(57)【要約】【課題】薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子、それを用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置を得ること。【解決手段】ペロブスカイト型結晶構造を有するＰｂを含む酸化物で成膜した圧電体層１４と、圧電体層１４の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層１３，１５とを備えている圧電体薄膜素子において、圧電体層１４は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第１の値と前記所定値よりも小さい第２の値とを有するように成膜されている。残留歪みが異なる２種類の値のいずれか一つの値を有するように用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できる。圧電体層は必ずしも分極処理を必要とせず、かつ圧電特性が外的影響を受け難くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト型結晶構造を有するＰｂを含む酸化物で成膜した圧電体層と、前記圧電体層の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、
前記圧電体層は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第１の値と前記所定値よりも小さい第２の値とを有するように成膜されている
ことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
前記第１の値は、２．５×１０-4を超える値であり、前記第２の値は２．５×１０-4を下回る値であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項３】
前記圧電体層は、＜１１１＞面と＜００１＞面のいずれか一方の面に優先配向していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項４】
前記圧電体層の膜厚は、１μｍ〜１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項５】
前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子径が０．１μｍ〜０．８μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項６】
前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子の粒子径と膜厚との比は、１／２〜１／１００の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項７】
前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子と柱状粒子との間には異物が存在しないことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項８】
前記圧電体層は、形成後は高温での分極処理を施さないことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項９】
前記圧電体層は、スパッタリング法で作製することを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータであって、駆動時の電圧印加方向は、前記残留歪みが前記第１の値を有する方向であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１に記載の圧電体薄膜素子と、
前記圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極側の面に設けられた振動板層と、
前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、前記圧電体薄膜素子の圧電効果による前記振動板層の層厚方向への変位に応じてインク吐出を行う圧力室と、
を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段と、
前記相対移動手段によってインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように前記インクジェットヘッドが備える請求項１に記載の圧電体薄膜素子を駆動する手段と、
を備えていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子、この圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子は、一般に、圧電体薄膜をその厚み方向に２つの電極で挟んでなる積層体を備えている。圧電体材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以降「ＰＺＴ」と記す）や、このＰＺＴにマグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブなどを添加したものなどがある。
【０００３】
特に、ペロブスカイト型結晶構造の正方晶系ＰＺＴの場合には、＜００１＞軸方向（Ｃ軸方向）に大きな圧電変位が得られ、菱面体晶系ＰＺＴの場合には、＜１１１＞軸方向に大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体（圧電セラミックス）であり、各結晶軸はでたらめな方向を向いている。そのために自発分極Ｐｓもでたらめに配列しているが、圧電体薄膜素子の場合には、それらのベクトルの総和が電界方向と平行になるように作られている。そして、圧電体薄膜素子の１つの利用形態である薄膜アクチュエータにおいては、両電極間に電圧を印加すると、その電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。インクジェットヘッドは、この圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振動子として用いている。
