(57)【要約】【課題】  良好な圧電特性を有する圧電体膜を提供する。【解決手段】  本発明の第１の形態にかかる圧電体膜５は、  （Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３の一般式で示される圧電体からなり、  Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、  Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、  ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、  ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３の一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である、圧電体膜。
【請求項２】
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３の一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａ、ｂ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ）／（２＋ｄ）の関係式を満たし、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である、圧電体膜。
【請求項３】
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３−ｃの一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ＋２ｃ）／（２＋ｄ）の関係式を満たし、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｃは、０≦ｃ≦０．０５の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である、圧電体膜。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記Ｂｉは、ペロブスカイト型構造のＡサイトに存在する、圧電体膜。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記圧電体膜は、Ｓｉ、または、ＳｉおよびＧｅを含む、圧電体膜。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｚｒ１−ｐ，Ｔｉｐ）１−ａＮｂａＯ３の一般式で示される圧電体からなり、
ｐは、０．２≦ｐ≦０．６の範囲である、圧電体膜。
【請求項７】
請求項６において、
ｐは、（ｐＭＰＢ−０．０５）≦ｐ≦ｐＭＰＢの範囲であり、
ｐＭＰＢは、該圧電体膜の結晶構造の相境界におけるｐの値を示す、圧電体膜。
【請求項８】
請求項６において、
該圧電体膜の結晶構造の相境界におけるｐを有する、圧電体膜。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶（１００）に優先配向している、圧電体膜。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電体膜と、
前記圧電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記圧電体膜の下方に形成された下部電極と、
を有する、圧電素子。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記下部電極は、ペロブスカイト型構造を有する結晶からなる、圧電素子。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の圧電素子を有する、圧電アクチュエーター。
【請求項１３】
請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電体膜を有する、圧電ポンプ。
【請求項１４】
請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電体膜を有する、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項１５】
請求項１４に記載のインクジェット式記録ヘッドを有する、インクジェットプリンター。
【請求項１６】
請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電体膜が、基板の上方に形成されてなる、表面弾性波素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の表面弾性波素子が有する前記圧電体膜の上方に形成された第１の電極と、
前記圧電体膜の上方に形成された第２の電極と、を含む、周波数フィルタ。
【請求項１８】
請求項１６に記載の表面弾性波素子が有する前記圧電体膜の上方に形成された第１の電極と、
前記圧電体膜の上方に形成された第２の電極と、
トランジスタを有する発振回路と、を含む、発振器。
【請求項１９】
請求項１８に記載の発振器を含む、電子回路。
【請求項２０】
請求項１ないし９のいずれかの圧電体膜を有する共振子が、基板の上方に形成されてなる、薄膜圧電共振器。
【請求項２１】
請求項１３記載の圧電ポンプ、請求項１７に記載の周波数フィルタ、請求項１８に記載の発振器、請求項１９に記載の電子回路、請求項２０に記載の薄膜圧電共振器のうちの少なくとも１つを有する、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体膜、圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電ポンプ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）に代表される圧電体膜を用いた圧電素子が用いられている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
また、表面弾性波素子や周波数フィルタ、発振器、電子回路などにおいても、その特性向上が望まれていることから、新たな圧電材料による良好な製品の提供が望まれている。
【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】
本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電体膜を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電体膜を用いた圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電ポンプ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の形態にかかる圧電体膜は、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３の一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である。
【０００６】
本発明にかかる第２の形態にかかる圧電体膜は、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３の一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａ、ｂ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ）／（２＋ｄ）の関係式を満たし、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である。
【０００７】
本発明の第３の形態にかかる圧電体膜は、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３−ｃの一般式で示される圧電体からなり、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ＋２ｃ）／（２＋ｄ）の関係式を満たし、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｃは、０≦ｃ≦０．０５の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である。
【０００８】
本発明によれば、ＡサイトにＰｂを有するペロブスカイト型構造を有する結晶においてＰｂより価数の高い上述のＢｉを、Ｐｂと置換させることで、結晶構造全体としての中性を保持することができ、その結果、酸素の欠損を防止することができる。これにより圧電体膜５の絶縁性は良好なものとなり、電流リークを防止することができる。
【０００９】
本発明にかかる圧電体膜において、
前記Ｂｉは、ペロブスカイト型構造のＡサイトに存在することができる。
【００１０】
本発明にかかる圧電体膜において、
前記圧電体膜は、Ｓｉ、または、ＳｉおよびＧｅを含むことができる。
【００１１】
本発明にかかる圧電体膜において、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｚｒ１−ｐ，Ｔｉｐ）１−ａＮｂａＯ３の一般式で示される圧電体からなり、
ｐは、０．２≦ｐ≦０．６の範囲であることができる。
【００１２】
本発明にかかる圧電体膜において、
ｐは、（ｐＭＰＢ−０．０５）≦ｐ≦ｐＭＰＢの範囲であり、
ｐＭＰＢは、該圧電体膜の結晶構造の相境界におけるｐの値を示すことができる。
【００１３】
本発明にかかる圧電体膜において、
該圧電体膜の結晶構造の相境界におけるｐを有することができる。
【００１４】
本発明にかかる圧電体膜において、
ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶（１００）に優先配向していることができる。
【００１５】
本発明にかかる圧電素子は、
上述した圧電体膜と、
前記圧電体膜の上方に形成された上部電極と、
前記圧電体膜の下方に形成された下部電極と、
を有する。
【００１６】
本発明にかかる圧電素子において、
前記下部電極は、ペロブスカイト型構造を有する結晶からなることができる。
【００１７】
本発明にかかる圧電アクチュエーターは、
上述した圧電素子を有する。
【００１８】
本発明にかかる圧電ポンプは、
上述した圧電体膜を有する。
【００１９】
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、
上述した圧電体膜を有する。
【００２０】
本発明にかかるインクジェットプリンターは、
上述したインクジェット式記録ヘッドを有する。
【００２１】
本発明にかかる表面弾性波素子は、
上述した圧電体膜が、基板の上方に形成されてなる。
【００２２】
本発明にかかる周波数フィルタは、
上述した表面弾性波素子が有する前記圧電体膜の上方に形成された第１の電極と、
前記圧電体膜の上方に形成された第２の電極と、を含む。
【００２３】
本発明にかかる発振器は、
上述した表面弾性波素子が有する前記圧電体膜の上方に形成された第１の電極と、
前記圧電体膜の上方に形成された第２の電極と、
トランジスタを有する発振回路と、を含む。
【００２４】
本発明にかかる電子回路は、
上述した発振器を含む。
【００２５】
本発明にかかる薄膜圧電共振機は、
上述した圧電体膜を有する共振子が、基板の上方に形成されてなる。
【００２６】
本発明にかかる電子機器は、
上述した電ポンプ、上述した周波数フィルタ、上述した発振器、上述した電子回路、上述した薄膜圧電共振器のうちの少なくとも１つを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
