(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体膜と、この圧電体膜を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、
前記圧電体膜は、膜面方向と膜厚方向に複数の結晶粒を備えた結晶粒集団が複数形成されて、結晶粒集団と他の結晶粒集団の間の境界面が膜厚方向に延在する結晶層を積層してなり、
ある結晶層内における前記境界面とこの結晶層に接する別の結晶層内における前記境界面とが膜厚方向において不連続に形成された、圧電体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、
圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室の一方の面に設けられた振動板と、
前記振動板の前記圧力室に対応する位置に設けられ、当該圧力室に体積変化を及ぼすことが可能に構成された前記圧電体素子と、を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタにおいて、
記録媒体を供給および搬出が可能に構成された記録媒体搬送機構と、
前記記録媒体搬送機構により供給された記録媒体上の任意の位置に前記インクジェット式記録ヘッドにより印刷させるヘッド制御回路と、を備えるプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電体素子に係り、特に、電流リークが発生しにくく耐電圧性が良好な圧電体膜を備えた圧電体素子、及びそのような圧電体膜の製造方法であって厚膜化の可能な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体素子は、電気機械変換機能を呈する圧電体膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体膜は結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。この圧電体素子の製造方法としては、有機金属のゾルを下部電極上に塗布して乾燥脱脂の後、高熱処理を行って結晶化させるという、いわゆるゾルゲル法を用い、最後に高熱を加えて一気に結晶化させる方法が知られている。この方法によって圧電体素子を製造すると、結晶化に伴って内部応力が作用し、圧電体薄膜に容易にクラックが生じやすいという問題があった。
【０００３】
一方、有機金属のゾルを下部電極上に塗布して乾燥脱脂の後、所定のアルカリ溶液中に入れて一定温度及び一定圧力下で結晶化させる方法も知られている。このようにアルカリ水溶液中で結晶化させる方法を水熱法という。この水熱法によればゾルゲル法に比べ比較的低い温度で結晶化が可能であるため、数々の利点が存在する。例えば、低温製造であれば結晶化の過程で発生する膜の内部応力が少ないので、従来品よりも大きな面積の、クラックのない圧電体薄膜を形成可能であると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記水熱法によって製造した圧電体素子においても、膜厚方向に微小な隙間または結晶粒間の結合の弱い部分が生じていることがある。このような隙間または結合の弱い部分は電流パスになり易く、耐電圧特性が必ずしも十分に得られない。
【０００５】
また、従来の水熱法では、厚膜またはバルク材を形成しようとする場合には、結晶化の過程で発生する膜の内部応力が大きくなるため、厚膜化が困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、耐電圧特性に優れた新たな構造を有する圧電体膜を備えた圧電体素子を提供することを目的とする。そして、この圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッド及びこのインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを提供することを目的とする。また、上記のような圧電体膜の製造方法、特に厚膜化を可能とする製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、圧電体膜と、この圧電体膜を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、前記圧電体膜は、複数の結晶層を膜厚方向に積層してなり、各結晶層は、複数の結晶粒を備え、各結晶層内には、結晶粒間の結合の弱い境界面が膜厚方向に延在し、ある結晶層内における前記結合の弱い境界面とこれに隣接する結晶層内における前記結合の弱い境界面とが不連続に形成されたことを特徴とする。
【０００８】
結晶粒間の結合の弱い面の形成位置が、各層ごとに異なっているため、結合の弱い面が１層の厚さ分以上に連続することが無いので、上部電極と下部電極を結ぶ電流パスを生じにくく、耐電圧性の良好な圧電体素子となる。
【０００９】
