができる。

また、前記圧電体層の厚さは、１〜２μｍであってもよい。これによれば、厚さ１〜２μｍ程度の薄膜の圧電体層とした場合であっても、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる。

また、前記第１電極は、白金を含むことが好ましい。これによれば、変位特性に優れた圧電素子を有する液体噴射ヘッドを実現できる。

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具備す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、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上した液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、第１電極と、該第１電極上に形成されチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを具備し、前記圧電体層を電子エネルギー損失分光法で厚さ方向に前記第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を前記第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内であることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、ＥＥＬＳ法により測定される圧電体層の結晶構造を、第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において、単斜晶系構造を有し、測定結果について横軸を第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内であるという所定の結晶構造にすることにより、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上することができる。

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。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。実施形態１に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。ＥＥＬＳ測定による得られるスペクトルである。 Ti/(Ti+Zr)と、DピークとEピークの距離との関係例を表す図である。種々の圧電素子の圧電体層の結晶構造を測定した結果を示す図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。実施例１に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。実施例２に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。比較例１に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。比較例２に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。比較例３に係る圧電体層をEELS法で測定した結果を示す図である。一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。

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′断面図である。

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、その一方の面には弾性膜５０が形成されている。

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。

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。

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。

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、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極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、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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アクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極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、第１電極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。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、例えばペロブスカイト構造を有し、金属としてＺｒやＴｉを含む強誘電体材料からなる。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、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、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。

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。

そして、本実施形態では、圧電体層７０を電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ（Electoron Energy Loss Spectroscopy）法）で厚さ方向に第１電極６０から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を第１電極６０からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系の変動が１０％以内となっている。また、該Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの正方晶系の変動が１０％以内である。

具体的には、本実施形態の圧電体層７０は、ＥＥＬＳ法で圧電体層７０の厚さ方向に測定すると、図３に示すように圧電体層７０は第１電極６０側では正方晶系であり、第１電極６０から１００ｎｍ付近以降は単斜晶系を中心にして結晶構造が、圧電体層の厚さ方向で異なっている、つまり、単斜晶系を中心にして結晶構造が単斜晶系とは異なる構造に変化している。なお、図３において、横軸が第１電極６０（ＢＥ）からの距離、縦軸がＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）（モル比）％である。また、図中に記載された横軸と並行な２本の線は、上から順に、正方晶系と単斜晶系との境界を示す線、及び、単斜晶系と菱面体晶系との境界を示す線であり、Ｔは結晶構造が正方晶系、Ｍは結晶構造が単斜晶系、Ｒは結晶構造が菱面体晶系であることを示す。この結晶構造の境界に関しても、ＥＥＬＳ法により求めることができる。詳述すると、ＥＥＬＳ測定すると、図４に示すような、各Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）におけるスペクトルが得られる。そして、結晶構造が正方晶系の場合、図４に示すＢピークが消滅するため、スペクトルから正方晶系か否かが判断できる。また、図４に示すＤピークとＥピークの距離は、単斜晶系ではほぼ一定であるが、菱面体晶系になると減衰するため、減衰が発生することで菱面体晶系であることが特定できる。例えば、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）と、ＤピークとＥピークの距離との関係例を表す図５では、ＤピークとＥピークの距離がほぼ一定の領域とピーク距離が減衰する領域があり、この減衰が発生したところ（図５においては、４６％。）が菱面体晶系と単斜晶系の境界となる。このように、ＥＥＬＳ法によって、結晶構造の境界を求めることができる。後述するように、結晶構造の境界はＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）のみでは決まらず、応力等の条件によっても変化するが、ＥＥＬＳ測定を行うことで、結晶構造の境界もわかる。

そして、本実施形態の圧電体層７０は、図３に示すように、圧電体層７０の厚さ方向の第１電極側から１００〜５００ｎｍの範囲において、第１電極６０側から順に、菱面体晶系、単斜晶系、正方晶系、単斜晶系、菱面体晶系、単斜晶系と結晶構造が連続的に変化している。該菱面体晶系の部分（第１電極側から１００〜１４０ｎｍ付近及び第１電極側から２４０〜４７０ｎｍ付近）では、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系の変動、すなわち、菱面体晶系と単斜晶系との境界でのＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％であるＸ_Rと菱面体晶系の部分でのＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％であるＸ₁やＸ₂等との差が１０％以内である。また、正方晶系の部分（第１電極側から１５０〜１９０ｎｍ付近）では、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の単斜晶系となる範囲からの正方晶系の変動、すなわち、正方晶系と単斜晶系との境界でのＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％であるＸ_Tと正方晶系の部分でのＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％であるＸ₃等との差が１０％以内である。