１−１．圧電体膜および圧電素子
図１は、本発明にかかる圧電素子１を示す断面図である。この圧電素子１は、基板２上に形成されたバッファ層３と、バッファ層３の上に形成された下部電極４と、下部電極４の上に形成された圧電体膜５と、圧電体膜５の上に形成された上部電極６と、を備える。
【００２９】
基板２は、たとえばシリコン基板を用いることができる。本実施の形態において、基板２には、シリコンの（１１０）基板を用いている。基板２は加工されることにより、後述するようにインクジェット式記録ヘッド５０においてインクキャビティーを形成するものとなる。また、バッファ層３は、インクジェット式記録ヘッド５０において弾性膜として機能するものとなる。
【００３０】
バッファ層３としては、単一配向している（厚さ方向にのみ配向方位が揃っている）ものであればよいが、さらに面内配向している（三次元方向の全てに配向方位が揃っている）ものであるのが好ましい。このようなバッファ層３を設けることにより、自然酸化膜を形成したシリコン基板からなる基板２と後述する下部電極４との間で、優れた接合性（密着性）を得ることができる。
【００３１】
また、このバッファ層３は、ＮａＣｌ構造の金属酸化物、蛍石型構造の金属酸化物、ペロブスカイト構造の金属酸化物等のうちの少なくとも１種を含むものが好ましく、特に、ＮａＣｌ構造の金属酸化物又は蛍石型構造の金属酸化物と、ペロブスカイト構造の金属酸化物とが積層された構造となっているのが好ましい。ＮａＣｌ構造の金属酸化物や蛍石型構造の金属酸化物は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物との格子不整合が小さいので、後述するように下部電極４として特にペロブスカイト構造のものを形成する場合に、その下地となるペロブスカイト構造の層を形成するうえで有利となることができる。
【００３２】
本実施の形態におけるバッファ層３は、ＮａＣｌ構造の金属酸化物または蛍石型構造の金属酸化物からなる第１バッファ層７および第２バッファ層８と、この第２バッファ層８の上に形成されたペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる第３バッファ層９とによって構成されている。
【００３３】
第１バッファ層７は、たとえばイオンビームアシスト法で形成することができる。第１バッファ層７は、たとえば立方晶（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」という）を用いることができる。ＹＳＺとしては、以下の式で表されるものを任意に用いることができる。
Ｚｒ１−ｘＬｎｘＯｙ      ０≦ｘ≦１．０
（Ｌｎ；Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ）
【００３４】
第１バッファ層７の厚さは、たとえば１μｍ程度に厚く形成される。第１バッファ層７を厚く形成するのは、後述するようにエッチングによって基板２にインクキャビティーを形成する際、この第１バッファ層７をエッチングストッパ層として機能させているためである。また、このように第１バッファ層７を厚く形成しているので、前述したようにバッファ層３をインクジェット式記録ヘッド５０において弾性板として機能させた際、実質的にはこの第１バッファ層７が弾性板として機能することができる。
【００３５】
第１バッファ層７は、基板２上に直接形成されるが、シリコン基板からなる基板２表面には通常、自然酸化膜（二酸化シリコン）が形成されている。したがって、この自然酸化膜上にＹＳＺをエピタキシャル成長させることは一般的な成膜法では難しいことから、本実施の形態では、後述するように特にイオンビームアシスト法を用いてエピタキシャル成長させることにより、この第１バッファ層７を形成するものとする。なお、基板２表面に形成されている自然酸化膜は、アモルファス膜であってもよい。
【００３６】
第２バッファ層８は、たとえば立方晶（１００）配向のＣｅＯ２を用いることができる。第２バッファ層８は、第１バッファ層７上にエピタキシャル成長させられるものを用いることができる。第２バッファ層８の厚さは、たとえば１００ｎｍ程度である。
【００３７】
なお、これら第１バッファ層７および第２バッファ層８としては、ＹＳＺやＣｅＯ２に限定されることなく、任意のＮａＣｌ構造の金属酸化物や蛍石型構造の金属酸化物を用いることができる。ＮａＣｌ構造の金属酸化物としては、たとえばＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＭｎＯ、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、または、これらを含む固溶体などが挙げられるが、これらの中でも、特に、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、または、これらを含む固溶体のうちの少なくとも１種を用いるのが好ましい。このようなＮａＣｌ構造の金属酸化物は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物との格子不整合が特に小さいものとなる。
【００３８】
蛍石型構造の金属酸化物としては、たとえば、ＹＳＺ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＴｈＯ２、ＵＯ２、または、これらを含む固溶体等が挙げられるが、これらの中でも、ＹＳＺ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、または、これらを含む固溶体のうちの少なくとも１種を用いるのが好ましい。このような蛍石型構造の金属酸化物も、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物との格子不整合が特に小さいものとなる。
【００３９】
第３バッファ層９としては、たとえば層状ペロブスカイト型酸化物であるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ｘは、たとえば７）を用いることができる。第３バッファ層９は、第２バッファ層８上に斜方晶（００１）配向でエピタキシャル成長させられるものを用いることができる。第３バッファ層９の厚さは、たとえば３０ｎｍ程度である。第３バッファ層９にペロブスカイト構造を有する金属酸化物を用いることにより、第３バッファ層９は、前述したように第２バッファ層８との間で格子不整合が特に小さいものとなる。したがって、欠陥等がない良好な結晶構造を有するとともに、この第３バッファ層９上に、ペロブスカイト型の下部電極４を良好にエピタキシャル成長させることができる。
【００４０】
なお、第３バッファ層９としては、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘに限定されることなく、他のペロブスカイト型金属酸化物を用いることもできる。たとえば、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、または、これらを含む固溶体などを用いることもできる。
【００４１】
下部電極４としては、ペロブスカイト型構造を有する結晶、たとえば擬立方晶（１００）配向にエピタキシャル成長されたＳｒＲｕＯ３を用いることができる。下部電極４に擬立方晶（１００）配向でエピタキシャル成長されたものを用いることによって、下部電極４上にロンボヘドラル構造で擬立方晶（１００）配向の圧電体膜５を、より良好に形成することができる。下部電極４の厚さは、たとえば５０〜１５０ｎｍ程度である。
【００４２】
また、下部電極４としては、たとえば（１００）配向したＰｔを用いることもできる。この場合、下部電極４の厚さは、たとえば３０ｎｍ程度である。下部電極４としては、たとえば（１１１）配向したＰｔを用いることもできる。この場合、後述する圧電体膜５の厚さを１００ｎｍ以上とすることで、圧電体膜５は成膜途中で擬立方晶（１００）配向し、擬立方晶（１００）配向した圧電体膜５を得ることができる。
【００４３】
下部電極４の材料としては、上記材料に限定されることなく、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３、Ｌａ−ＳｒＴｉＯ３、Ｎｂ−（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、あるいはＰｂＢａＯ３などを用いることができる。ここで、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３はＳｒＴｉＯ３にＮｂをドープしたものであり、Ｌａ−ＳｒＴｉＯ３はＳｒＴｉＯ３にＬａをドープしたものであり、Ｎｂ−（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３は（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３にＮｂをドープしたものである。
【００４４】
圧電体膜５は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する下記一般式（１）で示されるものからなる。
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３・・・（１）
一般式（１）において、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉの少なくとも一方からなり、
Ｘは、ＮｂおよびＴａの少なくとも一方からなり、
ａは、０．０５≦ａ≦０．４の範囲であり、
ｄは、０＜ｄ≦０．５の範囲である。
【００４５】
ペロブスカイト型とは、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すような結晶構造を有するもので、図２（ａ）、図２（ｂ）においてＡで示す位置をＡサイト、Ｂに示す位置をＢサイトという。
【００４６】
一般式（１）において、ＰｂおよびＢｉは、Ａサイトに位置し、ＢおよびＸは、Ｂサイトに位置する。また、Ｏ（酸素）は図２（ａ）、図２（ｂ）中においてＯで示したところに位置する。
【００４７】
Ｘは、Ｚｒ，Ｔｉより価数の高い金属元素を用いることができる。Ｚｒ，Ｔｉ（＋４価）より価数の高い金属元素としては、たとえばＮｂ（＋５価）、Ｔａ（＋５価）である。
【００４８】
Ｐｂ系のペロブスカイト型構造を有するもの、たとえばＰＺＴなどは、Ｐｂの蒸気圧が高いために、ペロブスカイト型構造のＡサイトに位置するＰｂが蒸発しやすい。ＰｂがＡサイトから抜けると、電荷中性の原理によって同時に酸素が欠損する。この現象は、Ｓｃｈｏｔｔｏｋｙ欠陥と呼ばれる。たとえば、ＰＺＴにおいて酸素が欠損すると、ＰＺＴのバンドギャップが低下する。このバンドギャップの低下によって、たとえばＰＺＴからなる圧電体膜はリーキーなものとなる。すなわち、圧電体膜の絶縁性が低下する。
【００４９】
しかし、本発明によれば、Ｐｂより価数の高い上述のＢｉを、ＰＺＴのＡサイトのＰｂと置換させることで、結晶構造全体としての中性を保持することができ、その結果、酸素の欠損を防止することができる。これにより圧電体膜５の絶縁性は良好なものとなり、電流リークを防止することができる。Ｘについても、Ｂｉと同様に、Ｚｒ、Ｔｉより価数の高い元素を用いることにより、結晶構造全体としての中性を保持することができ、その結果、酸素の欠損を防止することができる。
【００５０】
また、Ｂｉは酸素との共有結合性がＰｂに比べて強いため、結晶から抜け難くなっていると考えられる。共有結合性の強度は、結合する原子同士の軌道準位の相対値によって定まる。ペロブスカイト型構造では、Ａサイトに入る原子の６ｐ軌道準位が酸素の２ｐ軌道準位に近づくにつれて、Ａサイト原子と、当該Ａサイトと最近接する酸素原子との軌道が混成しやすくなるため、ＢｉはＰｂに比べて結晶から抜け難い。このことによっても、圧電体膜５の絶縁性を良好なものとすることができる。なおＰｂおよびＢｉの６ｐ軌道は、ペロブスカイト型構造のＡサイトにおいては非占有軌道として振る舞うため、６ｐ軌道は共有結合度の増大に寄与することができる。一方、ＰｂおよびＢｉの６ｓ軌道は占有軌道として振る舞うため、共有結合度の増大に寄与することができない。
