(57)【要約】【課題】  良好な圧電特性を有する圧電素子を提供する。【解決手段】  本発明に係る圧電素子１は，基板２と、基板２の上方に形成されたバッファ層５と、バッファ層５の上方に形成された、ペロブスカイト型構造を有する圧電体層６と、を含み、バッファ層５は、ｃ軸（００１）に優先配向しているＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δからなり、δは，０≦δ≦０．６の範囲である。【選択図】      図１
2006069837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された、ペロブスカイト型構造を有する圧電体層と、を含み、
前記バッファ層は、ｃ軸（００１）に優先配向しているＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δからなり、
δは、０≦δ≦０．６の範囲である、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３からなり、
ｘは、０≦ｘ≦１の範囲である、圧電素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記圧電体層は、Ａ（Ｂ１−ｂＸｂ）Ｏ３の一般式で示される材料からなり、
Ａは、Ｐｂを含み、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含み、ＺｒとＴｉとの組成比は、（１−ａ）：ａで示され、
Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種からなり、
ａは、０．１５≦ａ≦０．８の範囲であり、
ｂは、０．０５≦ｂ≦０．４の範囲である、圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、
前記圧電体層は、Ｓｉ、または、ＳｉおよびＧｅを含む、圧電素子。
【請求項５】
請求項１において、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなる、圧電素子。
【請求項６】
請求項５において、
前記リラクサー材料は、以下の式（１）〜（９）で示される材料のうちの少なくとも一種からなる、圧電素子。
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（１）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（２）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３７、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｇａ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（３）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．５０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（４）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４５、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（５）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３５、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｆｅ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（６）
（ただし、ｘは０．０１＜ｘ＜０．１０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（７）
（ただし、ｘは０．０１＜ｘ＜０．１０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（８）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３８、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｃｏ１／２Ｗ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３        ・・・式（９）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１）
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶（００１）に優先配向している、圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか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９】
請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子を有する、圧電ポンプ。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子を有する、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０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１２】
請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子を有する、表面弾性波素子。
【請求項１３】
請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子を有する、薄膜圧電共振子。
【請求項１４】
請求項１２に記載の表面弾性波素子および請求項１３に記載の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有する、周波数フィルタ。
【請求項１５】
請求項１２に記載の表面弾性波素子および請求項１３に記載の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有する、発振器。
【請求項１６】
請求項１４に記載の周波数フィルタおよび請求項１５に記載の発振器のうちの少なくとも一方を有する、電子回路。
【請求項１７】
請求項９に記載の圧電ポンプおよび請求項１６に記載の電子回路のうちの少なくとも一方を有する、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体層、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、薄膜圧電共振子、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有し、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層を用いた圧電素子が用いられている（例えば、特開２００１−２２３４０４号公報参照）。
【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。
【０００４】
このような新たな圧電材料として、リラクサー材料が研究開発されている。リラクサー材料は、ＰＺＴなどに比べ、圧電定数が十分に高い。リラクサー材料からなる圧電体層を形成するには、例えば以下のような方法が用いられる（例えば、特開平１０−８１０１６号公報参照）。
【０００５】
まず、レーザーアブレーション法を用い、かつイオンビームアシスト法などの複雑な手法を併用することでバッファ層を形成する。次に、バッファ層の上にペロブスカイト型の下部電極を形成することで下地を形成する。次に、下地の上に圧電体層を形成する。このような複雑な手法をとる理由は、以下の通りである。
【０００６】
白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）などの電極材料上にリラクサー材料の緻密な薄膜を形成するための製造マージンは小さい。一方、ＳｒＲｕＯ３などのペロブスカイト型電極上では比較的容易に緻密な薄膜が得られる。ＳｒＲｕＯ３などのペロブスカイト型電極の配向性をコントロールするためには、レーザーアブレーション法やイオンビームアシスト法が必要とされる。その結果、複雑な手法となる。このような方法では工程が複雑であり、したがってコストが高く、また、得られる圧電体層の圧電特性も十分に安定しない場合がある。
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【特許文献２】特開平１０−８１０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電素子を用いた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、薄膜圧電共振子、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】
【０００８】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された、ペロブスカイト型構造を有する圧電体層と、を含み、
前記バッファ層は、ｃ軸（００１）に優先配向しているＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δからなり、
δは、０≦δ≦０．６の範囲である。
【０００９】
本発明において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の上方に形成された他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。また、本発明において、Ａの上方にＢを形成するとは、Ａ上に直接Ｂを形成する場合と、Ａ上に、Ａ上の他のものを介してＢを形成する場合と、を含む。
【００１０】
この圧電素子によれば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、「ＹＢＣＯ」ともいう。）からなる前記バッファ層を有する。ＹＢＣＯは、導電性の材料である。例えば前記バッファ層が誘電体材料からなる場合には、前記圧電体層自体に十分な電圧を印加することができない。これに対し、この圧電素子によれば、前記バッファ層は導電性のＹＢＣＯからなるため、前記圧電体層自体に十分な電圧を印加することができる。
【００１１】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３からなり、
ｘは、０≦ｘ≦１の範囲であることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、Ａ（Ｂ１−ｂＸｂ）Ｏ３の一般式で示される材料からなり、
Ａは、Ｐｂを含み、
Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含み、ＺｒとＴｉとの組成比は、（１−ａ）：ａで示され、
Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種からなり、
ａは、０．１５≦ａ≦０．８の範囲であり、
ｂは、０．０５≦ｂ≦０．４の範囲であることができる。
【００１３】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、Ｓｉ、または、ＳｉおよびＧｅを含むことができる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなることができる。
【００１５】
本発明に係る圧電素子において、
前記リラクサー材料は、以下の式（１）〜（９）で示される材料のうちの少なくとも一種からなることができる。
【００１６】
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（１）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（２）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３７、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｇａ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（３）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．５０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（４）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４５、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（５）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３５、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｆｅ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（６）
（ただし、ｘは０．０１＜ｘ＜０．１０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（７）
（ただし、ｘは０．０１＜ｘ＜０．１０、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（８）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．３８、ｙは、０≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｃｏ１／２Ｗ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３        ・・・式（９）
（ただし、ｘは０．１０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１）
【００１７】
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶（００１）に優先配向していることができる。
【００１８】
本発明に係る圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子を有することができる。
【００１９】
本発明に係る圧電ポンプは、上述の圧電素子を有することができる。
【００２０】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、上述の圧電素子を有することができる。
【００２１】
本発明に係るインクジェットプリンターは、上述のインクジェット式記録ヘッドを有することができる。
【００２２】
本発明に係る表面弾性波素子は、上述の圧電素子を有することができる。
【００２３】
本発明に係る薄膜圧電共振子は、上述の圧電素子を有することができる。
【００２４】
本発明に係る周波数フィルタは、上述の表面弾性波素子および上述の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有することができる。
【００２５】
本発明に係る発振器は、上述の表面弾性波素子および上述の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有することができる。
【００２６】
本発明に係る電子回路は、上述の周波数フィルタおよび上述の発振器のうちの少なくとも一方を有することができる。
【００２７】
本発明に係る電子機器は、上述の圧電ポンプおよび上述の電子回路のうちの少なくとも一方を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
１．第１の実施形態
１−１．圧電素子
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る圧電素子１を示す断面図である。この圧電素子１は、基板２と、基板２の上に形成された弾性膜３と、弾性膜３の上に形成された下部電極４と、下部電極４の上に形成されたバッファ層５と、バッファ層５の上に形成された圧電体層６と、圧電体層６の上に形成された上部電極７と、を含む。
【００３０】
基板２は、例えばシリコン基板を用いることができる。本実施形態において、基板２には、（１１０）配向の単結晶シリコン基板を用いている。なお、基板２としては、（１００）配向の単結晶シリコン基板または（１１１）配向の単結晶シリコン基板なども用いることができる。また、基板２としては、シリコン基板の表面に、熱酸化膜または自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜を形成したものも用いることができる。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５２１を形成するものとなる（図８参照）。
【００３１】
弾性膜３は、後述するように、インクジェット式記録ヘッド５０において弾性膜５５として機能する（図８参照）。弾性膜３の膜厚は、例えば１μｍ程度に形成される。なお、後述するインクジェット式記録ヘッド５０（図８参照）に複数の圧電素子１が形成される場合、各圧電素子１は、基板２および弾性膜３を共用することができる。
【００３２】
下部電極４は、圧電体層６に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極４は、例えば、圧電体層６と同じ平面形状に形成されることができる。なお、後述するインクジェット式記録ヘッド５０（図８参照）に複数の圧電素子１が形成される場合、下部電極４は、各圧電素子１に共通の電極として機能するよう、共通の弾性膜３と同じ平面形状に形成されることもできる。下部電極４の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度に形成されている。
【００３３】
バッファ層５は、ｃ軸（００１）に優先配向しているＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、「ＹＢＣＯ」ともいう。）からなる。ここで、δは、０≦δ≦０．６の範囲である。δが、０≦δ≦０．６の範囲であると、ＹＢＣＯは導電性を有することができる。具体的には、ＹＢＣＯの室温での電気抵抗率は、例えば１００μΩｃｍ以下とすることができる。
【００３４】
ＹＢＣＯは、層状化合物である。ＹＢＣＯは、例えば白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）などからなる下部電極４上に、容易にｃ軸（００１）に優先配向することができる。ここで、「優先配向」とは、所望配向のｃ軸（００１）にすべての結晶が配向している場合と、所望配向のｃ軸（００１）にほとんどの結晶が配向しており、ｃ軸（００１）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。このように、ほとんどの結晶が所望配向のｃ軸（００１）に配向していれば、後述するようにバッファ層５の上に圧電体層６を形成した際、圧電体層６は、バッファ層５の結晶配向を引き継いで、擬立方晶（００１）に優先配向することができる。
【００３５】
バッファ層５は、後述するバッファ層としての作用・効果を奏することができる膜厚であれば特に限定されない。具体的には、バッファ層５の膜厚としては、例えば５ｎｍ〜２０ｎｍ程度とすることができる。
【００３６】
圧電体層６は、ペロブスカイト型構造を有する。圧電体層６は、ロンボヘドラル構造であり、かつ擬立方晶（００１）に優先配向していることが望ましい。ロンボヘドラル構造で擬立方晶（００１）に優先配向している圧電体層６は、特に温度等の成膜条件を調整することで得られる。このように、圧電体層６は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶（００１）に優先配向したもので、エンジニアードドメイン配置と呼ばれるものである。従って、圧電体層６は、高い圧電定数（ｄ３１）を有する。ここで、「優先配向」とは、前述したように、所望配向の擬立方晶（００１）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（００１）にほとんどの結晶が配向しており、擬立方晶（００１）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。圧電体層６は、ｃ軸（００１）に優先配向したバッファ層５上に形成され、バッファ層５の結晶配向を引き継いで、擬立方晶（００１）に優先配向することができる。すなわち、バッファ層５は、ｃ軸（００１）に優先配向していることから、バッファ層５には、（１１１）や（１１０）に配向した結晶の混入がほとんどない。従って、バッファ層５上に形成される圧電体層６にも、（１１１）や（１１０）に配向した結晶の混入がほとんどない。
【００３７】
本実施形態では、圧電体層６は、例えば、リラクサー材料からなることができる。リラクサー材料としては、例えば以下の式（１）〜（９）で示される材料が挙げられる。これらのうちから選択された一種あるいは複数種が後述するように液相法または気相法で成膜されることにより、圧電体層６が得られる。
【００３８】