【０００４】
ところで、ＰＺＴ系の圧電セラミックスでは、ある大きさの電界を印加したときの電界と歪みとの関係は、印加電界が小さい場合はほぼ線形的であるが、印加電界がある臨界以上になると、左右対称のバタフライ形になる（例えば、非特許文献１参照）。また、基板上に形成した圧電体薄膜の場合においても同様である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、（特許文献１）では、処女状態の圧電体薄膜素子に電界を印加した後は、電界を取り除いても残留歪みや分極歪みが発生し、良好な圧電特性を得ることが出来ないため、結晶粒子間に存在する異物存在量を低減し、残留歪みを２．５×１０-4以下にすることにより、圧電効果の向上を図る方法が提案されている。ここで残留歪みとは、電界強度が０（ｋＶ／ｃｍ）の時に呈する変位である。
【特許文献１】特開平１１−２１４７６３号公報
【非特許文献１】内野研二著「圧電／電歪アクチュエータ」森北出版株式会社（第３４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、圧電体材料を用いて圧電体薄膜を形成する場合は、形成時に薄膜内部に発生する応力や下地基板との線膨張係数の違いから受ける応力、電極膜など積層する薄膜から受ける応力など様々な内部応力が存在する。これらの応力は、圧電体薄膜の結晶粒子間に異物が存在するときと同様に、圧電体薄膜に電界を印加し、その電界を取り除いた後に発生する残留歪みの原因となるので、良好な圧電特性を得るための障害となる。例えば、圧電体薄膜素子を薄膜アクチュエータに応用する場合、印加した電圧に対してリニアな変位が得られ難いばかりでなく、長期の使用においては電圧に対する変位の再現性が得られない。しかし、これらの内部応力は、薄膜形成の場合に必ず発生するものであり、なくすことは非常に困難である。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子、それを用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明は、ペロブスカイト型結晶構造を有するＰｂを含む酸化物で成膜した圧電体層と、前記圧電体層の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、前記圧電体層は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第１の値と前記所定値よりも小さい第２の値とを有するように成膜されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、圧電体層を、形成後には分極が既に一方向に向いているような条件で成膜するので、残留歪みが電圧の印加方向によって異なる２種類の値を有するように形成することができる。換言すれば、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、残留歪みが異なる２種類の値のいずれか一つの値を有するように用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できる。そして、圧電体層は必ずしも分極処理を必要とせず、かつ圧電特性が外的影響を受け難くなる。つまり、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、この発明にかかる圧電体薄膜素子、薄膜アクチュエータ、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、この実施の形態１による圧電体薄膜素子は、基板１１の上に、密着層１２、下部電極である第１の電極層１３、圧電体薄膜である圧電体層１４および上部電極である第２の電極層１５を、この順に成膜して形成したものである。
【００１３】
この圧電体薄膜素子の成膜法には、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＰＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＭＯＤ法など各種あるが、この実施の形態１では、圧電体層１４の形成ではスパッタリング法を用いることにする。その他の要素は、任意である。
【００１４】
基板１１は、この実施の形態１では、シリコン基板を用いるが、その他、ガラス基板や金属基板、セラミックス基板等も当然に使用可能である。
【００１５】
密着層１２は、基板１１と第１の電極層１３との密着性を高めるためのものである。この実施の形態１では、一般性を保つ趣旨から密着層１２を設ける場合を示すが、基板１１と第１の電極層１３との密着性に問題がなければ、設ける必要はない。密着層１２の膜厚は、０．００５〜１μｍの範囲内であればよい。密着層１２に用いる材料は、この実施の形態１ではチタン（Ｔｉ）を用いているが、その他に、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しくはクロムまたはそれらの化合物等でもよい。
【００１６】
第１の電極層１３に用いる材料は、通常は白金（Ｐｔ）を用いるが、Ｐｔ、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも１種の貴金属又はそれらの化合物であればよく、膜厚は、０．０５〜２μｍの範囲内であればよい。
【００１７】
最後の第２の電極層１５は、通常は白金（Ｐｔ）を用いるが、任意の導電材料を用いてよい。その厚さは、０．１〜０．４μｍの範囲内であればよい。
【００１８】
さて、圧電体層１４は、薄膜形成後には既に分極が一方向に向いているように成膜することを可能にするチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などペロブスカイト型結晶構造を有する鉛（Ｐｂ）を含む酸化物を用いて形成するが、上記のようにスパッタリング法を用いて成膜形成することで、「残留歪みが電圧の印加方向によって異なる特性を有すること」「所望の結晶配向性を得ること」「柱状粒子径と膜厚比を所望の範囲内にすること」「柱状粒子間に異物が存在しないようにすること」「薄膜形成後は高温での分極処理を不要にすること」を実現する。
