(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下電極と、当該下電極上に形成された圧電体膜と、当該圧電体膜上に形成された上電極と、を備えた圧電体素子であって、少なくとも前記圧電体膜の結晶粒の粒界露出領域に、当該圧電体膜より低誘電率を備えた低誘電性物質が形成され、前記結晶粒の表層面の中心領域には前記低誘電性物質が形成されていないことを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
前記圧電体膜の結晶体の粒界が、前記電極面に対して略垂直方向に存在してなる請求項１記載の圧電体素子。
【請求項３】
前記圧電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分として構成されてなる請求項１または２記載の圧電体素子。
【請求項４】
前記圧電体膜の膜厚が、０．５μｍ以上、５μｍ以下である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の圧電体素子。
【請求項５】
前記低誘電性物質は、ペロブスカイト型構造を有さない結晶体からなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電体素子。
【請求項６】
前記低誘電性物質の構造式が、Ａ2Ｂ2Ｏ7（但し、ＡはＰｂ、ＢはＺｒとＴｉを含む）、のパイロクロア構造である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電体素子。
【請求項７】
前記低誘電性物質が、非晶質である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電体素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の圧電体素子を振動子として備えたアクチュエータ。
【請求項９】
請求項８記載のアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体素子及びこれを用いたアクチュエータ並びにインクジェット式記録ヘッドに係り、特に耐電圧性が向上した圧電体素子及びこれを用いたアクチュエータ並びにインクジェット式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する素子として、圧電体膜を下電極と上電極とで挟んだ構造を備えた圧電体素子がある。この圧電体素子は、例えば、インクジェット式記録ヘッド等のアクチュエータとして使用されている。具体的には、このインクジェット式記録ヘッドは、一般に、多数の個別インク通路（インクキャビティやインク溜り等）を形成したヘッド基台と、全ての個別インク通路を覆うように前記ヘッド基台に取り付けた振動板と、この振動板の前記個別インク通路上に対応する各部分に被着形成した圧電体素子と、を備えて構成されている。この構成のインクジェット式記録ヘッドは、前記圧電体素子に電界を加えてこれを変位させることにより、個別インク通路内に収容されているインクを、個別インク通路に設けられたノズル板に形成されているインク吐出口から押出すように設計されている。
【０００３】
前記圧電体素子は、下電極と、この下電極上に形成された圧電体膜と、この圧電体膜上に形成された上電極とを備えて構成されている。ここで、前記圧電体膜の組成は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」という）を主成分とする二成分系、または、この二成分系のＰＺＴに第三成分を加えた三成分系とされている。これらの組成の圧電体膜は、例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザアブレーション法及びＣＶＤ法等により形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の圧電体素子は、耐電圧性の向上に関して何等検討がなされておらず、圧電体素子に加えられた電界によっては、圧電体膜が絶縁破壊を起こす恐れがある。また、圧電体素子（圧電体膜）の圧電特性と、耐電圧性との関係も検討されていない。また、この圧電体膜を薄膜化すればするほど切実な問題である。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とするものであり、圧電体素子の耐電圧性を向上し、信頼性の高い圧電体素子を提供することを目的とするものである。また、この圧電体素子を用いたアクチュエータ、さらには、このアクチュエータを用いたインクジェット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、下電極と、当該下電極上に形成された圧電体膜と、当該圧電体膜上に形成された上電極と、を備えた圧電体素子であって、少なくとも前記圧電体膜の結晶粒の粒界露出領域に、当該圧電体膜より低誘電率を備えた低誘電性物質が形成され、前記結晶粒の表層面の中心領域には前記低誘電性物質が形成されていないことを特徴とする圧電体素子を提供するものである。