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（１）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．４２、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（２）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３７、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．３７、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｇａ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（３）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．５０、好ましくは０．３０＜ｘ＜０．５０、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（４）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．４５、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．４５、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（５）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３５、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．３５、さらに好ましくは、Ｘ＝０.３、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｆｅ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（６）
（ただし、ｘは、０．０１＜ｘ＜０．１０、好ましくは０．０３＜ｘ＜０．１０、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（７）
（ただし、ｘは、０．０１＜ｘ＜０．１０、好ましくは０．０３＜ｘ＜０．０９、さらに好ましくは、Ｘ＝０.０９、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３      ・・・式（８）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３８、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．３８、さらに好ましくは、Ｘ＝０.３、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
（１−ｘ）Ｐｂ（Ｃｏ１／２Ｗ１／２）Ｏ３−ｘＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３        ・・・式（９）
（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．４２、好ましくは０．２０＜ｘ＜０．４２、ｙは、０≦ｙ≦１、好ましくは０.７≦ｙ≦１）
【００３９】
リラクサー材料とは、図２に示すように、バルクにおいて誘電率の温度依存がブロードな（幅が広い）ピークを示す材料であって、該ピークが周波数に応じてシフトする材料をいう。図２に示す矢印ｈは、周波数を高くしていった場合のピークのシフトの方向を示している。また、リラクサー材料は、圧電定数の温度依存がブロードな（幅が広い）ピークを示す材料である。これに対し、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」ともいう）等の非リラクサー材料である圧電体材料は、図３に示すように誘電率、および圧電定数の温度依存が非常に鋭いピークを示すものである。従って、圧電体層６としてリラクサー材料を用いることにより、得られた圧電素子１は広い温度範囲で良好な圧電特性を発揮し、これにより信頼性が高く特性が安定したものとなる。ただしリラクサー材料の膜厚が１００ｎｍ〜１μｍ程度においては、必ずしも図２に示す明瞭なピークを示すとは限らない。１００ｎｍ〜１μｍ程度の膜厚を有するリラクサー材料は、室温から１００℃の間で、よりなだらかな誘電率の変化を示すものもある。
【００４０】
圧電体層６の形成材料（リラクサー材料）において、前述したように材料間におけるＰｂ（Ｚｒ１−ｙＴｉｙ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」ともいう）側の組成比を表すｘの範囲については、特にその上限値としては、圧電体層６の結晶構造の相境界（ＭＰＢ：Morphotropic Phase Boundary）におけるｘの値（以下、「ｘＭＰＢ」ともいう。）となる。相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）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ＰＺＴ側の組成比を示す値である。そして、このｘ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。従って、ｘの下限値としては、相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）に近い値が選択される。よって、ｘ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ｘの値、すなわち相境界におけるｘの値（ｘＭＰＢ）により近い値が選択される。従って、ｘ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ｘの値となる。上述の内容を式で示すと、例えば、ｘは、
（ｘＭＰＢ−０．０５）≦ｘ≦ｘＭＰＢ
の範囲であることができる。ｘが上述の範囲内であれば、容易に圧電体層６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。圧電体層６は、圧電体層６の結晶構造の相境界におけるｘ（ｘＭＰＢ）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。
【００４１】
なお、上述した例では、圧電体層６は、リラクサー材料からなる場合について説明したが、圧電体層６の材料は、ペロブスカイト型構造を有するものであれば、特に限定されない。例えば、圧電体層６は、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３からなり、ｘは、０≦ｘ≦１の範囲であることができる。また、圧電体層６は、ペロブスカイト型のＡ（Ｂ１−ｂＸｂ）Ｏ３の一般式で示される材料からなることができる。ここで、Ａは、Ｐｂを含む。Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含み、ＺｒとＴｉとの組成比は、（１−ａ）：ａで示される。Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種からなることができる。例えば、圧電体層６は、ペロブスカイト型のＰｂ（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴＸ」ともいう）からなることができる。
【００４２】
Ｐｂ（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３におけるａは、ある範囲を有する。ａの上限値としては、圧電体層６の結晶構造の相境界（ＭＰＢ）におけるａの値（以下、「ａＭＰＢ」ともいう。）となる。相境界におけるａの値（ａＭＰＢ）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、ａ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。従って、ａの下限値としては、相境界におけるａの値（ａＭＰＢ）に近い値が選択される。よって、ａ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ａの値、すなわち相境界におけるａの値（ａＭＰＢ）により近い値が選択される。従って、ａ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ａの値となる。上述の内容を式で示すと、例えば、ａは、
（ａＭＰＢ−０．０５）≦ａ≦ａＭＰＢ
の範囲であることができる。ａＭＰＢは、例えば、０．５程度である。なお、ａＭＰＢは、膜応力などによって変り得るため、特に限定されず、
０．２≦ａＭＰＢ≦０．８
の範囲であることができる。従って、ａは、
０．１５≦ａ≦０．８
の範囲であることができる。
【００４３】
ａが上述の範囲内であれば、容易にＰＺＴＸからなる圧電体層６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。圧電体層６は、圧電体層６の結晶構造の相境界におけるａ（ａＭＰＢ）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。
【００４４】
Ｐｂ系のペロブスカイト型構造を有するもの、例えば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。上述のＰＺＴＸでは、組成式がＰｂ（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３で示される場合について説明したが、ＰＺＴＸの組成式がＰｂ１−（ｂ／２）（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３で示されることもできる。この場合、Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種からなることができる。ＰＺＴＸの組成式において、（ｂ／２）がＰｂの欠損量を表している。
【００４５】
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。例えば、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、電極界面でのバンドオフセットが減少し、ＰＺＴからなる圧電体層の絶縁性が低下する。
【００４６】
しかし、圧電体層６がＰＺＴＸからなる場合では、ＺｒおよびＴｉの価数（＋４価）より価数の高いＸ（＋５価）を、Ｂサイトの元素（Ｚｒ，Ｔｉ）と置換させることで、Ｐｂ欠損が生じても酸素を欠損させることなく結晶構造全体としての中性を保持することができる。これにより圧電体層６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。
【００４７】
例えば、ＸがＮｂからなる場合に、ＮｂはＴｉとサイズ（イオン半径が近く、原子半径は同一である。）がほぼ同じで、重さが２倍であるため、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。更に、Ｎｂは酸素との共有結合性が非常に強く、キュリー温度および分極モーメントなどで示される強誘電特性、並びに、圧電定数などで示される圧電特性を高めることが期待されている（Ｈ．Ｍｉｙａｚａｗａ，Ｅ．Ｎａｔｏｒｉ，Ｓ．Ｍｉｙａｓｈｉｔａ；Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９（２０００）５６７９）。なお、ここではＸがＮｂからなる例について述べたが、Ｘとして、ＶおよびＴａのうち少なくとも一方を含む場合も同等あるいはそれに近い効果を有する。