【００１９】
まず、圧電体層１４では、薄膜形成後は既に分極が一方向に向いているので、＜１１１＞面または＜００１＞面のいずれかに優先配向している。この優先配向によって残留歪みが電圧の印加方向によって異なり、一方が２．５×１０-4を超える値となり、他方が２．５×１０-4を下回る値となる特性を実現でき、優れた圧電特性が得られる。この＜１１１＞面または＜００１＞面での配向率は、９０％以上であることが望ましいが、７０％以上であれば一応の特性は得られる。
【００２０】
ここで、＜１１１＞面での配向率をα＜１１１＞と表記し、＜００１＞面での配向率をα＜００１＞と表記すれば、α＜１１１＞＝Ｉ＜１１１＞／ΣＩ（ｈｋｌ）、α＜００１＞＝Ｉ＜００１＞／ΣＩ（ｈｋｌ）と定義している。なお、ΣＩ（ｈｋｌ）は、Ｘ線回折法において、Ｃｕ−Ｋα線を用いたときの２θが１０°〜７０°でのペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴにおける各結晶面からの回折ピーク強度の総和である。
【００２１】
また、圧電体層１４は、厚みは１μｍ〜１０μｍの範囲内であるが、膜構造は厚み方向に成長した柱状構造である。そして、その柱状粒子の粒子径は０．１μｍ〜０．８μｍであり、その柱状粒子の粒子径と膜厚との比は、１／２〜１／１００である。このような形状を有することにより上記した残留歪みが電圧の印加方向によって異なるが実現できる。つまり、異なる２種類の値のいずれか一つを用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できるので、優れた圧電特性が実現できる。
【００２２】
そして、圧電体層１４は、膜構造が厚み方向に成長した柱状構造であるが、柱状粒子と柱状粒子の間には異物が存在しない。この点からも、上記した残留歪みが電圧の印加方向によって異なり、優れた圧電特性が実現できる。
【００２３】
加えて、圧電体薄膜の場合は、下地基板や電極膜などが存在するため、通常のセラミックスのように分極処理の際に自由に結晶の歪みを変化させることが出来ない。そのため、分極処理を行うと、分極の反転などによる歪みが緩和されずに残ってしまうので、十分な分極処理が行い難い。電圧を高くするなどして、無理に分極処理を行うと、圧電体薄膜の内部にマイクロクラックが発生したり、電極膜や基板との界面で剥離が生じたりしやすい。この実施の形態による圧電体薄膜素子の要部である圧電体層１４は、形成後に分極が一方向に揃っているので、高温での分極処理を行う必要がない。そのため、圧電特性が外的影響を受け難くなるので、上述したような信頼性を低下させるようなことは生じない。
【００２４】
次に、図２は、図１に示す圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータの外観を示す斜視図である。図２に示す薄膜アクチュエータ５０は、基板１１に対応する支持部５１と、密着層１２に対応する密着層５２と、第１の電極層１３に対応する第１の電極層５３と、圧電体層１４に対応する圧電体層５４と、第２の電極層１５に対応する第２の電極層５５とで構成されている。
【００２５】
この実施の形態１による圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータ５０では、駆動する電圧の印加方向は、残留歪みが２．５×１０-4を超える値を有する方向としている。これによって、当該薄膜アクチュエータ５０は、その使用時に、圧電体薄膜層の圧電特性の低下は発生しないので、耐久性能に優れた薄膜アクチュエータとなる。
【００２６】
以下では、圧電体層１４のみの成膜条件（スパッタ条件）を違えた２つの製造例（実施例１，２）を示し、上記した内容の圧電特性を有するこの実施の形態１による圧電体薄膜素子が得られる圧電体層１４の成膜条件（スパッタ条件）がどのようなものであるかを示す。
【００２７】
成膜条件を違えたのは、圧電体層１４のみであり、各層の厚さは同じであるので、まず全体の製造手順を示す。即ち、図１において、基板１１は、厚さが０．３ｍｍ、直径が４インチの円盤状シリコンウェハ基板である。この円盤状シリコン基板１１の上面に、厚さ０．０２μｍの密着層１２、厚さ０．２２μｍの第１の電極層１３、厚さ３．０μｍの圧電体層１４及び厚さ０．０２μｍの第２の電極層１５をスパッタリング法によって順に成膜することで作製した。
【００２８】
密着層１２は、例えばチタン（Ｔｉ）ターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら１００Ｗの高周波電力を１分間印加して成膜した。第１の電極層１３は、例えば白金（Ｐｔ）ターゲットを用い、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を１２分間印加して成膜した。第２の電極層１５は、例えば白金（Ｐｔ）ターゲットを用い、室温において真空度１Ｐａのアルゴンガス中において２００Ｗの高周波電力を１０分間印加して成膜した。
【００２９】
ここで、圧電体層１４は、組成がＺｒ／Ｔｉ＝５３／４７のＰＺＴ焼結体ターゲットを用いたが、ＰＺＴのＺｒ／Ｔｉ組成は、正方晶と菱面体晶との境界（モルフォトロピック相境界）付近ではＺｒ／Ｔｉ＝５２／４８であることから、圧電体層１４におけるＺｒ／Ｔｉ組成は上記組成に限らない。また、圧電体層１４の構成材料は、ＰＺＴにＬａ、Ｓｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の添加物を含有したもの等のように、ＰＺＴを主成分とする圧電材料であればよく、ＰＭＮやＰＺＮであってもよい。
【００３０】
さて、『実施例１：圧電体層１４は、真空度０．３Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１５：５）において、基板１１を６１０℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を２４０分間印加して成膜した。』場合と、『実施例２：圧電体層１４は、真空度０．４Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１８：２）において、基板１１を６５０℃に加熱しながら、１５０Ｗの高周波電力を８０分間印加して成膜した。』場合とについて説明する。