【００５１】
図３は、酸素原子の２ｐ軌道準位を基準としたときの、ＢｉとＰｂの６ｐ軌道準位の相対値を示す。計算方法は密度汎関数法に基づき、相対論的に電子の波動方程式を解くことにより各原子の軌道エネルギーを求めた。Ｂｉの６ｐ軌道準位は、Ｐｂの６ｐ軌道準位より、酸素の２ｐ軌道準位に近い。このように、Ａサイトに入る原子の６ｐ軌道準位が酸素の２ｐ軌道準位に近づくことによって酸素との共有結合度が高まりＡサイトから抜けにくくなる。また同時に、圧電体膜５のキュリー温度や分極モーメント、圧電定数などの強誘電性を高めることができる。なお、６ｓ軌道は、Ａサイトにおいては占有軌道になるため、共有結合度に対して有効な寄与をすることはなく、強誘電性を高めることもない。
【００５２】
Ｘの添加量ａは、
０．１０≦ａ≦０．３０
の範囲であることが好ましく、
０．２０≦ａ≦０．２５
であることがより好ましい。
【００５３】
上述した数値範囲は次の意義を有する。Ｘの添加量ａが０．１０未満では、添加による電流リーク防止効果が良好とならず、Ｘの添加量ａが０．３０を越えても、それ以上は電流リーク防止効果の向上があまり期待できないからである。Ｘが＋５価の元素の場合とは、たとえばＮｂ、Ｔａの場合であるが、好ましい元素は、Ｎｂである。
【００５４】
Ｂｉの添加量ｄは、０＜ｄ≦０．５、より好ましいのは０．０５≦ｄ≦０．３である。Ｂｉの添加量が０であれば本実施例の効果はなく、またＢｉの添加量が多すぎると圧電体膜のリーク電流が増大してしまう。
【００５５】
圧電体膜５の厚さは、たとえば５００〜１５００ｎｍ程度である。圧電体膜５は、擬立方晶構造を有し、かつ擬立方晶（１００）に優先配向していることができる。
【００５６】
ここで、「擬立方晶構造」とは、例えば、ロンボヘドラル構造、テトラゴナル構造、およびモノクリニック構造などを含む。圧電体膜５は、下部電極４上に液相法や気相法によって成膜される。圧電体膜５は、特に成膜時の温度条件（加熱条件）等を適宜に制御することにより、擬立方晶（１００）に優先配向させることができる。ここで、「優先配向」とは、所望配向の擬立方晶（１００）にすべての結晶が配向している場合と、所望配向の擬立方晶（１００）にほとんどの結晶が配向しており、擬立方晶（１００）に配向していない残りの結晶が他の配向となっている場合とを含むことができる。
【００５７】
ここで圧電体膜５の構造を特定する方法としては、Ｘ線回折とラマン散乱を用いる方法を併用することができる。
【００５８】
上記一般式（１）で示されるものの具体例としては、たとえば（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｚｒ１−ｐ，Ｔｉｐ）１−ａＮｂａＯ３からなるものである。これは、ペロブスカイト型の結晶構造を有するＰｂ（Ｚｒ１−ｐＴｉｐ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」ともいう。）において、ＮｂおよびＢｉを添加したものである。
【００５９】
Ｎｂの添加量は、上述の式のａで示される。Ｂｉの添加量は、上述の式のｄで示される。
【００６０】
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｚｒ１−ｐ，Ｔｉｐ）１−ａＮｂａＯ３におけるｐは、ある範囲を有する。ｐの上限値としては、圧電体膜５の結晶構造の相境界（ＭＰＢ：Morphotropic Phase Boundary）におけるｐの値（以下、「ｐＭＰＢ」ともいう。）となる。相境界におけるｐの値（ｐＭＰＢ）とは、ロンボヘドラル構造とテトラゴナル構造とが相転移するときのＴｉの組成比を示す値である。そして、ｐの範囲としては、相転移するときの組成比より小さく、これによりロンボヘドラル構造となる範囲とされる。ここで、圧電定数（ｄ３１）は、相境界付近で極大値をとる。したがって、ｐの下限値としては、相境界におけるｐの値（ｐＭＰＢ）に近い値が選択される。よって、ｐの範囲としては、本発明を構成するうえでは比較的小さい値まで許容できるものの、より高い圧電定数（ｄ３１）を得るためには、好ましいｐの値、すなわち相境界におけるｐの値（ｐＭＰＢ）により近い値が選択される。したがって、ｐの範囲の下限値は、圧電素子１を動作させる際に、許容される圧電定数（ｄ３１）の下限値のときのｐの値となる。上述の内容を式で示すと、例えば、ｐは、
（ｐＭＰＢ−０．０５）≦ｐ≦ｐＭＰＢ
の範囲であることができる。ｐＭＰＢは、例えば、０．５程度である。なお、ｐＭＰＢは、膜応力などによって変り得るため、特に限定されないが、
ｐＭＰＢは、０．２５≦ｐ≦０．６
の範囲であることが好ましい。したがって、
ｐは、０．２≦ｐ≦０．６
の範囲であることが好ましい。
【００６１】
ｐが上述の範囲内であれば、容易に圧電体膜５をロンボヘドラル構造にコントロールすることができ、高い圧電特性を発現できる。圧電体膜５は、圧電体膜５の結晶構造の相境界におけるｐ（ｐＭＰＢ）を有することもできる。これにより、圧電定数（ｄ３１）を、極大値とすることができる。
【００６２】
なお、上述した一般式（１）は、（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３で示され、Ａサイトの原子は欠損していないが、Ａサイトの原子を欠損させることもできる。すなわちこの場合の組成式は、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３
の一般式で示される。この場合、Ａサイトの欠損量ｂ、ａ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ）／（２＋ｄ）
の関係式を満たす。
また、ａは、
０．０５≦ａ≦０．４
の範囲であり、ｄは、
０＜ｄ≦０．５
の範囲である。
【００６３】
さらに、Ｏを欠損させることもできる。すなわち、その場合の組成式は、
（Ｐｂ１−ｄＢｉｄ）１−ｂ（Ｂ１−ａＸａ）Ｏ３−ｃ
で示され、ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、
ｂ＝（ａ＋ｄ＋２ｃ）／（２＋ｄ）
の関係式を満たし、酸素の欠損量ｃは、
０≦ｃ≦０．０５
の範囲であり、好ましくは、
０＜ｃ≦０．０３
の範囲である。また、ａは、
０．０５≦ａ≦０．４
の範囲であり、ｄは、
０＜ｄ≦０．５
の範囲である。
【００６４】
上部電極６は、下部電極４と同様、たとえば擬立方晶（１００）配向にエピタキシャル成長されたＳｒＲｕＯ３を用いることができる。あるいは上部電極６は、Ｐｔを用いることもできる。上部電極６の厚さは、たとえば５０〜１５０ｎｍ程度である。
【００６５】
本実施の形態において組成の決定には、ＩＣＰ法、ＸＰＳ法およびＳＩＭＳ法を併用することができる。
【００６６】
１−２．圧電体膜および圧電素子の製造方法
次に、本実施の形態における圧電体膜および圧電素子の製造方法について説明する。
【００６７】
（１）まず、表面が（１１０）面であるシリコン基板からなる基板２を用意する。基板２として用いられるシリコン基板としては、後述するようにこれにキャビティー（インクキャビティー）を形成することから、これに必要な厚さを有したものが用いられる。
【００６８】
続いて、この基板２を基板ホルダーに装填し、真空装置（図示せず）内に設置する。この真空装置内には、基板２に対向して、バッファ層７、８、９の構成元素を含む各ターゲット（バッファ層用ターゲット）、および下部電極４、上部電極６の構成元素を含む各ターゲットを所定距離、離間して配置しておく。各ターゲットとしては、目的とする第１バッファ層７、第２バッファ層８、第３バッファ層９、下部電極４、上部電極６の各組成と同一または近似した組成のものがそれぞれ好適に用いられる。
【００６９】
すなわち、第１バッファ層７用のターゲットとしては、所望のＹＳＺ組成、またはこれに近似した組成のものを用いることができる。第２バッファ層８用のターゲットとしては、所望のＣｅＯ２組成、またはこれに近似した組成のものを用いることができる。第３バッファ層９用のターゲットとしては、所望のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ組成、またはこれに近似した組成のものを用いることができる。下部電極４および上部電極６のターゲットとしては、それぞれＳｒＲｕＯ３組成、またはこれに近似した組成のもの、あるいはＰｔを主成分としたものを用いることができる。
【００７０】
（２）次いで、図４に示すように、前述したようにイオンビームアシスト法を用いて、基板２上に第１バッファ層７を直接形成する。具体的には以下の通りである。
【００７１】
レーザー光を第１バッファ層７用のターゲットに照射し、このターゲットから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出すレーザーアブレーション法により、プルームを発生させる。このプルームは基板２上に向けて出射し、基板２上に接触するようになる。これとほぼ同時に、基板２の表面に対して、イオンビームを後述する所定角度で照射（入射）し、イオンビームアシストを行う。その結果、基板２表面に自然酸化膜が形成されているにもかかわらず、基板２上に、立方晶（１００）配向のＹＳＺからなる第1バッファ層７がエピタキシャル成長によって形成される。
【００７２】
なお、ＹＳＺの構成原子をターゲットから叩き出す方法としては、前述したようにレーザー光をターゲット表面に照射する方法のほか、たとえば、アルゴンガス（不活性ガス）プラズマや電子線などをターゲット表面に照射（入射）する方法を用いることもできる。これらの方法の中では、レーザー光をターゲット表面に照射する方法が最も好ましい。この方法によれば、レーザー光の入射窓を備えた簡易な構成の真空装置を用いることにより、原子をターゲットから容易に、かつ確実に叩き出すことができる。
【００７３】
このターゲットに照射するレーザー光としては、波長が１５０〜３００ｎｍ程度、パルス長が１〜１００ｎｓ程度のパルス光が好適に用いられる。具体的には、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー、ＸｅＣｌエキシマレーザーなどのエキシマレーザー、さらにＹＡＧレーザー、ＹＶＯ４レーザー、ＣＯ２レーザーなどが挙げられる。これらの中でも、特にＡｒＦエキシマレーザー、またはＫｒＦエキシマレーザーが好適に用いられる。ＡｒＦエキシマレーザーおよびＫｒＦエキシマレーザーは、いずれも取り扱いが容易であり、また、より効率よく原子をターゲットから叩き出すことができる。
【００７４】
基板２の表面にイオンビームアシストとして照射するイオンビームについては、特に限定されないものの、たとえばアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトンのような不活性ガスのうちの少なくとも１種のイオン、または、これらのイオンと酸素イオンとの混合イオンなどが好適に用いられる。このイオンビームのイオン源としては、例えば、Ｋａｕｆｆｍａｎイオン源などを用いるのが好ましい。このイオン源を用いることにより、イオンビームを比較的容易に生成することができる。
【００７５】
基板２表面に対するイオンビームの照射（入射）角度、すなわち前記の所定角度としては、特に限定されないものの、基板２の表面に対して３５〜６５°程度傾斜した角度とするのが好ましい。特に、ＮａＣｌ構造の金属酸化物を主材料として第１バッファ層７を形成する場合には、照射角度を４２〜４７°程度、また、蛍石型構造の金属酸化物を主材料として第１バッファ層７を形成する場合には、照射角度を５２〜５７°程度とするのがより好ましい。なお、本実施の形態では、蛍石型構造の金属酸化物であるＹＳＺによって第１バッファ層７を形成するので、照射角度を５２〜５７°程度、特に５５°程度としている。このような照射角度でイオンビームを基板２表面に照射することにより、立方晶（１００）配向の第１バッファ層７を良好に形成することができる。