【０００７】
この構造を備えた圧電体素子は、前記低誘電性物質の存在により、電界が加えられた際に圧電体膜の結晶粒界にかかる電圧を、低誘電性物質が形成されていない場合に比較して低くすることができる。言い換えれば、圧電体膜の粒界を介して流れるリーク電流を減らすことができる。したがって、圧電体素子の耐電圧特性が向上される。
【０００８】
前記圧電体膜の結晶体の粒界は、前記電極面に対して略垂直方向に存在することができる。
【０００９】
また、前記圧電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分として構成することができる。
【００１０】
そしてまた、前記圧電体膜の膜厚は、０．５μｍ以上、５μｍ以下にすることがより好ましい。
【００１１】
また、前記低誘電性物質は、ペロブスカイト型構造を有さない結晶体から構成することができる。
【００１２】
さらに、前記低誘電性物質は、その構造式が、Ａ2Ｂ2Ｏ7（但し、ＡはＰｂ、ＢはＺｒとＴｉを含む）のパイロクロア型構造とすることができる。また、前記低誘電性物質は、非晶質とすることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、前述した構成を備えた圧電体素子を振動子として備えたアクチュエータを提供するものである。
【００１４】
さらにまた、本発明は、前記アクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドを提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電体素子の断面図、図２は、図１に示す圧電体素子を構成する圧電体膜（ＰＺＴ膜）の表面を示す模式図、図３は、本発明の実施の形態に係る圧電体素子を振動板として用いたアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドの一部を示す断面図、図４は、図３に示すインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明に係る圧電体素子１０は、下電極１１と、下電極１１上に形成された圧電体膜１２と、圧電体膜１２上であって、圧電体膜１２の粒界露出領域及びその付近に形成され、圧電体膜１２より低誘電率を備えた低誘電性物質１４と、低誘電性物質１４が形成された圧電体膜１２上に形成された上電極１３と、を備えて構成されている。
【００１８】
圧電体膜１２の製造方法は後に詳述するが、その組成は以下に示す化学式のようにした。
【００１９】
ＰｂＴｉαＺｒβ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）γＯ3＋δＰｂＯ
但し、α＝０．４、β＝０．５、γ＝０．１
この圧電体膜１２は、図１に示すように、柱状の結晶粒３１で構成され、この結晶粒３１間の粒界３２は膜面に対して略垂直方向に存在する。
【００２０】
なお、この圧電体膜１２及び低誘電性物質１４の誘電率を測定したところ、圧電体膜１２の比誘電率は、１２００〜２８００であり、低誘電性物質１４の比誘電率は、３〜８０であった。
【００２１】
本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、図３に示すように、複数のインク室２が形成された単結晶シリコン基板１と、単結晶シリコン基板１上に二酸化シリコン膜３を介して形成された圧電体素子１０と、インク室２の前記と反対側の面を封止するとともに、インク吐出用のノズル口８が形成されたノズル板７と、を備えて構成されている。このインクジェット式記録ヘッドは、圧電体素子１０を振動板としたアクチュエータを備えている。
【００２２】
なお、本実施の形態では、インク室２の配列方向の長さを１００μｍ、その奥行き方向の長さを４ｍｍに設定した。さらに、インク室２の配列方向のピッチは１４１μｍとし、解像度は１８０ｄｐｉ（dot per inch）とした。また、圧電体膜１２の配列方向の長さを８０μｍに設定した。
【００２３】
次に、このインクジェット式記録ヘッドの製造方法を図４に示す工程に沿って説明する。
【００２４】