【００３１】
（Ａ）実施例１について
圧電体層１４は、結晶構造、結晶配向性をＸ線回折によって調べた結果、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、＜１１１＞配向をしていた。その＜１１１＞配向率は９９％であった。ＳＥＭ観察を行った結果、圧電体層１４は柱状構造を有していた。膜厚は、３．０μｍであった。柱状粒子径は、平均して０．３μｍであり、柱状粒子径と膜厚との比は、１／１０であった。ＴＥＭにて柱状粒子と柱状粒子との間の異物の存在有無を調べた結果、柱状粒子との間には異物は見られなかった。さらに、Ｘ線マイクロアナライザーにて柱状粒子内部と結晶粒界（柱状粒子の間）の組成を調べた結果、いずれも同じ組成であり、Ｐｂ1.08（Ｚｒ0.535，Ｔｉ0.465）Ｏ3であった。
【００３２】
次に、ダイシングによって２０ｍｍ×２．５ｍｍに切り出したカンチレバーを作製し、電界と歪みとの関係、および圧電定数ｄ31の測定を行った。なお、測定方法は、（特許文献１）と基本的に同じである。
【００３３】
図３は、実施例１にて得られた圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図である。図３に示すように、実施例１にて得られた圧電体薄膜素子の電界に対する歪みの変化は、左右対称のバタフライ形ではなく、左右非対称になっていた。これは、圧電体層１４の成膜後にすでに分極が一方向に向いていることを示している。
【００３４】
電界強度がゼロの場合の残留歪みの値は、第１の電極層１３側（基板１１側の下部電極）をアース電位に維持して、第２の電極層１５側（上部電極）に負の電圧を印加した場合では、３．４×１０-4であったが、正の電圧を印加した場合には、０．１×１０-4であった。
【００３５】
このことから、残留歪みが電圧の印加方向によって有する２種類の値の一方は、２．５×１０-4を超える値であり、他方は、２．５×１０-4を下回る値であることが解る。なお、この場合、第２の電極層１５に負の電圧を印加した場合が分極方向に対して順方向になる。
【００３６】
また、第２の電極層１５に負の電圧を印加した場合の圧電定数ｄ31を（表１）に示す。
【００３７】
【表１】
2007335489.tif 000003
【００３８】
（表１）から、圧電定数ｄ31は、電界強度、即ち印加電圧に対してほぼ一定であることが解る。これは、電圧の増加に伴う分極の回転による歪みが生じていないためであり、分極が安定に一方向を向いていることを示している。
【００３９】
次に、実施例１にて得られた圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータ（図２）の特性は、次の通りであった。即ち、薄膜アクチュエータ５０の第１の電極層５３をアース電位に維持し、第２の電極層５５に電界強度が−１００（Ｖ／ｃｍ）、周期が１ｋＨｚであるｓｉｎ波を１０００時間連続して印加した状態で２５時間おきにアクチュエータの変位を測定し、経時変化を調べた結果、１０００時間の連続駆動に対して変位の経時変化を示す変位量の低下は２％であり、優れた圧電特性の耐久性能を有していることが解った。
【００４０】
（Ｂ）実施例２について
成膜条件を変更した圧電体層１４の観察結果は、次の通りであった。即ち、Ｘ線回折の結果では、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有していたが、結晶配向はしていなかった。ＳＥＭ観察の結果では、同様に柱状構造を有していた。膜厚は、１．０μｍであった。柱状粒子径は、平均して０．５５μｍであり、柱状粒子径と膜厚との比は、１．１／２であった。さらに、ＴＥＭによって柱状粒子と柱状粒子との間の異物の存在有無を調べた結果、結晶粒界には、結晶粒子とは異なる構造の異物は観察されなかった。そして、Ｘ線マイクロアナライザーにて柱状粒子内部と結晶粒界（柱状粒子の間）の組成を調べた結果、いずれも組成は、Ｐｂ1.03（Ｚｒ0.533，Ｔｉ0.467）Ｏ3であった。
【００４１】
次に、ダイシングによって２０ｍｍ×２．５ｍｍに切り出したカンチレバーを作製し、電界と歪みとの関係および圧電定数ｄ31の測定を行った。なお、測定方法は、（特許文献１）と基本的に同じである。
【００４２】
図４は、実施例２にて得られた圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図である。図４に示すように、実施例２にて得られた圧電体薄膜素子では、印加電界に対する歪みの変化は、図３とは異なり左右対称のバタフライ形であった。これは、製法を変更した圧電体層１４では、成膜後に分極は一方向には向いていないことを示している。電界強度がゼロの場合の残留歪みの値は、電界の印加方向に関係なく同じ値の１．５×１０-4であった。
【００４３】
また、第２の電極層１５に負の電圧を印加した場合の圧電定数ｄ31を（表２）に示す。
【００４４】
【表２】
2007335489.tif 000004
【００４５】
（表２）から、圧電定数ｄ31は、電界強度、即ち印加電圧に対して一定ではなく、電圧の増加に伴って大きくなっていくことが解る。これは、電圧の増加に伴う分極の回転による歪みが生じているためであり、分極が安定に一方向を向いていないことを示している。
【００４６】
次に、同様に、図２に示した薄膜アクチュエータ５０を実施例２にて得られた圧電体薄膜素子を用いて作製し、上記したのと同じ方法でアクチュエータ特性を調べた。即ち、上記したように、薄膜アクチュエータ５０の第１の電極層５３をアース電位に維持し、第２の電極層５５に電界強度が−１００（Ｖ／ｃｍ）、周期が１ｋＨｚであるｓｉｎ波を１０００時間連続して印加した状態で２５時間おきにアクチュエータの変位を測定し、経時変化を調べた。その結果、１０００時間の連続駆動に対して変位の経時変化を示す変位量の低下は１８％であり、大きな低下が見られた。
【００４７】
以上の比較結果から、この実施の形態１による「圧電体層の残留歪みが電圧の印加方向によって異なる２種類の値を有し、一方が２．５×１０-4を超える値であり、他方が２．５×１０-4を下回る値である」圧電体薄膜素子は、圧電体層の成膜条件（スパッタ条件）を適切に選択することで製造できることが理解できる。
【００４８】