【００７６】
ターゲットに対してはアルゴンなどのイオンを（１１１）方向から入射させつつ、レーザーアブレーションを行うようにする。ただし、ＭｇＯなどのＮａＣｌ構造の金属酸化物によって第１バッファ層７を形成する場合には、そのターゲットに対し、アルゴンなどのイオンを（１１０）方向で入射させつつ、レーザーアブレーションを行うようにする。
【００７７】
第１バッファ層７の形成における各条件については、第１バッファ層７がエピタキシャル成長し得るものであれば特に限定されることなく、たとえば次のような条件を採用することができる。
【００７８】
レーザー光の周波数としては、３０Ｈｚ以下とするのが好ましく、１５Ｈｚ以下とするのがより好ましい。レーザー光のエネルギー密度としては、０．５Ｊ／ｃｍ２以上とするのが好ましく、２Ｊ／ｃｍ２以上とするのがより好ましい。
【００７９】
イオンビームの加速電圧としては、１００〜３００Ｖ程度とするのが好ましく、１５０〜２５０Ｖ程度とするのがより好ましい。イオンビームの照射量としては、１〜３０ｍＡ程度とするのが好ましく、５〜１５ｍＡ程度とするのがより好ましい。
【００８０】
基板２の温度としては、０〜５０℃程度とするのが好ましく、室温（５〜３０℃）程度とするのがより好ましい。基板２とターゲットとの距離としては、６０ｍｍ以下とするのが好ましく、４５ｍｍ以下とするのがより好ましい。
【００８１】
真空装置内の圧力としては、１３３×１０−１Ｐａ（１×１０−１Ｔｏｒｒ）以下とするのが好ましく、１３３×１０−３Ｐａ（１×１０−３Ｔｏｒｒ）以下とするのがより好ましい。真空装置内の雰囲気としては、不活性ガスと酸素との混合比を、体積比で３００：１〜１０：１程度とするのが好ましく、１５０：１〜５０：１程度とするのがより好ましい。
【００８２】
第１バッファ層７の形成条件をそれぞれ前記範囲とすれば、第１バッファ層７をエピタキシャル成長によって、より効率よく形成することができる。
【００８３】
また、レーザー光およびイオンビームの照射時間を適宜設定することにより、第１バッファ層７の平均厚さを前記厚さ、すなわち１μｍ程度に調整することができる。このレーザー光およびイオンビームの照射時間は、前記各条件によって異なるものの、通常、２００秒以下とするのが好ましく、１００秒以下とするのがより好ましい。
【００８４】
このような第１バッファ層７の形成方法によれば、イオンビームの照射角度を調整するイオンビームアシスト法を採用することにより、基板２表面に自然酸化膜が形成されているにもかかわらず、前述したように立方晶（１００）配向の第１バッファ層７を良好に形成することができる。なお、このように第１バッファ層７の配向方位を精度よく揃えることができるので、必要に応じて、この第１バッファ層７の平均厚さをより小さくすることもできる。
【００８５】
（３）次に、図５に示すように、第１バッファ層７上に第２バッファ層８を形成する。第２バッファ層８の形成は、自然酸化膜上に形成する第１バッファ層７の場合とは異なり、良好な結晶構造を有する第１バッファ層７の上に形成することから、イオンビームアシスト法を用いることなく、単にレーザーアブレーション法を用いることで行う。すなわち、第１バッファ層７用のターゲットに代えて、所望のＣｅＯ２組成、またはこれに近似した組成の第２バッファ層８用ターゲットを用いる。そして、第２バッファ層８用ターゲットにレーザー光を照射して、これから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出し、プルームを発生させる。そして、このプルームを基板２上の第１バッファ層７に向けて出射させ接触させる。その結果、第２バッファ層８が第１バッファ層上にエピタキシャル成長して形成される。
【００８６】
第２バッファ層８を形成するための、レーザーアブレーション法等の条件については、第１バッファ層７を形成する際の、レーザーアブレーション法等の条件と同様とすることができる。
【００８７】
（４）次に、図６に示すように、第２バッファ層８上に第３バッファ層９を形成する。これにより第１バッファ層７、第２バッファ層８、および第３バッファ層９からなるバッファ層３を得ることができる。第３バッファ層９の形成では、第２バッファ層９の場合と同様にレーザーアブレーション法を単独で用いる。すなわち、第２バッファ層８用のターゲットに代えて、所望のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ組成、またはこれに近似した組成の第３バッファ層９用ターゲットを用意する。そして、第３バッファ層９用ターゲットにレーザー光を照射し、これから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出し、プルームを発生させる。そして、このプルームを基板２上の第２バッファ層８に向けて出射させ接触させる。その結果、第３バッファ層９が第２バッファ層８上にエピタキシャル成長して形成される。
【００８８】
なお、この第３バッファ層９の形成では、必要に応じて、第１バッファ層７の形成工程と同様に、イオンビームアシストを用いることもできる。すなわち、第２バッファ層８の表面にイオンビームを照射しつつ、これの上に第３バッファ層９を形成することができる。イオンビームアシストを用いることで、より効率よく第３バッファ層９を形成することができる。
【００８９】
第３バッファ層９の形成における各条件については、各種金属原子が、所定の比率（すなわち、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物における組成比）で、第２バッファ層８上に到達し、かつ、第３バッファ層９がエピタキシャル成長し得るものであれば特に限定されることはない。たとえば次のような条件を採用することができる。
【００９０】
レーザー光の周波数としては、３０Ｈｚ以下程度とするのが好ましく、１５Ｈｚ以下程度とするのがより好ましい。レーザー光のエネルギー密度としては、０．５Ｊ／ｃｍ２以上とするのが好ましく、２Ｊ／ｃｍ２以上とするのがより好ましい。
【００９１】
第２バッファ層８が形成された基板２の温度としては、３００〜８００℃程度とするのが好ましく、７００℃程度とするのがより好ましい。イオンビームの照射を併用する場合には、この温度を、０〜５０℃程度とするのが好ましく、室温（５〜３０℃）程度とするのが好ましい。第２バッファ層８が形成された基板２とターゲットとの距離としては、６０ｍｍ以下とするのが好ましく、４５ｍｍ以下とするのがより好ましい。
【００９２】
また、真空装置内の圧力としては、１気圧以下が好ましく、そのうち、酸素分圧については、３９９×１０−３Ｐａ（３×１０−３Ｔｏｒｒ）程度とするのが好ましい。イオンビームの照射を併用する場合には、真空装置内の圧力を、１３３×１０−１Ｐａ（１×１０−１Ｔｏｒｒ）以下とするのが好ましく、１３３×１０−３Ｐａ（１×１０−３Ｔｏｒｒ）以下とするのがより好ましい。また、この場合、真空装置内の雰囲気としては、不活性ガスと酸素との混合比を、体積比で３００：１〜１０：１程度とするのが好ましく、１５０：１〜５０：１程度とするのがより好ましい。
【００９３】
第３バッファ層９の形成条件をそれぞれ上述の範囲とすれば、第３バッファ層９をエピタキシャル成長によって、より効率よく形成することができる。このとき、レーザー光およびイオンビームの照射時間を適宜設定することにより、第３バッファ層９の平均厚さを前記厚さ、すなわち３０ｎｍ程度に調整することができる。このレーザー光の照射時間は、上述の各条件によっても異なるものの、通常、３〜９０分程度とするのが好ましく、１５〜４５分程度とするのがより好ましい。
【００９４】
（５）次に、図７に示すように、第３バッファ層７（バッファ層３）上に下部電極４を形成する。下部電極４は、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物からなることが好ましい。圧電体膜５は、ペロブスカイト型構造を有する下部電極４の上に形成されることにより、良質な結晶が成長しやすい。これにより圧電体膜５の電流リークを防止することができる。
【００９５】
下部電極４は、たとえばレーザーアブレーション法によって形成することができる。すなわち、所望の電極材料を含むターゲットを用意する。そして、ターゲットにレーザー光を照射し、ターゲットから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出し、プルームを発生させる。そして、このプルームを基板１０上に向けて出射させ接触させる。その結果、下部電極４は、第３バッファ層７上にエピタキシャル成長して形成される。
【００９６】
ペロブスカイト型構造を有する下部電極４の材料としては、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３、Ｌａ−ＳｒＴｉＯ３、Ｎｂ−（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、あるいはＰｂＢａＯ３などを用いることができる。ここで、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３はＳｒＴｉＯ３にＮｂをドープしたものであり、Ｌａ−ＳｒＴｉＯ３はＳｒＴｉＯ３にＬａをドープしたものであり、Ｎｂ−（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３は（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３にＮｂをドープしたものである。なお、下部電極４は、ペロブスカイト型構造を有するものに限定されることなく、たとえばＰｔ、Ｉｒ、ＩｒＯＸを用いて形成されてもよい。
【００９７】
また、下部電極４の形成方法としては、レーザーアブレーション法にかえて、イオンビームアシスト、スパッタ法あるいは真空蒸着法などを用いてもよい。
【００９８】
（６）次に、図８に示すように、下部電極４上に圧電体膜５を形成する。圧電体膜５は、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、およびＸの少なくともいずれかを含む第１〜第４の原料溶液からなる混合溶液を用意し、これらの混合液に含まれる酸化物を熱処理等により結晶化させて得ることができる。
【００９９】
第１の原料溶液としては、強誘電体膜１０１の構成金属元素のうち、ＰｂおよびＺｒによるＰｂＺｒＯ３ペロブスカイト結晶を形成するため酢酸鉛（Ｐｂ）と２エチルヘキサン酸ニオブ（Ｎｂ）とジルコニウムブトキシド（Ｚｒ）などの縮重合体をｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。
【０１００】
第２の原料溶液としは、強誘電体膜１０１の構成金属元素のうち、ＰｂおよびＴｉによるＰｂＴｉＯ３ペロブスカイト結晶を形成するため酢酸鉛（Ｐｂ）と２エチルヘキサン酸ニオブ（Ｎｂ）とチタンイソプロポキシド（Ｔｉ）などの縮重合体をｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。
【０１０１】
第３の原料溶液としては、強誘電体膜１０１の構成金属元素のうち、ＰｂおよびＸによるＰｂＸＯ３ペロブスカイト結晶を形成するため、酢酸鉛（Ｐｂ）と２エチルヘキサン酸ニオブ（Ｎｂ）などの縮重合体をｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。
【０１０２】
第４の原料溶液としては、有機酸塩として２エチルヘキサン酸ビスマス（Ｂｉ）をｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。
【０１０３】