図４(1)に示す工程では、面方位（１１０）を有する単結晶シリコン基板１（基板厚：２２０μｍ）を、１２００℃程度の温度で湿式熱酸化し、単結晶シリコン基板１の上面に二酸化シリコン膜３を、下面に二酸化シリコン膜４を同時に形成する。
【００２５】
次に、二酸化シリコン膜３上に、白金下電極形成用膜１１Ａ、圧電体膜形成用膜１２Ａ及び上電極形成用膜１３Ａを、順に形成する。実際には、二酸化シリコン膜３と、白金下電極形成用膜１１Ａとの間に、両者の密着力を向上させるための中間膜として、チタン膜（膜厚：２５０Å）、二酸化チタン膜（膜厚：２００Å）及びチタン膜（膜厚５０Å）を順に形成した。この中間層と、白金下電極形成用膜１１Ａは、直流スパッタリング法により４層連続形成した。なお、二酸化チタン膜は、１０％酸素雰囲気によるリアクティブスパッタリング法によって形成した。
【００２６】
圧電体膜形成用膜１２Ａの形成は、先ず、化学式
ＰｂＴｉαＺｒβ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）γＯ3＋δＰｂＯ
但し、α＝０．４、β＝０．５、γ＝０．１
で表わされる有機原料を調合する。次に、回転塗布機を用い、この有機原料を白金下電極形成用膜１１Ａ上に回転塗布（スピンコート）した後、これを１８０℃で１０分間乾燥し、次いで、４００℃の大気中で３０分間脱脂する。この有機原料の塗布、乾燥、脱脂工程を６回繰り返す。その後、 ＲＴＡ（Rapid Thermal  Annealing)を用いて、６５０℃で３分間、次いで９００℃で１分間の連続焼成を行う。このようにして、膜厚が約１μｍのＰＺＴ膜からなる圧電体膜形成用膜１２Ａを得る。
【００２７】
この圧電体膜形成用膜１２Ａは、その結晶体の粒界が、下電極１１の表面に対して略垂直方向に存在している。また、この圧電体膜形成用膜１２Ａの粒界露出領域及びその付近には、圧電体膜形成用膜１２Ａより低誘電率を備えた低誘電性物質１４が形成された。
【００２８】
次に、圧電体膜形成用膜１２Ａ上に、白金からなる上電極形成用膜１３Ａを直流スパッタリング法により、２００ｎｍの膜厚で形成する。
【００２９】
次いで、二酸化シリコン膜４上に、フォトレジスト膜（図示せず）を形成し、このフォトレジスト膜のインク室２が形成される領域に対応する部分を選択的に除去し、エッチングマスク（図示せず）を形成する。次に、このエッチングマスクをマスクとして、二酸化シリコン膜４を、フッ酸とフッ化アンモニウムの水溶液でパターニングし、開口部２３を形成する。
【００３０】
次に、図４(2)に示す工程では、上電極形成用膜１３Ａ上の、上電極が形成される領域に対応する部分に、エッチングマスク（図示せず）を形成する。次いで、このエッチングマスクをマスクとして、イオンミリングにより上電極形成用膜１３Ａ及び圧電体膜形成用膜１２Ａをエッチングし、上電極１３及び圧電体膜１２を形成する。次に、白金下電極形成用膜１１Ａをパターニングして下電極１１を得る。このようにして、下電極１１、圧電体膜１２、低誘電性物質１４及び上電極１３からなる圧電体素子１０を形成した。
【００３１】
次に、図４(3)に示す工程では、単結晶シリコン基板１の圧電体素子１０が形成されている側を治具により保護する（図示せず）。次いで、これを８０℃の水酸化カリウム水溶液に浸漬し、開口部２３が形成された二酸化シリコン膜４をマスクとして、二酸化シリコン膜３が露出するまで単結晶シリコン基板１に異方性エッチングを行う。
【００３２】
ここで、前記異方性エッチングのエッチング溶液として水酸化カリウム水溶液を用いた場合、単結晶シリコン基板１の（１１０）面と（１１１）面のエッチング速度の比は、３００：１程度となり、単結晶シリコン基板１０１の厚さ２２０μｍの深さの溝をサイドエッチング１μｍ程度に抑えることができるので、インク室２を精度よく形成することができる。
【００３３】
次に、前記治具を固定した状態のまま二酸化シリコン膜４と、露出された二酸化シリコン膜３を、フッ酸とフッ化アンモニウム水溶液でエッチング除去し、インク室２を形成した。その後、所望の工程を行い、インクジェット式記録ヘッドを完成する。
【００３４】
低誘電性物質１４は、透過型電子顕微鏡や電子線回析による解析によると、元素構成は前記圧電体膜１２と同じであるが、結晶性は、圧電体膜１２がペロブスカイト型であるのに対して、低誘電性物質１４は非晶質かあるいはパイロクロア構造であった。
【００３５】
この低誘電性物質１４は、前記圧電体膜１２の焼成による結晶成長過程で生じた余剰組成物が、図１の圧電体結晶粒３１が成長するにしたがって、粒界３２へと追いやられ、最終的に隣接結晶粒３１が接合し、粒界３２が閉じた時点で、粒界３２を介して表層面に押出されて形成されていると思われる。
【００３６】