また、本発明は、圧電体膜と、この圧電体膜を挟んで配置される下部電極および上部電極とを備えた圧電体素子であって、前記圧電体膜は、複数の結晶層を膜厚方向に積層してなり、各結晶層には、複数の結晶粒を備えた結晶粒集団が複数形成されており、各結晶層内における結晶粒集団の間の境界面は膜厚方向に延在し、ある結晶層内における境界面とこれに隣接する結晶層内における境界面とが不連続に形成されたものである。
【００１０】
結晶粒集団の間の境界（この境界は、例えば、微小クラック、結合の弱い部分として圧電体膜内に表れる）の形成位置が、各層ごとに異なっているので、圧電体膜に微小クラック又は結合の弱い部分が生じたとしても、複数層の圧電体膜のうち１層の厚さ分以上に連続することが無いので、電流パスが生じにくく、耐電圧性の良好な圧電体素子となる。
【００１１】
また、本発明は、上記圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧力室が形成された圧力室基板と、前記圧力室の一方の面に設けられた振動板と、前記振動板の前記圧力室に対応する位置に設けられ、当該圧力室に体積変化を及ぼすことが可能に構成された前記圧電体素子と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、上記インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタにおいて、記録媒体を供給および搬出が可能に構成された記録媒体搬送機構と、前記記録媒体搬送機構により供給された記録媒体上の任意の位置に前記インクジェット式記録ヘッドにより印刷させるヘッド制御回路と、を備えたものである。
【００１３】
また、本発明は、圧電体膜と、この圧電体膜を挟んで配置される下部電極及び上部電極を備える圧電体素子の製造方法であって、前記下部電極上に有機金属化合物を含む圧電体前駆体膜を成膜し、これに水熱処理を行う工程を複数回実行し、これによって形成された複数層の圧電体膜上に前記上部電極を積層させることを特徴とする方法である。
【００１４】
圧電体前駆体膜の成膜及び結晶化の工程を繰り返し実行するので、圧電体に微小クラック又は結合の弱い部分が生じたとしても、かかる微小クラック又は結合の弱い部分が複数層にまたがることがない。そのため、電流パスが生じにくい圧電体素子を製造することができる。また、この方法によって圧電体を多層に積層することにより、厚膜化が容易であり、圧電体の厚膜やバルク体を製造しても電流パスが生じにくい圧電体素子を製造することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記圧電体素子の製造方法であって、前記複数回実行される各工程において、各層の圧電体前駆体膜を成膜する前に、それぞれ圧電体結晶生成のための種層を積層することとしてもよい。
【００１６】
圧電体膜の各層の間に種層を形成するので、結晶成長が促進される。しかも、種層は下層に生じた微小クラック内に堆積しやすいので、当該部分から結晶が成長することとなり、当該部分が結晶粒の境界になる可能性が低くなる。
【００１７】
また、本発明は、上記圧電体素子の製造方法であって、前記圧電体前駆体膜を成膜し結晶化させる工程はｎ（ｎは２以上）回実行してｎ層の圧電体膜を形成するものであって、このｎ回実行される工程のうち、１回目からｎ−１回目の工程において成膜された圧電体前駆体膜は、当該工程においては結晶化が完全に行われる前に結晶化を終了させ、次の回の工程において更に結晶化させるようにしてもよい。
【００１８】
結晶化の途中でその工程を終了させ、次の回の工程で、上下層を同時に結晶化させることにより、圧電体膜の各層の間における結合力が強くなる。また、結晶化のための加熱時間が全体として短くて済む。
【００１９】
また、本発明は、上記の製造方法で製造した圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、基板の一面に振動板を形成する工程と、前記振動板に前記圧電体素子を形成する工程と、前記基板をエッチングし圧力室を形成する工程と、を備えた方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
（プリンタの構造）
図１は、本実施形態の圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドが使用されるプリンタの構造の説明図である。このプリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。さらに本体２の内部には、インクジェット式記録ヘッド１、供給機構６、制御回路８が備えられている。
【００２２】
インクジェット式記録ヘッド１は、本発明の製造方法で製造された圧電体素子を備えている。インクジェット式記録ヘッド１は、制御回路８から供給される吐出信号に対応して、ノズルからインクを吐出可能に構成されている。
【００２３】
本体２は、プリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に供給機構６を配置し、用紙５に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。トレイ３は、印字前の用紙５を供給機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