上記第１、第２、第３、および第４の原料溶液を用いて、強誘電体膜１０１が所望の組成比となるように、第１、第２、第３、および第４の原料溶液を所望の比で混合する。この混合溶液に熱処理等を加えて結晶化させることにより、強誘電体膜１０１を形成することができる。
上記第１、第２、第３、および第４の原料溶液においては、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。さらに、原料溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、原料溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。
【０１０４】
上記第１、第２、第３、および第４の原料溶液を用いて、圧電体膜５が所望の組成比となるように、第１、第２、第３、および第４の原料溶液を所望の比で混合する。この混合溶液に熱処理等を加えて結晶化させることにより、圧電体膜５を形成することができる。
【０１０５】
具体的には、混合溶液塗布工程、アルコール除去工程〜乾燥熱処理工程〜脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行い、その後に結晶化アニールにより焼成して圧電体膜５を形成する。各工程における条件は、たとえば以下のとおりである。
【０１０６】
混合溶液塗布工程は、混合液の塗布をスピンコートなどの塗布法で行う。まず、下部電極４上に混合溶液を滴下する。滴下された溶液を基板全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、たとえば５００ｒｐｍ程度である。次に、回転数を低下させて所望の時間、スピンを行うことによって、混合溶液が下部電極４上に塗布される。このときの回転数は、たとえば５０ｒｐｍ以下である。乾燥熱処理工程は１５０℃〜１８０℃で行う。乾燥熱処理は大気雰囲気下でホットプレート等を用いて行う。同様に脱脂熱処理工程では３００℃〜３５０℃に保持されたホットプレート上で、大気雰囲気下で行う。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でサーマルラピッドアニール（ＲＴＡ）等を用いて行う。
【０１０７】
焼結後の圧電体膜５の膜厚は５００〜１５００ｎｍ程度とすることができる。圧電体膜５は、たとえばスパッタ法、分子線エピタキシー法、あるいはレーザーアブレーション法などを用いて形成することもできる。
【０１０８】
圧電体膜５を形成する際には、さらにＰｂＳｉＯ３シリケートを、たとえば１〜５モル％の割合で添加することが好ましい。これによりＰＺＴＸの結晶化エネルギーを軽減させることができる。すなわち、圧電体膜５としてＰＺＴＸを用いる場合、Ｘ添加とともに、ＰｂＳｉＯ３シリケートとを添加することでＰＺＴＸの結晶化温度の低減を図ることができる。具体的には、上述した第１〜第３の原料溶液に加え、第４の原料溶液を用いることができる。第４の原料溶液としては、ＰｂＳｉＯ３結晶を形成するため縮重合体をｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。結晶化を促進する添加剤としては、ゲルマネートを用いることもできる。このようにＰｂＳｉＯ３シリケートまたはゲルマネートを用いることにより、圧電体膜５は、ＳｉまたはＳｉおよびＧｅを含む場合がある。具体的には、圧電体膜５は、０．５モル％以上であって、５モル％未満のＳｉ、またはＳｉおよびＧｅを含むことができる。
【０１０９】
（７）次に、図９に示すように、圧電体膜５上に上部電極６を形成する。上部電極６は、たとえばスパッタ法あるいは真空蒸着法などによって形成することができる。上部電極としては、Ｐｔを主とする材料からなるものを用いることが好ましい。上部電極６については、Ｐｔに限定されることなく、Ｉｒ、ＩｒＯｘ、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３、Ｌａ−ＳｒＴｉＯ３、Ｎｂ−（ＬａＳｒ）ＣｏＯ３などの公知の電極材料を用いることもできる。
【０１１０】
（８）次に、必要に応じて、ポストアニールを酸素雰囲気中でＲＴＡ等を用いて行うことができる。これにより、上部電極６と圧電体膜５との良好な界面を形成することができ、かつ圧電体膜５の結晶性を改善することができる。
【０１１１】
以上の工程によって、本実施の形態にかかる圧電体膜および圧電体素子を製造することができる。
【０１１２】
このようにして得られた圧電素子１について、特にその圧電体膜５をＸ線回折によって解析したところ、圧電体膜５は室温にてロンボヘドラル構造で擬立方晶（１００）配向となっていた。また、圧電体膜５をラマン散乱法を用いて解析したところ、ＰＺＴに添加したＸがすべてペロブスカイト型構造のＢサイトに位置していることが確認できた。
【０１１３】
本実施の形態にかかる圧電体膜５の圧電定数ｄ３１は、たとえば絶対値で２００ｐＣ／Ｎ程度であることができる。本実施の形態にかかる圧電素子１のリーク電流は、たとえば印加電圧が１００ｋＶ／ｃｍのときに、１０−５Ａ／ｃｍ２未満であることができる。本実施の形態にかかる圧電素子１の繰り返し耐久性は、印加電圧が３００ｋＶ／ｃｍのときに、１０９回を保証することができる。
【０１１４】
なお、圧電定数の測定方法は以下のように行うことができる。まず、実際のインクジェット式記録ヘッド５０（図１０参照）における電圧印加時の圧電体膜５の変位量Ｓ１を、レーザー変位計を用いて実測する。この値Ｓ１と、有限要素法による圧電変位のシミュレーションで得られた変位量Ｓ２とを比較することで、圧電体膜５の実際の圧電定数（ｄ３１）と、有限要素法で仮定した圧電体膜５の圧電定数（ｄ'３１）との差分を求めることができる。その結果、圧電体膜５の圧電定数（ｄ３１）を測定することができる。なお、有限要素法による圧電変位のシミュレーションで必要になる物理量は、各膜のヤング率、膜応力、および仮定した圧電体膜５の圧電定数（ｄ'３１）である。
【０１１５】
本実施の形態における圧電素子１によれば、圧電体膜５が良好な圧電特性を有することから、圧電素子１としても高性能なものとなる。特に、圧電体膜５の絶縁性が良好であることから、圧電素子１の繰り返し耐久性が飛躍的に向上する。
【０１１６】
２−１．インクジェット式記録ヘッド
次に、図１に示した圧電素子１を用いたインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図１０は、図１に示した圧電素子１を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図１１は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図１１は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【０１１７】
インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５０は、図１０に示すように、ヘッド本体５７と、ヘッド本体５７の上に設けられた圧電部５４と、を備える。なお、図１０に示した圧電部５４は、図１に示した圧電素子１における弾性膜３、下部電極４、圧電体膜５、および上部電極６に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子１は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。圧電アクチュエーターとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。
【０１１８】
また、図１に示した圧電素子１における弾性膜３は、図１０において弾性膜５５に相当する。また、基板２（図１参照）は後述するようにヘッド本体５７の要部を構成するものとなっている。
【０１１９】
すなわち、ヘッド５０は、図１１に示すようにノズル板５１と、インク室基板５２と、弾性膜５５と、弾性膜５５に接合された圧電部（振動源）５４とを備え、これらが基体５６に収納されて構成されている。なお、このヘッド５０は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【０１２０】
ノズル板５１は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
【０１２１】
ノズル板５１には、インク室基板５２が固着（固定）されている。インク室基板５２は、上述の基板２によって形成されたものである。インク室基板５２は、ノズル板５１、側壁（隔壁）５２２、および後述する弾性膜５５によって、複数のキャビティー（インクキャビティー）５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図１４参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティー５２１にインクが供給される。
【０１２２】
キャビティー５２１は、図１０および図１１に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティー５２１は、後述する弾性膜５５の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティー５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
【０１２３】
インク室基板５２を得るための母材、すなわち上述の基板２としては、（１１０）配向のシリコン単結晶基板（Ｓｉ基板）が用いられている。この（１１０）配向のシリコン単結晶基板は、異方性エッチングに適しているのでインク室基板５２を、容易にかつ確実に形成することができる。なお、このようなシリコン単結晶基板は、図１に示した弾性膜３の形成面、すなわち弾性膜５５の形成面が（１１０）面となるようにして用いられている。
【０１２４】
インク室基板５２のノズル板５１と反対の側には弾性膜５５が配設されている。さらに弾性膜５５のインク室基板５２と反対の側には複数の圧電部５４が設けられている。弾性膜５５は、前述したように図１に示した圧電素子１における弾性膜３によって形成されたものである。弾性膜５５の所定位置には、図１１に示すように、弾性膜５５の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、後述するインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。
【０１２５】
各圧電部５４は、前述したように下部電極４と上部電極７との間に圧電体膜６が介挿されて構成されている。各圧電部５４は、後述する圧電素子駆動回路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作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能する。弾性膜５５は、圧電部５４の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティー５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
【０１２６】
基体５６は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図１１に示すように、この基体５６にインク室基板５２が固定、支持されている。
【０１２７】
２−２．インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の動作について説明する。本実施の形態におけるヘッド５０は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電部５４の下部電極４と上部電極７との間に電圧が印加されていない状態では、図１２に示すように圧電体膜６に変形が生じない。このため、弾性膜５５にも変形が生じず、キャビティー５２１には容積変化が生じない。したがって、ノズル５１１からインク滴は吐出されない。