このような所定の範囲の結晶構造にすることにより、該範囲外の圧電体層を有する圧電素子よりも、低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、すなわち、変位特性を向上することができる圧電素子となる。

ここで、圧電体層７０は、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の変化に伴い、結晶構造が正方晶系、単斜晶系、菱面体晶系で変化する。例えば、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％が比較的低い状態では菱面体晶系となり、高くなるに従い単斜晶系、正方晶系となる。そして、このようなＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の違いによる結晶構造の相違は、絶対的なＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％によって規定されるものではなく、第１電極６０、絶縁体膜５５、弾性膜５０、流路形成基板１０等の圧電体層７０の下地による応力や、圧電体層７０の製造条件などによっても変化するものである。第１電極６０等の下地や圧電体層７０の、材質、厚さ、焼成温度等の製造条件を変えて圧電素子３００を作製し、各圧電体層７０について結晶構造を測定し、Ｔｉ／Ｚｒ＋Ｔｉ％に対して結晶構造を示した図を、図６に示す。図中、Ｔｅｔは正方晶系、Ｍｏｎｏは単斜晶系、Ｒｈｏｍは菱面体晶系であることを示す。図６に示すように、同じＴｉ／Ｚｒ＋Ｔｉ％を有する圧電体層７０でも、結晶構造は異なっている。すなわち、Ｔｉ／Ｚｒ＋Ｔｉ％だけでなく、応力によっても結晶構造が変化していることを示している。また、例えば図３の圧電体層７０の応力が変化すると縦軸方向にシフトする、すなわち、同じＴｉ／Ｚｒ＋Ｔｉ％でも、結晶構造が変化する。

したがって、従来技術のように、Ｔｉ／Ｚｒ比のみを規定しても、変位特性の良好な圧電素子３００を確実に得ることはできないが、本発明においては、上述したように応力等の影響も考慮して結晶構造を所定の範囲に規定しているので、良好な変位特性を有する圧電素子３００を確実に得ることができる。

特に１〜２μｍ程度の薄膜の圧電体層７０では、厚膜に比べて強大な応力がかかるため、Ｔｉ／Ｚｒ比のみを規定しても良好な変位特性を得難いが、本願においては、上記所定の範囲内なので、良好な変位特性を有する圧電素子３００になる。

このような圧電体層７０を有する圧電素子３００を流路形成基板１０上に形成する方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。なお、図７〜図１０は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図７（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。次いで、図７（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５を形成する。次に、図７（ｃ）に示すように、白金（Ｐｔ）の単層又は、この白金層にイリジウム（Ｉｒ）層を積層、合金化等した第１電極６０をスパッタリング法等により形成する。

次いで、図８（ａ）に示すように、第１電極６０上にチタン（Ｔｉ）からなる例えば４ｎｍ程度の種チタン層６１をスパッタリング法等により形成する。このように第１電極６０の上に種チタン層６１を設けることにより、後の工程で第１電極６０上に種チタン層６１を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）や（１１１）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、種チタン層６１は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には圧電体層７０内に拡散するものである。

次に、圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法を用いてもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図８（ｂ）に示すように、第１電極６０（種チタン層６１）上に圧電体層の前駆体膜である圧電体前駆体膜７４を成膜する。すなわち、第１電極６０が形成された流路形成基板１０上にＴｉ及びＺｒを含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７４を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、圧電体前駆体膜７４を１５０〜１７０℃で５〜１０分間保持することで乾燥することができる。次に、乾燥した圧電体前駆体膜７４を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。例えば、圧電体前駆体膜７４を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約５〜１０分間保持することで脱脂できる。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７４に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以上とすることができる。

次に、図８（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７４を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、１層目の圧電体膜７５を形成する（焼成工程）。例えば、圧電体前駆体膜７４を６５０〜８００℃で５〜３０分間加熱して圧電体膜７５を形成することができる。また、焼成工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以下とすることができる。

次に、図９（ａ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７５を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７５を同時にパターニングする。

次いで、図９（ｂ）に示すように、１層目の圧電体膜７５上を含む流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、再びチタン（Ｔｉ）からなる中間チタン層６２を形成後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を行うことにより、図９（ｃ）に示すように２層目の圧電体膜７５が形成される。そして、図９（ｄ）に示すように、２層目の圧電体膜７５の上に、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を繰り返し行うことにより、複数層の圧電体膜７５からなる圧電体層７０が形成される。

次に、図１０（ａ）に示すように、圧電体層７０上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）等からなる第２電極８０を形成した後、図１０（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び第２電極８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。