そして、それを用いて作製した薄膜アクチュエータは、使用する際に、残留歪みが２．５×１０-4を超える値を有する方向に電圧を印加して用いることにすれば、分極の反転などを生じさせないので、２．５×１０-4を超える大きな残留歪みを有していても、圧電特性が低下することはなく、優れた圧電性能と優れた長期安定性とを有していることが理解できる。
【００４９】
（実施の形態２）
この実施の形態２では、実施の形態１による圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振動子として用いるインクジェットヘッドの構成例を示す。端的には、このインクジェットヘッドは、実施の形態１による圧電体薄膜素子のいずれかの電極側の面に設けた振動板層と、前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、前記圧電体薄膜素子の圧電効果によって前記振動板層を層厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるように構成される。以下、具体的な構成例（図５〜図７）とその製造手順（図８〜図１３）とを示す。
【００５０】
図５は、本発明の実施の形態２によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図である。図６は、図５に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図である。図５、図６に示すように、インクジェットヘッド１００は、主な要素として、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとインク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを備えている。
【００５１】
図５、図６において、圧力室部材Ａには、その厚み方向（上下方向）に貫通する多数の圧力室開口部１０１が千鳥状に形成されている。この多数の圧力室開口部１０１は、その上端開口部を共通に被覆するように配置されるアクチュエータ部Ｂと、その下端開口部を共通に被覆するように配置されるインク流路部材Ｃとによってその上下端が閉塞されることで、個別の圧力室１０２となる。
【００５２】
インク流路部材Ｃは、インク供給方向に並ぶ圧力室１０２間で共用する共通液室１０５と、この共通液室１０５のインクを圧力室１０２に供給するための供給口１０６と、圧力室１０２内のインクを吐出させるためのインク流路１０７とを有している。ノズル板Ｄには、インク流路１０７に連通するノズル孔１０８が形成されている。また、ＩＣチップＥから各個別電極１０３に対してボンディングワイヤＢＷを通して電圧をそれぞれ供給するようになっている。
【００５３】
次に、図７は、図５に示すインクジェットヘッドの要部であるアクチュエータ部の構成を示す断面図である。図７では、図５に示したインク供給方向とは直交する方向での断面構成が示され、上記直交方向に並ぶ４個の圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａが参照的に描かれている。４個の圧力室１０２は、区画壁１０２ａで仕切られている。
【００５４】
図７に示すように、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室１０２に共通の天井面を構成する部材として、区画壁１０２ａの上端面に接着剤１１４にて接着される中間層（区画壁１０２ａの側壁面と面一に形成される）１１３と、その上に積層される振動層１１１と、その上に積層される共通電極である第２の電極層１１２とを備えている。
【００５５】
そして、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎の駆動手段として、第２の電極層１１２の上面における各圧力室１０２の直上位置に設けられる圧電体層１１０と、その上に積層される個別電極である第１の電極層１０３とを備えている。
【００５６】
つまり、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎に、第２の電極層１１２、圧電体層１１０及び第１の電極層１０３が順に積層される構成の圧電体薄膜素子を備えている。そして、振動層１１１が共通電極である第２の電極層１１２側に設けられている。第１の電極層１０３、圧電体層１１０及び第２の電極層１１２の各構成材料は、実施の形態１にて説明した第１の電極層１３、圧電体層１４及び第２の電極層１５のそれぞれと同様であり、圧電体層１１０の構造も、圧電体層１４とそれぞれ同様である。但し、構成元素の含有量が異なるものもある。
【００５７】
アクチュエータ部Ｂでは、この構成によれば、１つの圧力室１０２に対する圧電体層１１０の圧電効果によって振動層１１１が層厚方向に変位し振動することで、その圧力室１０２の容積を変化させることができる。
【００５８】
なお、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとは、接着剤１１４によって接着されているが、各中間層１１３は、この接着剤１１４を用いた接着時に、その一部の接着剤１１４が区画壁１０２ａの外方にはみ出した場合でも、この接着剤１１４が振動層１１１に付着しないで振動層１１１が所期通りの変位及び振動を起こすように、区画壁１０２ａの上端面である圧力室１０２の上面と振動層１１１の下面との距離を拡げる役割を有している。したがって、中間層１１３を設けずに、区画壁１０２ａの上端面に直接振動層１１１を支持させる構成を採る場合もある。
【００５９】
次に、図８〜図１２を参照して、図５に示すＩＣチップＥを除く要部、つまり、図６に示す圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂ、インク流路部材Ｃ及びノズル板Ｄからなるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。
【００６０】
図８は、積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程を説明する断面図である。図８（ａ）に示すように、基板１２０上に、順次、密着層１２１、第１の電極層１０３、圧電体層１１０、第２の電極層１１２、振動層１１１、中間層（縦壁）１１３をスパッタリング法によって成膜して積層する。