【００２４】
供給機構６は、モータ６００、ローラ６０１・６０２、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ６００は、制御回路８から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ６００の回転力をローラ６０１・６０２に伝達可能に構成されている。ローラ６０１および６０２は、モータ６００の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ３に載置された用紙５を引き込み、ヘッド１によって印刷可能に供給するようになっている。
【００２５】
制御回路８は、図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を供給機構６に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド１に供給したりできるようになっている。また、制御回路８は操作パネル９からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。
【００２６】
図２は、本実施形態の圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド１は、図に示すように、ノズル板１０、圧力室基板２０および振動板３０を備えて構成されている。このヘッドは、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。
【００２７】
圧力室基板２０は、キャビティ（圧力室）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。キャビティ２１は、シリコン等の基板をエッチングすることにより形成されたインクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２はキャビティ２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各キャビティ２１に充たすための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各キャビティ２１にインクを導入可能に形成されている。なおキャビティ２１などの形状はインクジェット方式によって種々に変形可能である。例えば平面的な形状のカイザー（Kyser）形であっても円筒形のゾルタン（Zoltan）形でもよい。またキャビティが１室形用に構成されていても２室形に構成されていてもよい。
【００２８】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられたキャビティ２１の各々に対応する位置にそのノズル穴１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合わせられている。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０は、さらに筐体２５に納められて、インクジェット式記録ヘッド１を構成している。
【００２９】
振動板３０は圧力室基板２０の他方の面に貼り合わせられている。振動板３０には圧電体素子（図示しない）が設けられている。振動板３０には、インクタンク口（図示せず）が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０内部に供給可能になっている。
【００３０】
図３に、本発明のインクジェット式記録ヘッドおよび圧電体素子のさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧電体素子の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板３０は、絶縁膜３１および下部電極３２を積層して構成され、圧電体素子４０は圧電体薄膜層４１および上部電極４２を積層して構成されている。特にこのインクジェット式記録ヘッド１は、圧電体素子４０、キャビティ２１およびノズル穴１１が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能である。例えば４００ｄｐｉ（dot per inch）になるように配置される。
【００３１】
絶縁膜３１は、導電性でない材料、例えばシリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素（ＳｉＯ２）により構成され、圧電体層の変形により変形し、キャビティ２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。
【００３２】
絶縁膜３１上には下部電極３２を形成するが、絶縁膜３１と下部電極３２との間に、２０ｎｍ程度のチタン又は酸化チタンの膜（密着層）を形成しても良い。