なお、圧電体層７０の結晶構造に影響を与える圧電体層７０にかかる応力は、上記圧電素子３００を流路形成基板１０上に形成する方法において、第１電極６０、絶縁体膜５５、弾性膜５０、流路形成基板１０等の圧電体層７０の下地や圧電体層７０の、材質、厚さ、組成、焼成温度等の製造条件、及びこれらのバランスによって変化するものである。

（実施例１）
上述した方法で、流路形成基板１０上に圧電素子３００を作製した。なお、圧電体層７０を形成する工程において、焼成温度は６８０℃とした。また、同じゾルを用いて１２層の圧電体前駆体膜を形成したが、１層目の圧電体前駆体膜を形成した後焼成し、２〜４層目の圧電体前駆体膜を積層した後焼成し、その後５〜１２層目の圧電体前駆体膜を積層した後焼成した。
得られた圧電素子３００の圧電体層７０について、ＥＥＬＳ法で厚さ方向に結晶構造を測定し、測定結果について横軸を第１電極６０からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした結果を図１１に示す。なお、図中、破線で仕切られ１Ｌと記載された領域は、圧電体膜７５の１層目を、２〜４Ｌと記載された領域は２〜４層目を、５Ｌ〜と記載された領域は５層目以降を示す。また、圧電素子を駆動して変位量を測定した。

（実施例２）
中間チタン層６２を形成しなかった以外は実施例１と同様の操作を行った。結果を図１２に示す。

（比較例１）
圧電体層７０の焼成温度を７００℃とした以外は実施例１と同様の操作を行った。結果を図１３に示す。

（比較例２）
圧電体層７０の焼成温度を７８０℃とした以外は実施例１と同様の操作を行った。結果を図１４に示す。

（比較例３）
第１電極６０を白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）の積層とし、膜厚をそれぞれ８０ｎｍ、５０ｎｍとして応力状態を変更した以外は、実施例１と同様の操作を行った。結果を図１５に示す。

図１１〜１５に示すように、圧電体層７０の焼成条件や下地を変えると応力等が変わるため、圧電体層７０の結晶構造は実施例１〜２及び比較例１〜３で異なっていた。そして、図１１及び１２に示すように所定の範囲内の結晶構造、すなわち、単斜晶系構造を有し、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内である実施例１〜２は、図１３〜図１５に示すように上記所定の範囲外の結晶構造を有する比較例１〜３と比べて、大きな変位量を得ることができた。

また、圧電素子３００の個別電極である各第２電極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）等からなるリード電極９０が接続されている。

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、第１電極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。

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。

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。

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。

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。

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。

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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。

（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、圧電体層７０として、第１電極６０から１００〜５００ｎｍの範囲において、上記所定範囲の菱面体晶系及び正方晶系の両方の結晶構造を有するもの（図３）や、上記所定範囲の菱面体晶系は有するが正方晶系は有さないもの（実施例２）を示したが、本発明は、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の変動、及び、単斜晶系となる範囲からの正方晶系のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の変動がそれぞれ１０％以内であればよく、菱面体晶系及び正方晶系の両方の結晶構造を有さなくてもよい。また、圧電体層は、（１００）面、（１１０）面、（００１）面、（１１１）面の何れに優先配向していてもよい。なお、圧電体層の結晶構造が正方晶系であると上記配向を制御し易いため、圧電体層７０の第１電極６０側の結晶構造は正方晶系であることが好ましい。

また、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。

さらに、これらインクジェット式記録ヘッドＩは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図１６に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６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７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

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。

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。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、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第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００リザーバ、１２０駆動回路、３００圧電素子。

Claims

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備し、
該圧電素子が、第１電極と、該第１電極上に形成されチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層を電子エネルギー損失分光法で厚さ方向に前記第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を前記第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧電体層の結晶構造が前記圧電体層の厚さ方向で異なることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記圧電体層の厚さは、１〜２μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
前記第１電極は、白金を含む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１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
第１電極と、該第１電極上に形成されチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含有する圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを具備し、
前記圧電体層を電子エネルギー損失分光法で厚さ方向に前記第１電極から１００〜５００ｎｍの範囲において測定した結晶構造は、単斜晶系構造の部分を有し、測定結果について横軸を前記第１電極からの距離とし縦軸をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％とした際のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）％の、単斜晶系となる範囲からの菱面体晶系への変動が１０％以内であり、且つ、単斜晶系となる範囲からの正方晶系への変動が１０％以内であることを特徴とするアクチュエータ装置。