【００６１】
なお、密着層１２１は、実施の形態１にて説明した密着層１２と同様であって、基板１２０と第１の電極層１０３との密着性を高めるために両者間に介在させてある。つまり、密着層１２１は、必須のものではない。後述するように、密着層１２１は、基板１２０と同様に除去される。
【００６２】
ここで、基板１２０は、成膜用の基板、つまり、１つの圧電体薄膜素子を作製する単位となる基板である。この基板１２０は、実施の形態１にて説明した基板１１と同様であって、シリコン（Ｓｉ）基板や、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれで構成してもよい。そして、形状は、実施例１にて示したように適宜厚さの円盤状でもよいが、ここでは、基板１２０には、例えば厚さ１８ｍｍの４角形状に切り落としたＳｉ基板を用いた。
【００６３】
そして、密着層１２１、第１の電極層１０３、圧電体層１１０、および第２の電極層１１２は、上記した実施例１と同様の方法で作製したが、ここでは、追加要素である振動層１１１及び中間層１１３の材料と作製方法とを説明する。
【００６４】
即ち、振動層１１１は、Ｃｒ、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン等の単体又はこれらの酸化物若しくは窒化物（例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）等のいずれか一つ、例えばＣｒターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を６時間印加することで形成した。膜厚は、ここでは３μｍであるが、１μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００６５】
また、中間層１１３は、ＴｉやＣｒ等の導電性金属、例えばＴｉターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を５時間印加することで形成した。膜厚は、ここでは５μｍであるが、３μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００６６】
次に、図８（ｂ）（ｃ）及び図１３に示すように圧力室部材Ａを形成する。なお、図１３は、成膜用基板と圧力室部材用基板との関係を説明する平面図である。図１３に示すように、圧力室部材Ａで使用する基板１３０は、必要数の基板１２０が搭載できる程度に大きいサイズのＳｉウェハ基板である。具体的には、基板１３０は、径が２インチ〜１０インチの範囲内の適宜直径（ここでは４インチとした）の円盤状をしている。
【００６７】
圧力室部材Ａは、この基板１３０を使用して形成される。具体的には、先ず、基板１３０に対して複数の圧力室開口部１０１をパターンニングする。このパターンニングは、図８（ｂ）から判るように、４つの圧力室開口部１０１を１組として、各組を区画する区画壁１０２ｂの厚幅は、各組内の圧力室開口部１０１を区画する区画壁１０２ａの幅の約２倍に設定される。
【００６８】
その後、上記パターンニングされた基板１３０をケミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して各組で４個の圧力室開口部１０１を形成することで、圧力室部材Ａを得る。
【００６９】
その後は、図８（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａと基板１３０とを接着剤１１４にて接着する。この接着剤１１４の形成は電着による。図８（ｃ）において、まず、圧力室部材Ａ側の接着面として圧力室の区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に接着剤１１４を電着によって付着させる。具体的には、図示しないが、区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのＮｉ薄膜をスパッタ法によって形成し、その後、当該Ｎｉ薄膜上に、パターニングされた接着剤１１４を形成する。
【００７０】
ここで、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に０〜５０重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液を使用する。また、Ｎｉ薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設定するのは、基板１３０に接着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。電着条件は、実験によると、液温約２５℃、直流電圧３０Ｖ、通電時間６０秒が好適である。この条件下で約３〜１０μｍのアクリル樹脂を、圧力室部材用基板１３０のＮｉ薄膜上に電着形成する。
【００７１】
次に、図９は、成膜後の基板と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程を説明する断面図である。図９（ａ）に示すように、上記のように積層された成膜用基板１２０の所定数と圧力室部材Ａ（つまり基板１３０）とを上記のように電着された接着剤１１４を用いて接着する。この接着は、基板１２０に成膜された中間層１１３を基板側接着面として行う。
【００７２】
図１３は、この状態を示している。図１３に示す例では、基板１２０は１８ｍｍ角の矩形状であるのに対し、基板１３０の盤面は、４インチサイズという大きな円形状をしているので、１４個の成膜用基板１２０が圧力室部材Ａで使用する１つの基板１３０に貼り付けられている。
【００７３】
この貼り付けは、図９（ａ）に示すように、各基板１２０の中心が圧力室部材Ａの区画壁１０２ｂの中心に位置するように位置決めした状態で行われる。貼り付け後、圧力室部材Ａを基板１２０側に押圧、密着させて、両者の接着を液密性高くする。さらに、上記接着した基板１２０及び圧力室部材Ａを加熱炉において徐々に昇温加熱して接着剤１１４を完全に硬化させる。続いて、図９（ｂ）に示すように、プラズマ処理を行って接着剤１１４のうち、圧力室開口部１０１内にはみ出した断片を除去する。また、圧力室部材Ａの各区画壁１０２ａ，１０２ｂをマスクとして中間層１１３をエッチングし、各区画壁１０２ａ，１０２ｂの縦壁に連続するような所定形状に仕上げる。