【００３３】
下部電極３２は、圧電体層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）などにより構成されている。なお、下部電極３２はこれに限らず、白金と同じＦＣＣ構造を有する金属であるイリジウム（Ｉｒ）で構成しても良い。下部電極３２は、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電体素子に共通な電極として機能するように絶縁膜３１と同じ領域に形成される。ただし、圧電体薄膜層４１と同様の大きさに、すなわち上部電極と同じ形状に形成することも可能である。
【００３４】
上部電極４２は、圧電体層に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有する材料、例えば膜厚０．１μｍの白金（Ｐｔ）で構成されている。
【００３５】
圧電体薄膜層４１は、本発明の製造方法で製造された例えばペロブスカイト構造を持つ圧電性セラミックスの結晶であり、振動板３０上に所定の形状で形成されて構成されている。
【００３６】
圧電体薄膜層４１の組成は、例えばジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ０.５６、Ｔｉ０.４４）Ｏ３：ＰＺＴ）等の圧電性セラミックスを用いる。その他、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＯ３）またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＭＮ−ＰＺＴ）、ジルコニウム酸チタン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＢＺＴ）などでもよい。
【００３７】
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、印刷動作を説明する。制御回路８から駆動信号が出力されると、供給機構６が動作し用紙５がヘッド１によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路８から吐出信号が供給されず圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層４１には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子４０が設けられているキャビティ２１には、圧力変化が生じず、そのノズル穴１１からインク滴は吐出されない。
【００３８】
一方、制御回路８から吐出信号が供給され圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜層４１に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子４０が設けられているキャビティ２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このためキャビティ２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で印刷させたい位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【００３９】
（結晶構造）
図４は、本発明の１実施形態による圧電体素子の断面ＳＥＭ写真であり、図５はその模写図である。これらの図に示されるように、圧電体薄膜（図５の符号４１）は、膜厚方向に４層積層され、下部電極３２と上部電極４２に挟まれている。
【００４０】
圧電体薄膜４１の各層においては複数の結晶粒を備えた結晶粒集団が複数形成され、各集団の間は膜厚方向に形成された境界面で区切られている。ここで、この境界面は他の層における境界面と連続しないようになっており、互いに隣接する層の間で、異なる位置に形成されている。これにより、上記境界面に沿って電流リークが発生する可能性が極めて低くなる。従って、仮に水熱法による結晶化の過程で微小クラックが発生しても、その微小クラックは上部電極から下部電極に直線的に繋がっていないので、電流リークが発生しにくく、耐電圧特性の良好な圧電体素子を作成することができる。
【００４１】
なお、これらの図では結晶粒が非柱状となっているが、これに限らず、膜厚方向に延びる柱状であってもよく、柱状の結晶粒と非柱状の結晶粒との混在であっても良い。例えば、圧電体薄膜の結晶方位を、膜厚方向に［１１０］優先配向とすると柱状の結晶粒となり、膜厚方向に［１１１］優先配向とすると、非柱状の結晶粒となる。そして一般には、柱状の結晶粒の方が良好な圧電特性を得ることができる。
【００４２】
（製造方法）
次に、この実施形態による圧電体素子の製造方法を、インクジェット式記録ヘッドの製造方法と併せて説明する。
【００４３】
ゾルの製造