【００４８】
Ｐｂの欠損量は、Ｘの添加量ｂのほぼ半分であることが好ましい。すなわち、Ｐｂの欠損量は、ｂ／２で示される。これにより、ＰＺＴＸは、電気的に中性を保つことができる。そして、Ｘの添加量ｂは、
０．０５≦ｂ≦０．４
の範囲であることが好ましい。Ｘの添加量ｂが０．０５未満では、Ｘの添加による電流リーク防止効果が良好とならず、一方、Ｘの添加量ｂが０．４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。
【００４９】
圧電体層６は、０．５モル％以上であって、５モル％未満のケイ素（Ｓｉ）、または、ケイ素およびゲルマニウム（Ｇｅ）を含むことができる。詳細については、圧電素子の製造方法の項にて述べる。
【００５０】
圧電体層６の膜厚は、例えば３００ｎｍ〜３０００ｎｍ程度、好ましくは５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度、より好ましくは５００ｎｍ程度である。この厚みの上限値に関しては、薄膜としての緻密さ、結晶配向性を維持する範囲で厚くすることができ、１０μｍ程度まで許容できる。
【００５１】
上部電極７は、圧電体層６に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極７の厚さは、例えば５０〜１５０ｎｍ程度である。
【００５２】
なお、本実施形態において物質の組成の決定には、ＩＣＰ法、ＸＰＳ法およびＳＩＭＳ法のうちの少なくとも１つを用いることができる。
【００５３】
１−２．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態における圧電素子１の製造方法について説明する。
【００５４】
（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。次に、図４に示すように、基板２上に弾性膜３を形成する。弾性膜３は、後述するように、基板２をエッチングしてキャビティーを形成する際に、弾性膜３がエッチングストッパ層として機能するべく、基板２との間で十分なエッチング選択比がとれる材料で形成するのが好ましい。基板２としてシリコンを用いた場合には、このような材料としては、例えばＳｉＯ２またはＺｒＯ２などが挙げられる。弾性膜３は、例えばＣＶＤ法、スパッタ法、または、蒸着法などにより形成することができる。
【００５５】
（２）次に、図５に示すように、弾性膜３の上に下部電極４を形成する。下部電極４は、例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。下部電極４は、例えばＰｔ（白金）からなる。Ｐｔは、比較的容易に（１１１）に優先配向するものである。従って、例えばスパッタ法等の比較的簡易な方法を採用して、弾性膜３の上にＰｔを容易に配向成長させることができる。なお、下部電極４の材料は、Ｐｔに限定されることなく、例えば、Ｉｒ（イリジウム）、ＩｒＯｘ（酸化イリジウム）、Ｔｉ（チタン）、または、ＳｒＲｕＯ３などを用いることができる。下部電極４として、例えばＳｒＲｕＯ３のようなペロブスカイト電極を用いることにより、製造工程において、下部電極４の上に形成されるバッファ層５をより容易にｃ軸（００１）に優先配向させることができる。そしてさらに、バッファ層５の上に形成される圧電体層６をより容易に擬立方晶（００１）に優先配向させることができる。
【００５６】
（３）次に、図６に示すように、下部電極４の上に、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、「ＹＢＣＯ」ともいう。）からなるバッファ層５を形成する。ここで、δは、０≦δ≦０．６の範囲となるように調整される。
【００５７】
バッファ層５は、例えばスパッタ法により形成することができる。スパッタリング時の電力は、例えば２００Ｗとすることができる。スパッタ法によりバッファ層５を成膜した場合、成膜後、例えば７００℃でラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）を行うことができる。このようにして（１１１）配向のＰｔからなる下部電極４上に、ｃ軸（００１）に優先配向したＹＢＣＯからなるバッファ層５を形成することができる。なお、バッファ層５の形成方法については、スパッタ法に限定されることなく、例えば、レーザーアブレーション法、または、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを採用することができる。
【００５８】
（４）次に、図７に示すように、バッファ層５上に圧電体層６を形成する。具体的には、まず、リラクサー材料の前駆体溶液をスピンコート法や液滴吐出法等の公知の塗布法でバッファ層５の上に塗布する。次に、焼成等の熱処理を行うことにより、圧電体層６を得る。
【００５９】
より具体的には、まず、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望する膜厚に応じて適宜回数繰り返す。次に、結晶化アニールを行うことで圧電体層６を形成する。
【００６０】
圧電体層６の形成材料である前駆体溶液は、圧電体層６となるリラクサー材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製される。リラクサー材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属としては、金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を用いることができる。具体的には、リラクサー材料の構成金属を含むカルボン酸塩またはアセチルアセトナート錯体として、例えば、以下のものが挙げられる。
【００６１】
鉛（Ｐｂ）を含む有機金属としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム（Ｚｒ）を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。チタン（Ｔｉ）を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。マグネシウム（Ｍｇ）を含む有機金属としては、例えば酢酸マグネシウムなどが挙げられる。ニオブ（Ｎｂ）を含む有機金属としては、例えばニオブエトキシドなどが挙げられる。ニッケル（Ｎｉ）を含む有機金属としては、例えばニッケルアセチルアセトナートなどが挙げられる。スカンジウム（Ｓｃ）を含む有機金属としては、例えば酢酸スカンジウムなどが挙げられる。インジウム（Ｉｎ）を含む有機金属としては、例えばインジウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。亜鉛（Ｚｎ）を含む有機金属としては、例えば酢酸亜鉛などが挙げられる。鉄（Ｆｅ）を含む有機金属としては、例えば酢酸鉄などが挙げられる。ガリウム（Ｇａ）を含む有機金属としては、例えばガリウムイソプロポキシドなどが挙げられる。タンタル（Ｔａ）を含む有機金属としては、例えばタンタルエトキシドなどが挙げられる。タングステン（Ｗ）を含む有機金属としては、例えばタングステンヘキサカルボニルなどが挙げられる。なお、リラクサー材料の構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。
【００６２】
前駆体溶液には、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。安定化剤としては、例えば、ジエタノールアミン、または酢酸などを用いることができる。さらに、前駆体溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、前駆体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。
【００６３】
前駆体溶液の塗布工程では、上述した前駆体溶液を、バッファ層５上に塗布する。この塗布工程については、例えばスピンコート法を採用した場合で説明すると、まず、バッファ層５上に前駆体溶液を滴下する。そして、滴下された溶液をバッファ層５の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、例えば初期では５００ｒｐｍ程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を２０００ｒｐｍ程度に上げることができる。このようにして、塗布を完了させることができる。
【００６４】
乾燥熱処理工程では、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば１０℃程度高い温度で、熱処理（乾燥処理）を行う。
【００６５】
脱脂熱処理工程では、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解／除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、３５０℃程度で熱処理を行う。
【００６６】
結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程では、酸素雰囲気中で、例えば６００℃程度で熱処理を行う。この熱処理は、例えばラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）などにより行うことができる。
【００６７】
なお、上述した例では、圧電体層６が、リラクサー材料からなる場合の製造方法について説明したが、例えば、圧電体層６がペロブスカイト型のＡ（Ｂ１−ｂＸｂ）Ｏ３の一般式で示される材料（以下、「ＡＢＸＯ」ともいう。）からなる場合の製造方法については以下の通りである。ここで、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含み、Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種からなることができる。なお、ここでは、ＡＢＸＯとして代表的な、Ｐｂ（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴＸ」ともいう。）の製造方法について説明する。なお、例えば、圧電体層６が、Ｐｂ１−（ｂ／２）（（Ｚｒ１−ａＴｉａ）１−ｂＸｂ）Ｏ３などからなる場合の製造方法については、以下のＰＺＴＸの製造方法と同様である。
【００６８】
まず、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、およびＸの少なくともいずれかを含む第１〜第３の原料溶液を用いて、圧電体層６が所望の組成比となるように、第１〜第３の原料溶液を所望の比で混合する。この混合溶液（前駆体溶液）をスピンコート法や液滴吐出法等の塗布法でバッファ層５上に配する。次に、焼成等の熱処理を行うことにより、圧電体層６を得る。
