CN100503244C - 压电元件及其制法、喷墨头、喷墨式记录装置和角速度传感器 - Google Patents

压电元件及其制法、喷墨头、喷墨式记录装置和角速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电元件及其制造方法、有该压电元件的喷墨头、喷墨式记录装置及角速度传感器。压电元件具备第一电极膜(2)；压电体层叠膜(10)，由形成于第一电极膜(2)上的第一压电体膜(3)、和形成于该第一压电体膜(3)上且由其来控制结晶取向性的第二压电体膜(4)构成；和形成于第二压电体膜(4)上的第二电极膜(5)。第一和第二压电体膜(3、4)是结晶生长方向从压电体层叠膜(10)的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体。第二压电体膜(4)的柱状粒子的截面直径比第一压电体膜(3)的柱状粒子的截面直径大。压电体层叠膜(10)的厚度l与第二压电体膜(4)的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。

Description

压电元件及其制法、喷墨头、喷墨式记录装置和角速度传感器
技术领域
本发明涉及一种压电元件及其制造方法、以及具备该压电元件的喷墨头、喷墨式记录装置及角速度传感器。
背景技术
压电材料是将机械能变换为电能、或将电能变换为机械能的材料。作为压电材料的代表例，有作为钙钛矿型结晶结构的氧化物的钛酸锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)(下面称为PZT)。尤其是在钙钛矿型正方晶系结晶结构的PZT中，可在<001>轴向(c轴方向)上得到最大的压电位移。但是，多数压电材料是由结晶粒子的集合体构成的多晶体，各结晶粒子的结晶轴指向不同的方向。因此，自发极化Ps也不同排列。
但是，随着近年来的电子设备的小型化，对压电元件也强烈要求小型化。另外，为了满足该要求，与以前多数使用的烧结体相比，以体积明显小的薄膜形式来使用压电元件。因此，压电元件的薄膜化的研究开发盛行。
例如，在PZT中自发极化Ps指向<001>轴向，所以为了实现即使薄膜化也仍然高的压电特性(压电位移特性)，必需使构成PZT薄膜的结晶的<001>轴变为垂直于基板厚度方向一侧的面的方向。另外，以前，为了实现该情况，在结晶方位(100)面突出表面的、由岩盐型结晶结构的氧化镁(MgO)构成的单晶基板上，在600-700度(℃)的温度下，通过将PZT用作靶的溅射法直接形成<001>轴取向于垂直于该基板的厚度方向一侧的面的方向的、结晶性良好的PZT薄膜(例如参照应用物理杂志(Journal of　Applied Physics，美国，美国物理学会，1989年2月15日，第65卷，第4号，p.1666-1670))。该方法的特征在于使用MgO单晶基板，由此开始实现具有高的压电特性的、优先取向于结晶方向的压电体薄膜。
但是，因为该MgO单晶是价格非常高的材料，所以该方法在批量生产使用压电体薄膜的压电元件等工业制品时，从成本的观点看不优选。
因此，作为在廉价的基板上形成由压电材料构成的结晶取向膜的方法，有例如作为后期退火方式的代表例的溶胶凝胶状态互换(solgel)法。下面，说明例如将SrTiO3基板用作基板的情况下的基于溶胶凝胶状态互换法的结晶取向膜的形成工序。首先，在通过溅射法形成于基板上的RuO2下部电极上，通过旋涂涂布Zr和Ti的浓度比为Zr/Ti＝75/25的溶胶液，并加热干燥，形成前驱体膜。之后，在该前驱体膜上，使用Zr和Ti的浓度比为Zr/Ti＝52/48的溶胶液形成多层前驱体膜，之后，在900度下高温烧结。从而，不产生裂纹地合成(001)结晶取向的PZT类压电体氧化膜薄膜(例如参照特开2000-208828号公报(第3-4页)。
如上所述，通过形成结晶取向于作为压电常数大的结晶方向的(001)面上的PZT薄膜，可制作具有高的压电特性的压电体薄膜。
这里，本发明者们开发出以不必后期退火的方式、例如溅射法来合成的方法，作为在廉价的基板上形成结晶取向膜的方法。下面，说明基于该方法的结晶取向膜的形成工序。首先，在基板上，通过溅射法形成由包含钛(Ti)的、铂(Pt)或铱(Ir)等贵金属合金构成的电极薄膜，作为基底电极。接着，在该电极薄膜上，通过溅射法形成作为钙钛矿型结晶结构的氧化物的钛酸镧铅(PLT)等的不含Zr的氧化物所构成、且结晶取向于(001)面的薄膜，作为初始层。之后，将该初始层作为基底，在该初始层上通过溅射法形成PZT，从而得到结晶取向于(001)面的PZT薄膜。