【０１２８】
一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電部５４の下部電極４と上部電極７との間に一定電圧（例えば３０Ｖ程度）が印加された状態では、図１３に示すように圧電体膜６においてその短軸方向にたわみ変形が生じる。これにより、弾性膜５５が例えば５００ｎｍ程度たわみ、キャビティー５２１の容積変化が生じる。このとき、キャビティー５２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル５１１からインク滴が吐出される。
【０１２９】
すなわち、電圧を印加すると、圧電体膜６の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態では、圧電体膜６にとっては面内に引っ張り応力が働いていることになる。したがって、この応力によって弾性膜５５をそらせ、たわませることになる。キャビティー５２１の短軸方向での圧電体膜６の変位量（絶対値）が大きければ大きいほど、弾性膜５５のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。本実施の形態では、前述したように、圧電部５４（圧電素子１）の圧電体膜６の圧電定数（ｄ３１）が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっている。これにより、弾性膜５５のたわみ量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できる。
【０１３０】
ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル５１１のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティー５２１の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。
【０１３１】
１回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極４と上部電極６との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電部５４は図１２に示した元の形状に戻り、キャビティー５２１の容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ６３１からノズル５１１へ向かう圧力（正方向への圧力）が作用している。このため、空気がノズル５１１からキャビティー５２１へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３を経てキャビティー５２１へ供給される。
【０１３２】
このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電部５４に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の（所望の）文字や図形等を印刷することができる。
【０１３３】
２−３．インクジェット式記録ヘッドの製造方法
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の製造方法の一例について説明する。
【０１３４】
まず、インク室基板５２となる母材、すなわち（１１０）配向のシリコン単結晶基板（Ｓｉ基板）からなる基板２を用意する。次に、図４〜図８に示すように、基板２上に弾性膜３を形成する。次に弾性膜３上に下部電極４、圧電体膜５、上部電極６を順次形成する。なお、ここで形成した弾性膜３が、弾性膜５５となるのは前述した通りである。
【０１３５】
次いで、上部電極６、圧電体膜５、および下部電極４を、図１２および図１３に示すように、個々のキャビティー５２１に対応させてパターニングし、図１０に示すように、キャビティー５２１の数に対応した数の圧電部５４を形成する。
【０１３６】
次いで、インク室基板５２となる母材（基板２）を加工（パターニング）し、圧電部５４に対応する位置にそれぞれキャビティー５２１となる凹部を、また、所定位置にリザーバ５２３および供給口５２４となる凹部を形成する。
【０１３７】
本実施の形態では、母材（基板２）として（１１０）配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング（異方性エッチング）が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、前述したように弾性膜３をエッチングストッパとして機能させることができる。したがって、インク室基板５２の形成をより容易に行うことができる。
【０１３８】
このようにして母材（基板２）を、その厚さ方向に弾性膜５５（弾性膜３）が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板５２を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁５２２となる。露出した弾性膜３（弾性膜５５）は、弾性膜５５としての機能を発揮し得る状態となる。
【０１３９】
次に、複数のノズル５１１が形成されたノズル板５１を、各ノズル５１１が各キャビティー５２１となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティー５２１、リザーバ５２３および複数の供給口５２４が形成される。ノズル板５１の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板５２を基体５６に取り付ける。
【０１４０】
以上の工程によって、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５０を製造することができる。
【０１４１】
２−４．作用・効果
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５０によれば、前述したように、圧電部５４が良好な圧電特性を有することで効率的なインクの吐出が可能となっていることから、ノズル５１１の高密度化などが可能となる。したがって、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
【０１４２】
３−１．インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド５０を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図１４は、本発明のインクジェットプリンター６００を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図１４中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【０１４３】
インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。
【０１４４】
装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。
【０１４５】
印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。
【０１４６】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を備えるインクジェット式記録ヘッド５０と、このインクジェット式記録ヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。
【０１４７】
往復動機構６４２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６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５０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。
【０１４８】
給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
【０１４９】
３−２．作用・効果
本実施の形態にかかるインクジェットプリンター６００によれば、前述したように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５０を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【０１５０】
なお、本発明のインクジェットプリンター６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（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て使用することができる。
【０１５１】
４−１．圧電ポンプ
次に、本実施の形態に係る圧電ポンプについて図面を参照しながら説明する。図１５および図１６は、図１に示す圧電素子１を適用した圧電ポンプ２０の概略断面図である。本実施の形態にかかる圧電ポンプ２０において、圧電素子１は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。図１５および図１６に示す圧電部２２は、図１に示した圧電素子１における下部電極４と、圧電体膜５と、上部電極６とからなるものであり、図１に示した圧電素子１における弾性膜３は、図１５および図１６において振動板２４となっている。また、基板２（図１参照）は、圧電ポンプ２０の要部を構成する基体２１となっている。圧電ポンプ２０は、基体２１と、圧電部２２と、ポンプ室２３と、振動板２４と、吸入側逆止弁２６ａと、吐出側逆止弁２６ｂと、吸入口２８ａと、吐出口２８ｂとを含む。
【０１５２】
４−２．圧電ポンプの動作
次に、上述の圧電ポンプの動作について説明する。まず、圧電部２２に電圧が供給されると、圧電体膜６（図１参照）の膜厚方向に電圧が印加される。そして、図１５に示すように、圧電部２２は、ポンプ室２３が広がる方向（図１５に示す矢印ａの方向）にたわむ。また、圧電部２２と共に振動板２４もポンプ室２３が広がる方向にたわむ。このため、ポンプ室２３内の圧力が変化し、逆止弁２６ａ、２６ｂの働きによって流体が吸入口２８ａからポンプ室２３内に流れる（図１５に示す矢印ｂの方向）。
【０１５３】
次に、圧電部２２への電圧の供給を停止すると、圧電体膜６（図１参照）の膜厚方向への電圧の印加が停止される。そして、図１６に示すように、圧電部２２は、ポンプ室２３が狭まる方向（図１６に示す矢印ａの方向）にたわむ。また、圧電部２２と共に振動板２４もポンプ室２３が狭まる方向にたわむ。このため、ポンプ室２３内の圧力が変化し、逆止弁２６ａ、２６ｂの働きによって流体が吐出口２８ｂから外部に吐出される（図１６に示す矢印ｂの方向）。
【０１５４】
圧電ポンプ２０は、電子機器、例えばパソコン用、好ましくはノートパソコン用の水冷モジュールとして用いることができる。水冷モジュールは、冷却液の駆動に上述の圧電ポンプ２０を用い、圧電ポンプ２０と循環水路等とを含む構造を有する。
【０１５５】
４−３．作用・効果
本実施の形態に係る圧電ポンプ２０によれば、前述したように、圧電部２２（圧電素子１）が良好な圧電特性を有することによって、流体の吸入・吐出を効率的に行うことができる。したがって、本実施の形態に係る圧電ポンプ２０によれば、大きな吐出圧および吐出量を有することができる。また、圧電ポンプ２０の高速動作が可能となる。さらには、圧電ポンプ２０の全体の小型化を図ることができる。
【０１５６】
５−１．表面弾性波素子