【００６９】
より具体的には、まず、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行う。次に、結晶化アニールを行うことで圧電体層６を形成する。
【００７０】
圧電体層６の形成材料である前駆体溶液については、ＰＺＴＸの構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を各金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製する。ＰＺＴＸの構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属としては、金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を用いることができる。具体的には、ＰＺＴＸの構成金属を含むカルボン酸塩またはアセチルアセトナート錯体として、例えば、以下のものが挙げられる。
【００７１】
鉛（Ｐｂ）を含む有機金属としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム（Ｚｒ）を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。チタン（Ｔｉ）を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。バナジウム（Ｖ）を含む有機金属としては、例えば酸化バナジウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。ニオブ（Ｎｂ）を含む有機金属としては、例えばニオブエトキシドなどが挙げられる。タンタル（Ｔａ）を含む有機金属としては、例えばタンタルエトキシドなどが挙げられる。なお、ＰＺＴＸの構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。
【００７２】
例えば、第１の原料溶液としては、ＰＺＴＸ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。
【００７３】
例えば、第２の原料溶液としては、ＰＺＴＸ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。
【００７４】
例えば、第３の原料溶液としては、ＰＺＴＸ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。なお、Ｘが二種以上の元素からなる場合は、第３の原料溶液は、複数の原料溶液からなることができる。例えば、Ｘが、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａの三種からなる場合、第３の原料溶液は、三種の原料溶液からなることができる。具体的には、例えば、第３の原料溶液は、ＰｂおよびＶによるＰｂＶＯ３ペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、ｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、ＰｂおよびＮｂによるＰｂＮｂＯ３ペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、ｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、ＰｂおよびＴａによるＰｂＴａＯ３ペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、ｎ−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、からなることができる。
【００７５】
原料溶液には、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。
【００７６】
前駆体溶液の塗布工程では、混合液の塗布をスピンコートなどの塗布法で行う。まず、バッファ層５上に混合溶液を滴下する。滴下された溶液をバッファ層５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、例えば初期では５００ｒｐｍ程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を２０００ｒｐｍ程度に上げることができる。このようにして、塗布を完了させることができる。
【００７７】
乾燥熱処理工程では、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば１０℃程度高い温度で熱処理（乾燥処理）を行う。
【００７８】
脱脂熱処理工程では、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解／除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、３５０℃〜４００℃程度で熱処理を行う。
【００７９】
結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程では、酸素雰囲気中で、例えば６００℃程度で熱処理を行う。この熱処理は、例えばラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）などにより行うことができる。
【００８０】
ＡＢＸＯからなる圧電体層６を形成する際には、さらにＰｂＳｉＯ３シリケートを、例えば１モル％以上、５モル％以下の割合で添加することが好ましい。これによりＡＢＸＯ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、圧電体層６として例えば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。圧電体層６を形成する際に、ＰｂＳｉＯ３シリケートまたはゲルマネートを用いることにより、圧電体層６は、ＳｉまたはＳｉおよびＧｅを含む場合がある。具体的には、圧電体層６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。
【００８１】
圧電体層６は、ｃ軸（００１）に優先配向したバッファ層５の上に形成されることで、擬立方晶（００１）に配向し易くなる。その結果、圧電体層６は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造となり、かつ擬立方晶（００１）に優先配向したものとなることができる。
【００８２】
なお、上述した例では、圧電体層６を液相法で形成する例について述べたが、スパッタ法、分子線エピタキシー法、またはレーザーアブレーション法等の気相法を用いて、圧電体層６を形成することもできる。
【００８３】
（７）次に、図１に示すように、圧電体層６上に上部電極７を形成する。上部電極７は、例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７は、例えばＰｔ（白金）からなる。なお、上部電極７の材料は、Ｐｔに限定されることなく、例えば、Ｉｒ（イリジウム）、ＩｒＯｘ（酸化イリジウム）、Ｔｉ（チタン）、または、ＳｒＲｕＯ３などを用いることができる。
【００８４】
以上の工程によって、本実施形態に係る圧電素子１を製造することができる。
【００８５】
１−３．作用・効果
本実施形態に係る圧電素子１によれば、基板２の上に形成されたＹＢＣＯからなるバッファ層５と、バッファ層５の上に形成された、リラクサー材料からなる圧電体層６とを含むことができる。ＹＢＣＯは、層状化合物であり、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）などからなる下部電極４上に、容易にｃ軸（００１）に優先配向することができる。そして、本実施形態に係る圧電素子１によれば、リラクサー材料からなる圧電体層６が、ｃ軸（００１）に優先配向したバッファ層５上に形成されているため、圧電体層６も擬立方晶（００１）に良好に優先配向したものとなる。従って、本実施形態に係る圧電素子１は、圧電特性の良好な圧電体層６を有することができる。言い換えるならば、本実施形態に係る圧電素子１は、圧電定数が高く、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る。
【００８６】
また、本実施形態に係る圧電素子１によれば、圧電体層６として上述の各式で示されるリラクサー材料を用いることができる。その結果、本実施形態に係る圧電素子１は、圧電定数が十分に高いものとなる。従って、本実施形態に係る圧電素子１、より具体的には圧電体層６は、より良好な変形をなすものとなる。
【００８７】
また、本実施形態に係る圧電素子１によれば、ＹＢＣＯからなるバッファ層５を有する。ＹＢＣＯは、導電性の材料である。例えばバッファ層が誘電体材料からなる場合には、圧電体層自体に十分な電圧を印加することができない。これに対し、本実施形態に係る圧電素子１によれば、バッファ層５は導電性のＹＢＣＯからなるため、圧電体層６自体に十分な電圧を印加することができる。
【００８８】
本実施形態に係る圧電体層６の圧電定数（ｄ３１）は、例えば絶対値で４００ｐＣ／Ｎ以上であることができる。本実施形態に係る圧電素子１のリーク電流は、例えば印加電圧が１００ｋＶ／ｃｍのときに、１０−５Ａ／ｃｍ２未満であることができる。本実施形態に係る圧電素子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。
【００８９】
１−４．実験例
上述の圧電素子の製造方法に基づき、圧電素子１を以下のようにして作製した。
【００９０】
まず、基板２上に弾性膜３を介して（１１１）配向の白金（Ｐｔ）からなる下部電極４をスパッタ法で形成した。下部電極４の膜厚は、１００ｎｍとした。スパッタリング時の電力は、２００Ｗとした。
【００９１】
次に、下部電極４の上に、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ６．９からなるバッファ層５をスパッタ法で形成した。バッファ層５の膜厚は、２０ｎｍとした。スパッタリング時の電力は、２００Ｗとした。バッファ層５の成膜後、７００℃でラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）を行った。
【００９２】
次に、バッファ層５の上に、０．７０Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−０．３０ＰｂＴｉＯ３（以下、「ＰＭＮ−ＰＴ」ともいう）からなる圧電体層６を形成した。
【００９３】
まず、酢酸鉛、チタンイソプロポキシド、酢酸マグネシウム、およびニオブエトキシドといった金属試薬をそれぞれ用意した。次に、形成するＰＭＮ−ＰＴに対応したモル比となるようにこれらを混合するとともに、これらをブチルセロソルブに溶解（分散）させた。さらに、この溶液の安定化剤としてジエタノールアミンを添加した。このようにして、ＰＭＮ−ＰＴの前駆体溶液を作製した。
【００９４】