【００７４】
なお、図９（ａ）では、成膜後の基板１２０と圧力室部材Ａとを接着したが、圧力室開口部１０１を形成しない段階の圧力室部材用の基板１３０を成膜後の基板１２０と接着してもよい。
【００７５】
次に、図１０は、成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図である。図１０（ａ）に示すように、図９（ｂ）とした後に、成膜後の成膜用の基板１２０及び密着層１２１をエッチングによって除去する。その後は、図１０（ｂ）に示すように、圧力室部材Ａ上に位置する第１の電極層１０３について、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、各圧力室１０２に個別化する。
【００７６】
次に、図１１は、圧電体層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程を説明する断面図である。図１１（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて圧電体層１１０及び配向制御層１０４をエッチングして第１の電極層１０３と同様の形状に個別化する。これらエッチングでは、第１の電極層１０３及び圧電体層１１０が、圧力室１０２の各々の上方に位置し、かつ第１の電極層１０３及び圧電体層１１０の幅方向の中心が対応する圧力室１０２の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。
【００７７】
このように第１の電極層１０３及び圧電体層１１０を圧力室１０２毎に個別化した後、図１１（ｂ）に示すように、圧力室部材用基板（基板１３０）を各区画壁１０２ｂの部分で切断し、４つの圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａとその上面に固定されたアクチュエータ部Ｂとが４組完成する。
【００７８】
次に、図１２は、インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッドを説明する断面図である。
【００７９】
その後、図１２（ａ）に示すように、インク流路部材Ｃに共通液室１０５、供給口１０６及びインク流路１０７を形成するとともに、ノズル板Ｄにノズル孔１０８を形成する。次いで、図１２（ｂ）に示すように、インク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを接着剤１０９を用いて接着する。
【００８０】
その後、図１２（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａの下端面又はインク流路部材Ｃの上端面に接着剤（図示せず）を転写し、圧力室部材Ａとインク流路部材Ｃとのアライメント調整を行ってこの両者を上記接着剤１０９により接着する。以上によって、図１２（ｄ）に示すように、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂ、インク流路部材Ｃ及びノズル板Ｄを持つインクジェットヘッドが完成する。
【００８１】
以上のようにして作製したインクジェットヘッドは、実施の形態１における実施例１による成膜条件で作製した圧電体薄膜（圧電体層）を有する圧電体薄膜素子を用いている。このインクジェットヘッドにおいて、第１の電極層１０３及び第の２電極層１１２間に所定電圧を印加して、周波数が２０ｋＨｚで波高値３０Ｖの交流電圧を１００日間印加し続けたが、インクの吐出不良は全くなく、吐出性能の低下は見られなかった。
【００８２】
一方、実施の形態１における実施例２による成膜条件で作製した圧電体薄膜（圧電体層）を有する圧電体薄膜素子を用いるインクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッドについて同様の試験を実施したところ、全圧力室１０２に対応する部分でインク吐出不良が発生した。これは、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエータ部Ｂ（圧電体薄膜素子）の圧電性能が低下したと考えられる。
【００８３】
したがって、実施の形態１における実施例１による成膜条件で作製した圧電体薄膜（圧電体層）を有する圧電体薄膜素子を用いるこの実施の形態２によるインクジェットヘッドは、長期間の耐久性能に優れていることが判る。
【００８４】
（実施の形態３）
この実施の形態３では、実施の形態２によるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の構成例を示す。端的には、このインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１による成膜条件で作製した圧電体薄膜（圧電体層）を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段にて前記インクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成される。以下、具体的な構成例（図１４）を示す。
【００８５】
図１４は、本発明の実施の形態３によるインクジェット式記録装置の構成を示す概略斜視図である。図１４に示すインクジェット式記録装置２７は、実施の形態２によるインクジェットヘッド２８を備えている。このインクジェットヘッド２８において圧力室（実施の形態２における圧力室１０２）に連通するように設けたノズル孔（実施の形態２におけるノズル孔１０８）から当該圧力室内のインクを記録用紙等の記録媒体２９に吐出させて記録を行うように構成されている。
【００８６】
インクジェットヘッド２８は、主走査方向Ｘに延びるキャリッジ軸３０に設けられたキャリッジ３１に搭載され、このキャリッジ３１がキャリッジ軸３０に沿って往復動するのに応じて主走査方向Ｘに往復動するように構成されている。このことで、キャリッジ３１は、インクジェットヘッド２８と記録媒体２９とを主走査方向Ｘに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。