次に、本実施の形態に係る表面弾性波素子について、図面を参照しながら説明する。表面弾性波素子は、図１７に示すように、単結晶シリコン基板１１と、バッファ層１２と、導電膜１３と、圧電体膜１４と、保護膜としての酸化物または窒化物からなる保護層１５と、電極１６とから構成されている。電極１６は、インターディジタル型電極（Ｉｎｔｅｒ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：以下、「ＩＤＴ電極」という）であり、上部から観察すると、例えば後述する図１８および図１９に示すインターディジタル型電極１４１、１４２、１５１、１５２、１５３のような形状を有する。
【０１５７】
５−２．作用・効果
本実施の形態にかかる表面弾性波素子によれば、圧電体膜１４が良好な圧電特性を有していることにより、表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
【０１５８】
６−１．周波数フィルタ
次に、本実施の形態に係る周波数フィルタについて、図面を参照しながら説明する。図１８に、本発明の周波数フィルタの一実施形態を示す。
【０１５９】
図に示すように、周波数フィルタは基板１４０を有する。この基板１４０としては、例えば図１７に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられる。すなわち、（１００）単結晶シリコン基板１１上に、バッファ層１２、導電膜１３、圧電体膜１４、保護層１５をこの順に積層して形成された基板である。保護層１５は、保護膜としての酸化物または窒化物からなる。
【０１６０】
基板１４０の上面には、ＩＤＴ電極１４１、１４２が形成されている。また、ＩＤＴ電極１４１、１４２を挟むように、基板１４０の上面には吸音部１４３、１４４が形成されている。吸音部１４３、１４４は、基板１４０の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基板１４０上に形成されたＩＤＴ電極１４１には高周波信号源１４５が接続されており、ＩＤＴ電極１４２には信号線が接続されている。
【０１６１】
６−２．周波数フィルタの動作
次に、上述の周波数フィルタの動作について説明する。前記構成において、高周波信号源１４５から高周波信号が出力されると、この高周波信号はＩＤＴ電極１４１に印加され、これによって基板１４０の上面に表面弾性波が発生する。ＩＤＴ電極１４１から吸音部１４３側へ伝播した表面弾性波は、吸音部１４３で吸収されるが、ＩＤＴ電極１４２側へ伝播した表面弾性波のうち、ＩＤＴ電極１４２のピッチ等に応じて定まる特定の周波数または特定の帯域の周波数の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子１４６ａ、１４６ｂに取り出される。なお、前記特定の周波数または特定の帯域の周波数以外の周波数成分は、大部分がＩＤＴ電極１４２を通過して吸音部１４４に吸収される。このようにして、本実施形態の周波数フィルタが備えるＩＤＴ電極１４１に供給した電気信号のうち、特定の周波数または特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る（フィルタリングする）ことができる。
【０１６２】
７−１.発振器
次に、本実施の形態に係る発振器ついて、図面を参照しながら説明する。図１９に、本発明の発振器の一実施形態を示す。
【０１６３】
図１９に示すように、発振器は基板１５０を有する。この基板１５０としては、先の周波数フィルタと同様に、例えば図１７に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、（１００）単結晶シリコン基板１１上にバッファ層１２、導電膜１３、圧電体膜１４、保護層１５をこの順に積層して形成された基板である。保護層１５は、保護膜としての酸化物または窒化物からなる。
【０１６４】
基板１５０の上面には、ＩＤＴ電極１５１が形成されており、さらに、ＩＤＴ電極１５１を挟むように、ＩＤＴ電極１５２、１５３が形成されている。ＩＤＴ電極１５１を構成する一方の櫛歯状電極１５１ａには、高周波信号源１５４が接続されており、他方の櫛歯状電極１５１ｂには、信号線が接続されている。なお、ＩＤＴ電極１５１は、電気信号印加用電極に相当し、ＩＤＴ電極１５２、１５３は、ＩＤＴ電極１５１によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。
【０１６５】
７−２．発振器の動作
次に、上述の発振器の動作について説明する。前記構成において、高周波信号源１５４から高周波信号が出力されると、この高周波信号は、ＩＤＴ電極１５１の一方の櫛歯状電極１５１ａに印加され、これによって基板１５０の上面にＩＤＴ電極１５２側に伝播する表面弾性波およびＩＤＴ電極１５３側に伝播する表面弾性波が発生する。これらの表面弾性波のうちの特定の周波数成分の表面弾性波は、ＩＤＴ電極１５２およびＩＤＴ電極１５３で反射され、ＩＤＴ電極１５２とＩＤＴ電極１５３との間には定在波が発生する。この特定の周波数成分の表面弾性波がＩＤＴ電極１５２、１５３で反射を繰り返すことにより、特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分が共振して、振幅が増大する。この特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分の表面弾性波の一部は、ＩＤＴ電極１５１の他方の櫛歯状電極１５１ｂから取り出され、ＩＤＴ電極１５２とＩＤＴ電極１５３との共振周波数に応じた周波数（または、ある程度の帯域を有する周波数）の電気信号が端子１５５ａと端子１５５ｂに取り出すことができる。
【０１６６】
７−３．電圧制御ＳＡＷ発振器
図２０および図２１は、本発明の発振器（表面弾性波素子）をＶＣＳＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ＳＡＷ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御ＳＡＷ発振器）に応用した場合の一例を示す図であり、図２０は側面透視図であり、図２１は上面透視図である。
【０１６７】
ＶＣＳＯは、金属製（Ａｌまたはステンレススチール製）の筐体６０内部に実装されて構成されている。基板６１上には、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）６２および発振器６３が実装されている。この場合、ＩＣ６２は、外部の回路（不図示）から入力される電圧値に応じて、発振器６３に印加する周波数を制御する発振回路である。
【０１６８】
発振器６３は、基板６４上に、ＩＤＴ電極６５ａ〜６５ｃが形成されており、その構成は、図１９に示した発振器とほぼ同様である。なお、基板６４は、先の例と同様で図１７に示したように、（１００）単結晶シリコン基板１１上にバッファ層１２、導電膜１３、圧電体膜１４、保護層１５をこの順に積層して形成されている。保護層１５は、保護膜としての酸化物または窒化物からなる。
【０１６９】
基板６１上には、ＩＣ６２と発振器６３とを電気的に接続するための配線６６がパターニングされている。ＩＣ６２および配線６６が、例えば金線等のワイヤー線６７によって接続され、発振器６３および配線６６が金線等のワイヤー線６８によって接続されることにより、ＩＣ６２と発振器６３とが配線６６を介して電気的に接続されている。
【０１７０】
また、ＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器（表面弾性波素子）６３を同一基板上に集積させて形成することも可能である。
【０１７１】
図２１に、ＩＣ６２と発振器６３とを集積させたＶＣＳＯの概略図を示す。なお、図２１中において発振器６３は、図１７に示した表面弾性波素子において酸化物薄膜層１２の形成を省略した構造を有している。
【０１７２】
図２１に示すように、ＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器６３とにおいて、単結晶シリコン基板６１（単結晶シリコン基板１１）を共有させて形成されている。ＩＣ６２と、発振器６３に備えられた電極６５ａ（電極１６）とは、図示しないものの電気的に接続されている。本実施の形態では、ＩＣ６２を構成するトランジスタとして、特に、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を採用している。
【０１７３】
図２０〜図２２に示すＶＣＳＯは、例えば、図２３に示すＰＬＬ回路のＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として用いられる。ここで、ＰＬＬ回路について簡単に説明する。
【０１７４】
図２３はＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図であり、この図２３に示すようにＰＬＬ回路は、位相比較器７１、低域フィルタ７２、増幅器７３、およびＶＣＯ７４から構成されている。位相比較器７１は、入力端子７０から入力される信号の位相（または周波数）と、ＶＣＯ７４から出力される信号の位相（または周波数）とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力するものである。低域フィルタ７２は、位相比較器７１から出力される誤差電圧信号の位置の低周波成分のみを通過させるものであり、増幅器７３は、低域フィルタ７２から出力される信号を増幅するものである。ＶＣＯ７４は、入力された電圧値に応じて発振する周波数が、ある範囲で連続的に変化する発振回路である。
【０１７５】
このような構成のもとにＰＬＬ回路は、入力端子７０から入力される位相（または周波数）と、ＶＣＯ７４から出力される信号の位相（または周波数）との差が減少するように動作し、ＶＣＯ７４から出力される信号の周波数を入力端子７０から入力される信号の周波数に同期させる。ＶＣＯ７４から出力される信号の周波数が入力端子７０から入力される信号の周波数に同期すると、その後は一定の位相差を除いて入力端子７０から入力される信号に一致し、また、入力信号の変化に追従するような信号を出力するようになる。
【０１７６】
８．電子回路および電子機器
次に、本実施の形態に係る電子回路および電子機器について、図面を参照しながら説明する。図２４に、本発明の電子機器の一実施形態として、その電気的構成をブロック図で示す。電子機器とは、たとえば携帯電話機である。
【０１７７】
図２４に示す電子機器３００は、電子回路３１０、送話部８０、受話部９１、入力部９４、表示部９５、およびアンテナ部８６を有する。電子回路３１０は、送信信号処理回路８１、送信ミキサ８２、送信フィルタ８３、送信電力増幅器８４、送受分波器８５、低雑音増幅器８７、受信フィルタ８８、受信ミキサ８９、受信信号処理回路９０、周波数シンセサイザ９２、および制御回路９３、を備えて構成されたものである。
【０１７８】
送話部８０は、例えば音波信号を電気信号に変換するマイクロフォン等で実現されるものである。送信信号処理回路８１は、送話部８０から出力される電気信号に対して、例えばＤ／Ａ変換処理、変調処理等の処理を施す回路である。送信ミキサ８２は、周波数シンセサイザ９２から出力される信号を用いて送信信号処理回路８１から出力される信号をミキシングするものである。なお、送信ミキサ８２に供給される信号の周波数は、例えば３８０ＭＨｚ程度である。送信フィルタ８３は、中間周波数（以下、「ＩＦ」と表記する）の必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。なお、送信フィルタ８３から出力される信号は、図示しない変換回路によってＲＦ信号に変換されるようになっている。送信電力増幅器８４は、送信フィルタ８３から出力されるＲＦ信号の電力を増幅し、送受分波器８５へ出力するものである。
【０１７９】