次に、前駆体溶液をスピンコート法によってバッファ層５上に塗布した（前駆体溶液の塗布工程）。次に、溶媒の沸点（ブチルセロソルブの場合、１７０℃程度）より約１０℃高い温度で熱処理（乾燥処理）を行い、溶媒を除去し、ゲル化させた（乾燥熱処理工程）。次に、３５０℃程度で熱処理を行い、膜中に残存している溶媒以外の有機成分を分解／除去し（脱脂熱処理工程）、アモルファス膜を形成した。次に、酸素雰囲気中において、６００℃程度でラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）を行い、結晶化を行った。このようにして圧電体層６を形成した。圧電体層６の膜厚は、５００ｎｍとした。
【００９５】
次に、スパッタ法によって圧電体層６上に白金（Ｐｔ）からなる上部電極７を形成し、圧電素子１を得た。
【００９６】
このようにして得られた圧電素子１について、特にその圧電体層６をＸ線回折（ＸＲＤ）法によって解析したところ、圧電体層６は、室温にてロンボヘドラル構造を有し、擬立方晶（００１）に優先配向していることが確認された。
【００９７】
また、この圧電体層６の圧電定数（ｄ３１）を測定したところ、絶対値で４００ｐＣ／Ｎであった。また、リーク電流は、１００ｋＶ／ｃｍのとき、１０−５Ａ／ｃｍ２未満であった。さらに、圧電素子１の３００ｋＶ／ｃｍ印加時における繰り返し耐久性を調べたところ、１×１０９回を保証できる耐久性を備えていた。圧電定数（ｄ３１）の測定方法は以下のように行った。
【００９８】
まず、実際のインクジェット式記録ヘッド５０（図８参照）における電圧印加時の圧電体層６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、圧電体層６の実際の圧電定数（ｄ３１）と、有限要素法で仮定した圧電体層６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、圧電体層６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層６の圧電定数（ｄ'３１）である。
【００９９】
２．第２の実施形態
２−１．インクジェット式記録ヘッド
次に、第１の実施形態に係る圧電素子１を有するインクジェット式記録ヘッドの一実施形態について説明する。図８は、本実施形態に係る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９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９は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【０１００】
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８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、を含む。なお、図８に示す圧電部５４は、図１に示す圧電素子１における弾性膜３、下部電極４、バッファ層５、圧電体層６、および上部電極７に相当する。本実施形態に係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。
【０１０１】
また、図１に示す圧電素子１における弾性膜３は、図８において弾性膜５５に相当する。基板２（図１参照）は、ヘッド本体５７の要部を構成するものとなっている。
【０１０２】
すなわち、ヘッド５０は、図９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、を含み、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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、基板２（図１参照）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１２参照）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。
【０１０５】
キャビティー５２１は、図８および図９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、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。
【０１０６】
インク室基板５２を得るための母材、すなわち基板２（図１参照）としては、（１１０）配向のシリコン単結晶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に示す弾性膜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。
【０１０７】
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に示す圧電素子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９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、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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９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。
【０１１０】
２−２．インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施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１０に示すように圧電体層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。従って、ノズル５１１からインク滴は吐出されない。
【０１１１】
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との間に電圧が印加された状態では、図１１に示すように、圧電体層６においてその短軸方向（図１１に示す矢印ｓの方向）にたわみ変形が生じる。これにより、弾性膜５５がたわみ、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５８が吐出される。
【０１１２】
すなわち、電圧を印加すると、圧電体層６の結晶格子は面方向に対して垂直な方向（図１１に示す矢印ｄの方向）に引き伸ばされるが、同時に面方向には圧縮される。この状態では、圧電体層６にとっては面内に引っ張り応力ｆが働いていることになる。従って、この引っ張り応力ｆ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層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。
【０１１３】
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７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１０に示す元の形状に戻り、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、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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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からなる基板２を用意する。次に、図１、図４〜図７に示すように、基板２上に弾性膜３、下部電極４、バッファ層５、圧電体層６、および上部電極７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。
【０１１７】
次に、上部電極７、圧電体層６、バッファ層５、および下部電極４を、図１０および図１１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８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。
【０１１８】
次に、インク室基板５２となる母材（基板２）をパターニングし、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。
【０１１９】
本実施形態では、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。従って、インク室基板５２の形成をより容易に行うことができる。
【０１２０】
このようにして母材（基板２）を、その厚さ方向に弾性膜５５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５５は、弾性膜としての機能を発揮し得る状態となる。
【０１２１】
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。
【０１２２】
以上の工程によって、本実施形態に係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。
【０１２３】
２−４．作用・効果
本実施形態に係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の圧電体層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。すなわち、圧電部５４が良好な圧電特性を有する。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。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などができる。従って、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、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。
【０１２４】
３．第３の実施形態
３−１．インクジェットプリンター
次に、第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド５０を有するインクジェットプリンターの一実施形態について説明する。図１２は、本実施形態に係るインクジェットプリンター６００を示す概略構成図である。インクジェットプリンター６００は、紙などに印刷可能なプリンターとして機能することができる。なお、以下の説明では、図１２中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【０１２５】
インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を有し、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。