まず、圧電体薄膜層の原料となる圧電性セラミックスのゾルを製造する。例えば、２−ｎ−ブトキシエタノール中にチタニウムテトライソプロポキシド、ペンタエトキシニオブおよびテトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムを混入し、室温下で２０分間攪拌する。次いでジエタノールアミンを加えて室温下でさらに２０分間攪拌する。酢酸鉛と酢酸マグネシウムを加え８０℃に加温する。加温した状態で２０分間攪拌し、その後室温になるまで自然冷却する。以上の工程で製造された金属アルコキシド溶液を前駆体として用いる。ただし、ゾルの製造方法は上記に限定されるものではない。
【００４４】
次に、上記製造方法によって製造されたゾルを用いて圧電体素子、さらにインクジェット式記録ヘッドを製造する。図６及び図７は、本実施形態による圧電体素子の製造工程断面図である。
【００４５】
絶縁膜形成工程（図６（ａ））
絶縁膜形成工程は、シリコン基板２０に絶縁膜３１を形成する工程である。シリコン基板２０の厚みは、側壁の高さが高くなりすぎないように、例えば２００μｍ程度のものを使用する。絶縁膜３１は例えば１μｍ程度の厚みに形成する。絶縁膜の製造には公知の熱酸化法等を用い、二酸化珪素の膜を形成する。なお、絶縁膜３１の上に、好ましくは厚さ５ｎｍ〜４０ｎｍ、更に好ましくは２０ｎｍ程度のチタン膜又は酸化チタン膜（密着層３３）を更に形成しても良い。この密着層３３は、下部電極３２との密着性を向上させる。
【００４６】
下部電極形成工程（図６（ｂ））
この下部電極形成工程は、絶縁膜３１又は密着層３３の上に下部電極３２を形成する工程である。下部電極３２は、例えば白金層を２００ｎｍの厚みで積層する。これらの層の製造は公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いる。
【００４７】
更に、白金膜上に、チタン（Ｔｉ）の種層を好ましくは３ｎｍ〜２５ｎｍ、更に好ましくは５ｎｍの厚みで形成する。このチタン種層の形成には、例えば公知の直流スパッタ法等を用いる。この種層は一様の厚みで形成するが、場合によって島状となっても構わない。
【００４８】
前駆体膜第１層形成工程（図７（ｃ））
前駆体膜第１層形成工程は、ゾルの塗布とその乾燥・脱脂とを実行することにより、複数層からなる圧電体膜４１のうちの１層となる圧電体前駆体薄膜第１層４１１を形成する工程である。まず上記のようにして製造した金属アルコキシド溶液を、下部電極３２上に一定の厚み（例えば０．２μｍ）に塗布する。例えば公知のスピンコート法を用いる場合には、毎分５００回転で３０秒、毎分１５００回転で３０秒、最後に毎分５００回転で１０秒間塗布する。塗布した段階では、ＰＺＴを構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。塗布後、一定温度で一定時間乾燥させる。例えば、乾燥温度は例えば１５０℃以上２００℃以下に設定する。好ましくは、１８０℃で乾燥させる。乾燥時間は例えば５分以上１５分以下にする。好ましくは１０分程度乾燥させる。
【００４９】
乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度で一定時間脱脂する。脱脂温度は、３００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。この範囲より高い温度では結晶化が始まってしまい、この範囲より低い温度では、十分な脱脂が行えないからである。好ましくは３５０℃程度に設定する。脱脂時間は、例えば５分以上９０分以下にする。この範囲より長い時間では結晶化が始まってしまい、この範囲より短い時間では十分に脱脂されないからである。好ましくは１０分程度脱脂させる。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ、大気中に飛散する。
【００５０】
第１水熱処理工程（図７（ｄ））
水熱処理工程では、まず、アルカリ性溶液１０１を、圧力を加えることが可能に構成されている水槽１００に満たす。そして上記の工程で積層された圧電体前駆体薄膜第１層４１１を基板ごと水槽１００に浸し、オートクレーブ（autoclave）中で一定条件で結晶化を促進させる。
【００５１】
処理液は、アルカリ性溶液を用いる場合には、溶質として、ここでは例えばＢａ（ＯＨ）２を用いる。また、ＫＯＨ、Ｐｂ（ＯＨ）２、Ｂａ（ＯＨ）２とＰｂ（ＯＨ）２の混合液またはＫＯＨとＰｂ（ＯＨ）２の混合液でもよい。これらのアルカリ性溶液で圧電性セラミックスが結晶化することが確認されている。アルカリ溶液の濃度としては、０.０５Ｍ［ｍｏｌ／ｌ］以上０．５Ｍ［ｍｏｌ／ｌ］以下の濃度に調整する。これ以下の濃度であると結晶化が促進されず、これ以上の濃度であると、アルカリが強く、圧電体薄膜および基板などを侵食するおそれがあるからである。例えば、０.１Ｍ［ｍｏｌ／ｌ］の濃度に調整する。
【００５２】
水熱処理の温度は、１２０℃以上２００℃以下に設定する。この範囲より低い温度では結晶化が促進されず、この範囲より高い温度では、圧電体薄膜層およびシリコン基板がエッチングされるからである。例えば処理温度を１５０℃程度にする。水熱処理の圧力は、２気圧以上２０気圧以下に設定する。この範囲からはずれる圧力では、良好な結晶が得られないからである。例えば圧力を６気圧程度にする。水熱処理の時間は、例えば６０分に設定する。