低誘電性物質１４の生成量の程度は、圧電性膜の原組成や焼成条件等により変動するが、前記組成と焼成条件により直線的に変化するので、任意の生成量に制御することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、低誘電性物質１４は図２に示すように、圧電体膜１２の粒界露出領域及びその付近に形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図５に示すように、圧電体膜１２のほぼ全面に形成されていてもよく、また、粒界露出領域のみに形成されていてもよい。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る圧電体膜１２を示す化学式において、余剰のＰｂのモル比（δ）が表１に示す値となるように圧電体膜を形成したインクジェット式記録ヘッドを形成した（サンプル１〜５）。
【００３９】
次に、これらのサンプルに対し、圧電体膜の表面形態、圧電特性及び絶縁破壊電圧を調査した。この結果を表１に示す。
【００４０】
なお、圧電体膜の表面形態は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察した結果を模式的に表したものである。
【００４１】
【表１】
0003666163.tif 000002
【００４２】
表１に示すように、本発明に係るインクジェット式記録ヘッド（サンプル１〜３）は、比較品（サンプル４及び５）に比べ、絶縁破壊電圧が高く、耐電圧性が向上したことが判る。これは、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、圧電体素子に電界を加えた際に、前記低誘電性物質の存在により、圧電体膜の結晶粒界にかかる電圧が低くなるため、結果的に高い電圧がかかっても絶縁破壊が起きにくくなるためである。
【００４３】
なお、本実施の形態では、低誘電性物質の結晶構造が非晶質である場合について説明したが、これに限らず、低誘電性物質の結晶構造は、例えば、パイロクロアであってもよい。
【００４４】
また、本実施の形態では、圧電体膜を、前述した化学式で示されるＰＺＴから構成した場合について説明したが、これに限らず、圧電体膜は、他の化学式で表わされる組成のＰＺＴ等、圧電体素子を構成可能な特性を備えていれば、特に限定されるものではない。
【００４５】
さらにまた、本実施の形態で説明した製造方法は、一例であり、少なくとも圧電体膜の粒界露出領域に、当該圧電体膜より低誘電率を備えた低誘電性物質が形成されれば、任意に変更してよいことは勿論である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る圧電体素子は、これに電界を加えた際に、少なくとも圧電体膜の粒界露出領域に形成された低誘電性物質の存在により、圧電体膜の結晶粒界にかかる電圧を、低誘電性物質が形成されていない場合と比較して低くすることができる。すなわち、圧電体膜の粒界を介して流れるリーク電流を減らすことができるため、圧電体膜が絶縁破壊を起こすことを防止することができる。この結果、圧電体素子の耐電圧性を向上し、信頼性の高い圧電体素子を提供することができる。
【００４７】
また、この圧電体素子を使用することで、信頼性の高いアクチュエータ、インクジェット式記録ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電体素子の断面図である。
【図２】図１に示す圧電体素子を構成する圧電体膜（ＰＺＴ膜）の表面を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る圧電体素子を振動板として用いたアクチュエータを備えたインクジェット式記録ヘッドの一部を示す断面図である。
【図４】図３に示すインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る圧電体素子を構成する圧電体膜（ＰＺＴ膜）の表面を示す模式図である。
【図６】従来の圧電体素子を構成する圧電体膜（ＰＺＴ膜）の表面を示す模式図である。
【符号の説明】
１    単結晶シリコン基板
２    インク室
３、４    二酸化シリコン膜
７    ノズル板
８    ノズル口
１０    圧電体素子
１１    下電極
１２    圧電体膜
１３    上電極
１４    低誘電性物質
【図１】
0003666163.tif 000003
【図２】
0003666163.tif 000004
【図３】
0003666163.tif 000005
【図４】
0003666163.tif 000006
【図５】
0003666163.tif 000007
【図６】
0003666163.tif 000008