【０１２６】
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を有する印刷装置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。
【０１２７】
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、を含む。
【０１２８】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を有す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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
３−２．作用・効果
本実施形態に係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を有するので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【０１３２】
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。
【０１３３】
４．第４の実施形態
４−１．圧電ポンプ
次に、第１の実施形態に係る圧電素子１を有する圧電ポンプの一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１３および図１４は、本実施形態に係る圧電ポンプ２０の概略断面図である。本実施形態に係る圧電ポンプ２０において、圧電素子は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。図１３および図１４に示す圧電部２２は、図１に示す圧電素子１における下部電極４と、バッファ層５と、圧電体層６と、上部電極７とからなるものであり、図１に示す圧電素子１における弾性膜３は、図１３および図１４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。
【０１３４】
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、圧電体層６（図１参照）の膜厚方向に電圧が印加される。そして、図１３に示すように、圧電部２２は、ポンプ室２３が広がる方向（図１３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１３に示す矢印ｂの方向）。
【０１３５】
次に、圧電部２２への電圧の供給を停止すると、圧電体層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１４に示すように、圧電部２２は、ポンプ室２３が狭まる方向（図１４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１４に示す矢印ｂの方向）。
【０１３６】
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。
【０１３７】
４−３．作用・効果
本実施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の圧電体層６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。従って、本実施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。
【０１３８】
５．第５の実施形態
５−１．表面弾性波素子
次に、本発明を適用した第５の実施形態に係る表面弾性波素子の一例について、図面を参照しながら説明する。本実施形態の一例である表面弾性波素子３０は、図１５に示すように、基板１１と、導電層１２と、バッファ層１３と、圧電体層１４と、保護層１５と、電極１６と、を含む。基板１１、導電層１２、バッファ層１３、圧電体層１４、および保護層１５は、基体１８を構成する。
【０１３９】
基板１１としては、例えば、（１００）単結晶シリコン基板を用いることができる。導電層１２としては、例えば、ＩｒＯ２またはＴｉＯ２などの薄膜を用いることができる。バッファ層１３は、図１に示す圧電素子１におけるバッファ層５からなることができる。圧電体層１４は、図１に示す圧電素子１における圧電体層６からなることができる。保護層１５は、例えば、酸化物または窒化物などからなることができる。電極１６としては、例えば、アルミニウムなどの薄膜を用いることができる。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）である。電極１６は、上部から観察すると、例えば図１６および図１７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。
【０１４０】
５−２．作用・効果
本実施形態に係る表面弾性波素子３０によれば、図１に示す圧電素子１における圧電体層６からなる圧電体層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３０自体も高性能なものとなる。
【０１４１】
６．第６の実施形態
６−１．周波数フィルタ
次に、本発明を適用した第６の実施形態に係る周波数フィルタの一例について、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施形態の一例である周波数フィルタを模式的に示す図である。
【０１４２】
図１６に示すように、周波数フィルタは基体１４０を有する。この基体１４０としては、図１５に示す表面弾性波素子３０の基体１８を用いることができる。
【０１４３】
基体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、基体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、基体１４０の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基体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。
【０１４４】
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、これによって基体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有する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。
【０１４５】
７．第７の実施形態
７−１.発振器
次に、本発明を適用した第７の実施形態に係る発振器の一例について、図面を参照しながら説明する。図１７は、本実施形態の一例である発振器を模式的に示す図である。
【０１４６】
図１７に示すように、発振器は基体１５０を有する。この基体１５０としては、上述した周波数フィルタと同様に、図１５に示す表面弾性波素子３０の基体１８を用いることができる。
【０１４７】
基体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。
【０１４８】
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、これによって基体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。
【０１４９】
７−３．電圧制御ＳＡＷ発振器
図１８および図１９は、上述した発振器をＶＣＳＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ＳＡＷ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御ＳＡＷ発振器）に応用した場合の一例を模式的に示す図であり、図１８は側面透視図であり、図１９は上面透視図である。
【０１５０】
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。
【０１５１】
発振器６３は、基体６４上に、ＩＤＴ電極６５ａ〜６５ｃが形成されており、その構成は、図１７に示す発振器とほぼ同様である。基体６４としては、上述した図１７に示す発振器と同様に、図１５に示す表面弾性波素子３０の基体１８を用いることができる。
【０１５２】
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によって接続されている。これにより、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。
【０１５３】
なお、ＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器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。図２０に、ＩＣ６２と発振器６３とを同一基板６１上に集積させたＶＣＳＯの概略図を示す。なお、図２０中において発振器６３は、図１５に示す表面弾性波素子３０において導電膜１２の形成を省略した構造を有している。
【０１５４】
図２０に示すように、ＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器６３とにおいて、基板６１を共有させて形成されている。基板６１としては、例えば図１５に示す表面弾性波素子３０の基板１１を用いることができる。ＩＣ６２と、発振器６３の有する電極６５ａとは、図示しないものの電気的に接続されている。電極６５ａとしては、例えば図１５に示す表面弾性波素子３０の電極１６を用いることができる。ＩＣ６２を構成するトランジスタとしては、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を採用することができる。
【０１５５】
図１８〜図２０に示すＶＣＳＯは、例えば、図２１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。
【０１５６】
図２１は、ＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図である。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る。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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
８．第８の実施形態
次に、本発明を適用した第８の実施形態に係る電子回路および電子機器の一例について、図面を参照しながら説明する。図２２は、本実施形態の一例である電子機器３００の電気的構成を示すブロック図である。電子機器３００とは、例えば携帯電話機である。
【０１５９】
図２２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を有する。