【００５３】
かかる工程により圧電体前駆体膜第１層４１１を結晶化させた場合、圧電体膜第１層４１ａには、内部応力によって微小なクラック又は結晶粒間の結合の弱い部分が膜厚方向に生じることがある。このような部分は電流パスとなるおそれもあるが、そのようなおそれは、以下の工程を経ることによって大幅に軽減される。
【００５４】
前駆体薄膜第２層形成工程（図７（ｅ））
水熱処理を行った圧電体薄膜第１層４１ａの上に、更にゾルの塗布とその乾燥・脱脂とを実行することにより、複数層からなる圧電体膜４１のうちの第２層となる圧電体前駆体薄膜第２層４１２を形成する工程である。塗布方法、乾燥及び脱脂方法は、上記圧電体前駆体薄膜層形成工程と同様であるので、説明を省略する。
【００５５】
なお、圧電体前駆体膜第１層４１１の下層に形成したと同様に、前駆体膜第２層４１２の下層にも、チタン（Ｔｉ）の種層を形成しても良い。
【００５６】
また、上記第１水熱処理工程において結晶化が完全に行われる前に水熱処理を中止させ、下記の第２水熱処理工程において、前駆体膜第２層を結晶化させると同時に前駆体膜第１層を更に結晶化させるようにしてもよい。これにより、圧電体第１層と第２層の密着性が向上する。また、一層あたりの加熱時間が短くて済むため、結晶化のための加熱時間が全体として短くて済む。
【００５７】
第２水熱処理工程（図７（ｆ））
第２水熱処理工程では、上記の基板に再度水熱処理を適用する。水熱処理条件は、上記水熱処理工程と同様である。
【００５８】
これによって生成される圧電体膜第２層４１ｂにも、上記第１層４１ａと同様に、微小なクラック又は結晶粒間の結合の弱い部分が生じることがある。しかしこの実施形態の工程によれば、第１層と第２層は別々に結晶化されるので、たとえ１つの層で微小クラックが発生しても、他の層ではそれと無関係の箇所に発生する。従って、上部電極４２から下部電極３２まで通じるようなクラックが発生する事態は回避することができる。
【００５９】
むしろ、下層に微小クラックが形成された場合には、その上の層においては、その場所では内部応力が吸収されるので、下層のクラックと同じ場所でクラックが発生する可能性は低くなると考えられる。また、圧電体膜第１層と圧電体前駆体膜第２層との間に種層を形成した場合、種層はクラック部分に特に堆積され易いので、そこから圧電体膜第２層の結晶がエピタキシャル成長することが期待できる。そうすると、圧電体膜第１層に発生した微小クラックの上に圧電体膜第２層の結晶粒が生じるので、当該部分にクラックが発生する恐れは少ない。
【００６０】
また、上記の製造方法によれば、圧電体前駆体薄膜層の形成工程と、水熱処理工程とを繰り返し実行することにより、圧電体膜が複数層にわたって形成され、厚膜化が可能である。例えば、１層あたり０．２μｍの厚みの圧電体膜を１０層にわたって積層すると、計２μｍの圧電体膜を得ることができる。更にそれ以上の厚み（例えば厚さ１５μｍ程度のバルク体）に形成することもできる。
【００６１】
以上のように圧電体前駆体膜を成膜するごとにこれを結晶化させることにより、本実施形態の圧電体素子に使用される圧電体膜が完成する。次に、この圧電体膜を利用した圧電体素子、およびこれを備えた圧電アクチュエータの一例であるインクジェットヘッドについて、その製造方法を説明する。図８は、圧電体膜に上部電極を形成する圧電体素子の形成工程、更には、これを備えたインクジェットヘッドの製造工程を説明する断面図である。
【００６２】
上部電極形成工程（図８（ａ））
圧電体薄膜層４１の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッタ法等の技術を用いて、上部電極４２を形成する。上部電極の材料は、白金（Ｐｔ）等を用いる。厚みは１００ｎｍ程度にする。
【００６３】
上記工程で圧電体素子の層構造が完成する。この層構造を、圧電体素子を適用するインクジェット式記録ヘッドに適合した形状にエッチング等で成形すればよい。
【００６４】
エッチング工程（図８（ｂ））
エッチング工程は、圧電体素子４０を形成する工程である。まず、上記圧電体素子の積層構造４１および４２を圧力室基板２０に形成するキャビティに合わせた形状となるようマスクする。そしてその周囲をエッチングし圧電体素子４０にする。具体的には、まずスピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジスト材料を塗布する。次いでマスクを圧電体素子の形状に形成してから露光し現像して、レジストパターンを上部電極４２上に形成する。マスクはレジスト材料がポジ型かネガ型かに合わせて形成する。そして通常用いるイオンミリング、あるいはドライエッチング法等を適用して、上部電極４２および圧電体薄膜層４１をエッチングし除去する。以上でインクジェット式記録ヘッドに適合した圧電体素子４０が形成できる。
【００６５】
圧力室形成工程（図８（ｃ））