送受分波器８５は、送信電力増幅器８４から出力されるＲＦ信号をアンテナ８６部へ出力し、アンテナ部８６から電波の形で送信するものである。また、送受分波器８５は、アンテナ部８６で受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器８７へ出力するものである。低雑音増幅器８７は、送受分波器８５からの受信信号を増幅するものである。なお、低雑音増幅器８７から出力される信号は、図示しない変換回路によってＩＦに変換されるようになっている。
【０１８０】
受信フィルタ８８は、図示しない変換回路によって変換されたＩＦの必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。受信ミキサ８９は、受信フィルタ８８から出力される信号を用いて、送信信号処理回路８１から出力される信号をミキシングするものである。受信信号処理回路９０は、受信ミキサ８９から出力される信号に対して、例えばＡ／Ｄ変換処理、復調処理等の処理を施す回路である。受話部９１は、例えば電気信号を音波に変換する小型スピーカ等で実現されるものである。
【０１８１】
周波数シンセサイザ９２は、送信ミキサ８２へ供給する信号および受信ミキサ８９へ供給する信号を生成する回路である。なお、周波数シンセサイザ９２は、例えば７６０ＭＨｚの発振周波数で発信するＰＬＬ回路を備え、このＰＬＬ回路から出力される信号を分周して周波数が３８０ＭＨｚの信号を生成し、さらに分周して周波数が１９０ＭＨｚの信号を生成するようになっている。制御回路９３は、送信信号処理回路８１、受信信号処理回路９０、周波数シンセサイザ９２、入力部９４、および表示部９５を制御する。表示部９５は、たとえば携帯電話機の使用者に対して機器の状態を表示する。入力部９４は、操作者の指示を入力する。
【０１８２】
以上の構成の電子回路において、送信フィルタ８３および受信フィルタ８８として、図１９に示した周波数フィルタが用いられている。フィルタリングする周波数（通過させる周波数）は、送信ミキサ８２から出力される信号のうちの必要となる周波数、および、受信ミキサ８９で必要となる周波数に応じて送信フィルタ８３および受信フィルタ８８で個別に設定されている。また、周波数シンセサイザ９２内に設けられるＰＬＬ回路は、図２３に示すＰＬＬ回路のＶＣＯ７４として、図１９に示す発振器、または図２０〜図２１に示す発振器（ＶＣＳＯ）を設けている。
【０１８３】
９−１．第１の薄膜圧電共振器
次に、本実施の形態に係る薄膜圧電共振器について、図面を参照しながら説明する。図２５に、本実施の形態に係る第１の薄膜圧電共振器を示す。図２５に示す薄膜圧電共振器７００は、ダイアフラム型の薄膜圧電共振器７００である。
【０１８４】
第１の薄膜圧電共振器７００は、基体７０１と、弾性膜７０３と、下部電極７０４と、圧電体膜７０５と、上部電極７０６と、を含む。基体７０１としては、例えば（１１０）配向した単結晶シリコン基板を用いることができる。薄膜圧電共振器７００における弾性膜７０３、下部電極７０４、圧電体膜７０５、および上部電極７０６は、それぞれ図１に示した圧電素子１における弾性膜３、下部電極４、圧電体膜５、および上部電極６に相当する。すなわち、薄膜圧電共振器７００は、基体７０１上に、図１に示した圧電素子１の主部（基板２を除く部分）を形成した構成となっている。
【０１８５】
基体７０１には、基体７０１を貫通するビアホール７０２が形成されている。上部電極７０６上には、配線７０８が設けられている。配線７０８は、弾性膜７０３上に形成された電極７０９と、パッド７１０を介して電気的に接続されている。
【０１８６】
９−２．作用・効果
本実施の形態に係る第１の薄膜圧電共振器７００によれば、圧電体膜７０５の圧電特性が良好であり、したがって高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振器７００を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振器７００を、小型（薄型）化し、かつ、良好に動作させることができる。
【０１８７】
９−３．第２の薄膜圧電共振器
図２６は、本実施の形態に係る第２の薄膜圧電共振器を示す図である。第２の薄膜圧電共振器８００が図２５に示した第１の薄膜圧電共振器７００と主に異なるところは、ビアホールを形成せず、基体８０１と弾性膜８０３との間にエアギャップ８０２を形成した点にある。
【０１８８】
第２の薄膜圧電共振器８００は、基体８０１と、弾性膜８０３と、下部電極８０４と、圧電体膜８０５と、上部電極８０６と、を含む。基体８０１としては、例えば（１１０）配向した単結晶シリコン基板を用いることができる。薄膜圧電共振器８００における弾性膜８０３、下部電極８０４、圧電体膜８０５、および上部電極８０６は、それぞれ図１に示した圧電素子１における弾性膜３、下部電極４、圧電体膜５、および上部電極６に相当する。エアギャップ８０２は、基体８０１と、弾性膜８０３との間に形成された空間である。すなわち、薄膜圧電共振器８００は、基体８０１上に、エアギャップ８０２を介して、図１に示した圧電素子１の主部（基板２を除く部分）を形成した構成となっている。
【０１８９】
９−４．作用・効果
本実施の形態に係る第２の薄膜圧電共振器８００によれば、圧電体膜８０５の圧電特性が良好であり、したがって高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振器８００を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振器８００を、小型（薄型）化し、かつ、良好に動作させることができる。
【０１９０】
また、前述した第１の薄膜圧電共振器７００および第２の薄膜圧電共振器８００は、インダクタンスやコンデンサなどの回路構成要素と適宜に組み合わされることにより、良好な誘導フィルタを構成することができる。
【０１９１】
以上、本実施の形態に係る圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、圧電ポンプ、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器及び電子機器について説明したが、本発明は、前記実施の形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。本発明に係る圧電素子は、前述したデバイスに適用されるだけでなく、種々のデバイスに適用可能である。
【０１９２】
例えば、前記実施の形態においては電子機器として携帯電話機を、電子回路として携帯電話機内に設けられる電子回路をその一例として挙げ、説明したが、本発明は携帯電話機に限定されることなく、種々の移動体通信機器およびその内部に設けられる電子回路に適用することができる。
【０１９３】
さらに、移動体通信機器のみならずＢＳおよびＣＳ放送を受信するチューナなどの据置状態で使用される通信機器、およびその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。さらには、通信キャリアとして空中を伝播する電波を使用する通信機器のみならず、同軸ケーブル中を伝播する高周波信号または光ケーブル中を伝播する光信号を用いるＨＵＢなどの電子機器およびその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。
【０１９４】
以上、本発明の実施の形態の一例について述べたが、本発明はこれらに限定されず、その要旨の範囲内で各種の態様を取りうる。
【図面の簡単な説明】
【０１９５】
【図１】本実施の形態にかかる圧電素子を示す断面図。
【図２】ペロブスカイト型結晶構造の説明図。
【図３】ＢｉおよびＰｂの６ｐ軌道準位の相対値を示す図。
【図４】圧電素子の製造工程図。
【図５】圧電素子の製造工程図。
【図６】圧電素子の製造工程図。
【図７】圧電素子の製造工程図。
【図８】圧電素子の製造工程図。
【図９】圧電素子の製造工程図。
【図１０】インクジェット式記録ヘッドの概略構成図。
【図１１】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。
【図１２】ヘッドの動作を説明するための図。
【図１３】ヘッドの動作を説明するための図。
【図１４】本実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図。
【図１５】図１に示す圧電素子を適用した圧電ポンプの概略断面図。
【図１６】図１に示す圧電素子を適用した圧電ポンプの概略断面図。
【図１７】本実施の形態にかかる表面弾性波素子を示す側断面図。
【図１８】本実施の形態にかかる周波数フィルタを示す斜視図。
【図１９】本実施の形態にかかる発振器を示す斜視図。
【図２０】前記発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図２１】前記発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図２２】前記発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図２３】ＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図。
【図２４】本実施の形態にかかる電子回路の構成を示すブロック図。
【図２５】実施の形態にかかる薄膜圧電共振器を示す側断面図。
【図２６】実施の形態にかかる薄膜圧電共振器を示す側断面図。
【符号の説明】
【０１９６】
１  圧電素子、２  基板、３  バッファ層、４  下部電極、５  圧電体膜、６  上部電極、７  第１バッファ層、８  第２バッファ層、９  第３バッファ層、１１  単結晶シリコン基板（単結晶基板）、１２  バッファ層、１３  導電膜、１４  圧電体膜、１５  保護膜、１６  電極、２０  圧電ポンプ、２１  基体、２２  圧電素子、２３  ポンプ室、２４  振動板、５０  インクジェット式記録ヘッド、５１  ノズル板、５２  インク室基板、５４  圧電部、５５  弾性板、５６  基体、５７  ヘッド本体、６１  単結晶シリコン基板、６３  発振器、６４  基板、６６  配線、６７  ワイヤー線、６８  ワイヤー線、７０  入力端子、７１  位相比較器、７２  低域フィルタ、７３  増幅器、７４  ＶＣＯ、８０  送話部、８１  送信信号処理回路、８２  送信ミキサ、８３  送信フィルタ、８４  送信電力増幅器、８５  送受分波器、８７  低雑音増幅器、８８  受信フィルタ、８９  受信ミキサ、９０  受信信号処理回路、９１  受話部、９２  周波数シンセサイザ、９３  制御回路、９４  表示回路、９５  表示部、１４０  基板、１４１、１４２、ＩＤＴ電極、５１１  ノズル、５２１  キャビティー、５２２  側壁、５２３  リザーバ、５２４  供給口、５３１  連通孔、６００  インクジェットプリンター、６２０  装置本体、６２１  トレイ、６２２  排出口、６３０  ヘッドユニット、６３１  インクカートリッジ、６３２  キャリッジ、６４０  印刷装置、６４１  キャリッジモータ、６４２  往復動機構、６４３  キャリッジガイド軸、６４４  タイミングベルト、６５０  給紙装置、６５１  給紙モータ、６５２  給紙ローラ、６６０  制御部、６７０  操作パネル、７００  薄膜圧電共振器、７０１  基体、７０２  ビアホール、７０３  弾性膜、７０４  下部電極、７０５  圧電体膜、７０６  上部電極、７０８  配線、７０９  電極、７１０  パッド、８００  薄膜圧電共振器、８０１  基体、８０２  エアギャップ、８０３  弾性膜、８０４  下部電極、８０５  圧電体膜、８０６  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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