【０１６０】
電子回路３１０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１６に示す周波数フィルタを用いることができる。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（図２１参照）のＶＣＯ７４として、図１７に示す発振器、または図１８〜図２０に示すＶＣＳＯを用いることができる。
【０１６１】
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。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。送信フィルタ８３から出力される信号は、変換回路（図示せず）によってＲＦ信号に変換される。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。
【０１６２】
送受分波器８５は、送信電力増幅器８４から出力されるＲＦ信号をアンテナ部８６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。低雑音増幅器８７から出力される信号は、変換回路（図示せず）によってＩＦに変換される。
【０１６３】
受信フィルタ８８は、変換回路（図示せず）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、周波数シンセサイザ９２から出力される信号を用いて、受信フィルタ８８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。
【０１６４】
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。周波数シンセサイザ９２は、ＰＬＬ回路を有し、このＰＬＬ回路から出力される信号を分周して新たな信号を生成することができる。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、例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、例えば携帯電話機の使用者の指示を入力する。
【０１６５】
なお、上述した例では、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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
９．第９の実施形態
次に、本発明を適用した第９の実施形態に係る薄膜圧電共振子の一例について、図面を参照しながら説明する。
【０１６８】
９−１．第１の薄膜圧電共振子
図２３は、本実施形態の一例である第１の薄膜圧電共振子７００を模式的に示す図である。図２３に示す薄膜圧電共振子７００は、ダイアフラム型の薄膜圧電共振子７００である。
【０１６９】
第１の薄膜圧電共振子７００は、基板７０１と、弾性膜７０３と、下部電極７０４と、圧電体層７０５と、上部電極７０６と、を含む。薄膜圧電共振子７００における基板７０１と、弾性膜７０３、下部電極７０４、圧電体層７０５、および上部電極７０６は、それぞれ図１に示す圧電素子１における基板２、弾性膜３、下部電極４、圧電体層６、および上部電極７に相当する。すなわち、第１の薄膜圧電共振子７００は、図１に示す圧電素子１を有する。
【０１７０】
基板７０１には、基板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。
【０１７１】
９−２．作用・効果
本実施形態に係る第１の薄膜圧電共振子７００によれば、圧電体層７０５の圧電特性が良好であり、従って高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振子７００を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振子７００を、小型（薄型）化し、かつ、良好に動作させることができる。
【０１７２】
９−３．第２の薄膜圧電共振子
図２４は、本実施形態の一例である第２の薄膜圧電共振子８００を模式的に示す図である。第２の薄膜圧電共振子８００が図２４に示す第１の薄膜圧電共振子７００と主に異なるところは、ビアホールを形成せず、基板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。
【０１７３】
第２の薄膜圧電共振子８００は、基板８０１と、弾性膜８０３と、下部電極８０４と、圧電体層８０５と、上部電極８０６と、を含む。薄膜圧電共振子８００における基板８０１、弾性膜８０３、下部電極８０４、圧電体層８０５、および上部電極８０６は、それぞれ図１に示す圧電素子１における基板２、弾性膜３、下部電極４、圧電体層６、および上部電極７に相当する。すなわち、第２の薄膜圧電共振子８００は、図１に示す圧電素子１を有する。エアギャップ８０２は、基板８０１と、弾性膜８０３との間に形成された空間である。
【０１７４】
９−４．作用・効果
本実施形態に係る第２の薄膜圧電共振子８００によれば、圧電体層８０５の圧電特性が良好であり、従って高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振子８００を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振子８００を、小型（薄型）化し、かつ、良好に動作させることができる。
【０１７５】
９−５．応用例
本実施形態に係る圧電薄膜共振子（例えば、第１の薄膜圧電共振子７００および第２の薄膜圧電共振子８００）は、共振子、周波数フィルタ、または、発振器として機能することができる。そして、例えば、図２２に示す電子回路３１０において、送信フィルタ８３および受信フィルタ８８として、周波数フィルタとして機能する本実施形態に係る圧電薄膜共振子を用いることができる。また、周波数シンセサイザ９２が有する発振器として、発振器として機能する本実施形態に係る圧電薄膜共振子を用いることができる。
【０１７６】
上記のように、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、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。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】第１の実施形態に係る圧電素子を示す断面図。
【図２】リラクサー材料を説明するためのグラフ。
【図３】リラクサー材料を説明するためのグラフ。
【図４】第１の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。
【図５】第１の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。
【図６】第１の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。
【図７】第１の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。
【図８】第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成図。
【図９】第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。
【図１０】インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。
【図１１】インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。
【図１２】第３の実施形態に係るインクジェットプリンターの概略構成図。
【図１３】第４の実施形態に係る圧電ポンプの概略断面図。
【図１４】第４の実施形態に係る圧電ポンプの概略断面図。
【図１５】第５の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図。
【図１６】第６の実施形態に係る周波数フィルタを示す斜視図。
【図１７】第７の実施形態に係る発振器を示す斜視図。
【図１８】第７の実施形態に係る発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図１９】第７の実施形態に係る発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図２０】第７の実施形態に係る発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図。
【図２１】ＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図。
【図２２】第８の実施形態に係る電子回路の構成を示すブロック図。
【図２３】第９の実施形態に係る薄膜圧電共振子を示す側断面図。
【図２４】第９の実施形態に係る薄膜圧電共振子を示す側断面図。
【符号の説明】
【０１７８】
１  圧電素子、２  基板、３  弾性膜、４  下部電極、５  バッファ層、６  圧電体層、７  上部電極、１１  単結晶シリコン基板、１２  導電膜、１３  バッファ層、１４  圧電体層、１５  保護層、１６  電極、１８  基体、２０  圧電ポンプ、２１  基体、２２  圧電部、２３  ポンプ室、２４  振動板、３０  表面弾性波素子、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  弾性膜、５６  基体、５７  ヘッド本体、５８  インク滴、６０  筐体、６１  基板、６３  発振器、６４  基体、６６  配線、６７  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、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、８６  アンテナ部、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  入力部、９５  表示部、１４０  基体、１４１  電極、１４２  電極、１４３  吸音部、１４４  吸音部、１４５  高周波信号源、１５０  基体、１５１  電極、１５２  電極、１５３  電極、１５４  高周波信号源、３００  電子機器、３１０  電子回路、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  第１の薄膜圧電共振子、７０１  基板、７０２  ビアホール、７０３  弾性膜、７０４  下部電極、７０５  圧電体層、７０６  上部電極、７０８  配線、７０９  電極、７１０  パッド、８００  第２の薄膜圧電共振子、８０１  基板、８０２  エアギャップ、８０３  弾性膜、８０４  下部電極、８０５  圧電体層、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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