【００８７】
また、このインクジェット式記録装置２７は、記録媒体２９をインクジェットヘッド２８の主走査方向Ｘ（幅方向）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数のローラ３２を備えている。このことで、複数のローラ３２は、インクジェットヘッド２８と記録媒体２９とを副走査方向Ｙに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。なお、図１４中、Ｚは上下方向である。
【００８８】
そして、インクジェットヘッド２８がキャリッジ３１によって主走査方向Ｘに移動しているときにインクジェットヘッド２８のノズル孔からインクを記録媒体２９に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ３２によって記録媒体２９を所定量移動させて次の一走査の記録を行うように、上記相対移動手段が制御される。
【００８９】
このように、実施の形態３によるインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１による成膜条件で作製した圧電体薄膜（圧電体層）を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドを備えるので、良好な印字性能及び耐久性を有することができる。
【００９０】
なお、この明細書では、実施の形態１による圧電体薄膜素子の好適な適用例として、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置への適用例を示したが、この発明はこれに限定されるものではなく、薄膜コンデンサ、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上のように、この発明にかかる圧電体薄膜素子は、薄膜形成時に存在する様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を形成するのに有用であり、特に、インクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置の耐久性能を向上させるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図
【図２】図１に示す圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータの外観を示す斜視図
【図３】実施例１による圧電体層の成膜条件（スパッタ条件）で作製した図１に示す圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図
【図４】実施例２による圧電体層の成膜条件（スパッタ条件）で作製した図１に示す圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図
【図５】本発明の実施の形態２によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図
【図６】図５に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図
【図７】図５に示すインクジェットヘッドの要部であるアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図８】図５に示すインクジェットヘッドの製造手順（積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程）を説明する断面図
【図９】図５に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜後の成膜用基板と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程）を説明する断面図
【図１０】図５に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図
【図１１】図５に示すインクジェットヘッドの製造手順（圧電体層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程）を説明する断面図
【図１２】図５に示すインクジェットヘッドの製造手順（インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッド）を説明する断面図
【図１３】図８に示す製造過程で成膜された基板（成膜用基板）と圧力室部材で用いる基板（圧力室部材用基板）との関係を説明する平面図
【図１４】本発明の実施の形態３によるインクジェット式記録装置の構成を示す概略斜視図
【符号の説明】
【００９３】
１１    基板
１２    密着層
１２    第１の電極層
１４    圧電体層
１５    第２の電極層
２７    インクジェット式記録装置
２８    インクジェットヘッド
２９    記録媒体
３０    キャリッジ軸
３１    キャリッジ（相対移動手段）
５０    薄膜アクチュエータ
５１    支持部
５２    密着層
５３    第１の電極層
５４    圧電体層
５５    第２の電極層
１００    インクジェットヘッド
１０２    圧力室
１０２ａ    区画壁
１０３    第１の電極層（個別電極）
１０４    配向制御層
１０５    共通液室
１０６    供給口
１０７    インク流路
１０８    ノズル孔
１０９    接着剤
１１０    圧電体層
１１１    振動層
１１２    第２の電極層（共通電極）
１１３    中間層（縦壁）
１１４    接着剤
１２０    基板（成膜用）
１２１    密着層
１３０    基板（圧力室部材用）
Ａ    圧力室部材
Ｂ    アクチュエータ部
Ｃ    インク流路部材
Ｄ    ノズル板
【図１】
2007335489.tif 000005
【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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