圧力室形成工程は、圧電体素子４０が形成された圧力室基板２０の他方の面をエッチングしてキャビティ２１を形成する工程である。圧電体素子４０を形成した面と反対側から、例えば異方性エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを用いて、キャビティ２１空間のエッチングを行う。エッチングされずに残された部分が側壁２２になる。
【００６６】
ノズル板貼り合わせ工程（図８（ｄ））
ノズル板貼り合わせ工程は、エッチング後のシリコン基板２０にノズル板１０を接着剤で貼り合わせる工程である。貼り合わせのときに各ノズル穴１１がキャビティ２１各々の空間に配置されるよう位置合せする。最後に、ノズル板１０が貼り合わせられた圧力室基板２０を筐体に取り付け、インクジェット式記録ヘッド１を完成させる。
【００６７】
なお、ノズル板と圧力室基板を一体的にエッチングして形成する場合には、ノズル板の貼り合わせ工程は不要である。すなわち、ノズル板と圧力室基板とを併せたような形状に圧力室基板をエッチングし、最後にキャビティに相当する位置にノズル穴を設ければよいからである。
【００６８】
（実施例）
上記製造方法の実施例として、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）Ｏ３）を圧電体薄膜層とする圧電体素子を製造した。特に、圧電体前駆体膜を塗布して結晶化させる工程を２回繰り返し実行し、圧電体結晶を２層に形成した。
【００６９】
一方、比較例として、従来の水熱法によって製造した圧電体薄膜を挙げる。比較例の圧電体薄膜は、チタン（Ｔｉ）で構成された下部電極上にＰＺＴ前駆体膜を形成して、水熱処理により結晶化させて製造した。両者とも、圧電体薄膜を直径２ｍｍとし、膜厚は０．５μｍとした。
【００７０】
図９は、これら本実施例及び比較例による圧電体素子に直流電圧をかけた場合の、電圧−電流特性を示すグラフである。図中、白抜きのドットは本実施例による圧電体素子における特性、黒塗りのドットは比較例による圧電体素子における特性である。この図に示されるように、本実施例による圧電体素子は、電圧の印加に対するリーク電流が比較例による圧電体素子におけるリーク電流より大幅に小さいことがわかる。
【００７１】
この実施例では結晶を２層としたが、より多層にすれば、結晶粒集団の境界に沿って形成される電流路がより長くなるので、印加電圧に対するリーク電流の値が更に小さくなると考えられる。
【００７２】
（その他の変形例）
本発明は、上記実施形態に限らず種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施例はＰＺＴであったが、他の圧電体素子用の圧電性セラミックス（ＰＭＮ−ＰＺＴなど）についても同様に水熱法による結晶化が可能である。
【００７３】
また、本発明で製造した圧電体素子は上記インクジェット式記録ヘッドの圧力発生源のみならず、圧電ファン、超音波モータ、超音波振動子のような圧電体素子装置及びこの様な装置の製造に適応することができる。すなわち、本発明の圧電体素子は大面積化が可能でコストダウンを図れるため、従来品にない用途を提供したり、従来の機能をさらに安く提供したりできる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、耐電圧性に優れ、内部応力が低いため機械的強度が向上したことによって信頼性の高い圧電体素子を提供することができる。また、圧電性および強誘電性に優れた圧電体を備えた圧電体素子を提供することができる。
【００７５】
また、本発明によれば、上記のような特性を備えた圧電体素子を製造する方法を提供することができ、しかも厚膜化が可能な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドが使用されるプリンタの構造を説明する斜視図である。
【図２】本実施形態の圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。
【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドおよび圧電体素子の具体的な構造を説明する断面図である。
【図４】本発明の１実施形態による圧電体素子の断面ＳＥＭ写真である。
【図５】上記図４の模写図である。
【図６】本実施形態による圧電体素子の製造工程断面図である。
【図７】本実施形態による圧電体素子の製造工程断面図である。
【図８】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する製造工程断面図である。
【図９】本発明の実施例及び比較例による圧電体素子に直流電圧をかけた場合の、電圧−電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…ノズル板、  ２０…圧力室基板、  ３０…振動板、  ３１…絶縁膜、  ３２…下部電極、  ４０…圧電体素子、  ４１…圧電体薄膜層、  ４２…上部電極、  ２１…キャビティ
【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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