并且，本发明者们发现当将包含钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)的贵金属合金所构成的电极薄膜用作基底电极时，通过在该电极薄膜上直接形成PZT，可得到(001)结晶取向的PZT薄膜。
如上所述，通过形成结晶取向于作为压电常数大的结晶方位的(001)面上的PZT薄膜，可制作具有高的压电特性的压电体薄膜。
因为如上所述得到的压电体薄膜示出高的压电常数，所以即使施加电压低，也产生大的压电位移，因此，可期待被用作各种领域的致动器。另外，通过向上述压电体薄膜施加大的电压，还可进行更大的压电位移驱动。
但是，若向以上述不必后期退火的溅射法形成PZT膜的致动器施加大的电压，则存在在作为基底电极的膜与钙钛矿型氧化物膜之间产生膜分离等问题，具有作为高位移的压电致动器其持久性低的缺点。
发明内容
本发明鉴于上述问题作出，其目的在于提供一种即使为了得到大的致动器位移而以高电压驱动也示出高的持久性的、可靠性高的压电体元件。
为了解决上述问题，本发明的压电元件具备第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，其特征在于：所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
这里，期望本发明的压电元件中，所述第一和第二压电体膜至少包含Pb、Zr和Ti，其化学组成比由Pb：Zr：Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示，所述第一和第二压电体膜的所述b值为0.50以上、0.60以下的相同值，所述第一压电体膜的Pb含量比所述第二压电体膜多，所述第一压电体膜的所述a值为0.05以上、0.15以下，所述第二压电体膜的所述a值为0以上、0.10以下。
由此，第一电极膜与第一压电体膜的紧贴性变高。由此，即使施加大的电压，在第一电极膜与第一压电体膜之间也不会产生膜分离。因此，可实现在具有高的压电性的同时、不引起恶化的压电元件。
另外，本发明的压电元件具备第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，其特征在于：所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
这里，期望本发明的压电元件中，所述第一和第二压电体膜至少包含Pb、Zr和Ti，其化学组成比由Pb：Zr：Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示，所述第一和第二压电体膜的所述b值为0.50以上、0.60以下的相同值。
由此，第一电极膜与第一压电体膜的紧贴性变高。由此，即使施加大的电压，在第一电极膜与第一压电体膜之间也不会产生膜分离。因此，可实现在具有高的压电性的同时、不引起恶化的压电元件。另外，通过如此导入缓冲层膜，容易制作形成于该缓冲层膜上的、与第一电极膜的紧贴性高的第一压电体膜。
这里，期望本发明的压电元件中，缓冲层膜由钛酸镧铅或向钛酸镧铅中添加镁(Mg)和锰(Mn)中至少之一的材料构成。
另外，期望本发明的压电元件中，缓冲层膜是包含锶(Sr)的钙钛矿型结晶结构的氧化物。
另外，期望本发明的压电元件中，所述缓冲层膜含有钛酸锶。
并且，期望本发明的压电元件中，具备形成于所述第一电极膜中的与所述第一压电体膜相反侧的面上或所述第二电极膜中的与所述第二压电体膜相反侧的面上的振动板膜。并且，期望所述振动板膜由硅、玻璃、陶瓷材料和金属材料中任一构成。
另外，期望本发明的压电元件中，所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径为40nm以上、70nm以下，且长度为5nm以上、100nm以下。
另外，期望本发明的压电元件中，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径为60nm以上、200nm以下，且长度为2500nm以上、5000nm以下。
另外，期望本发明的压电元件中，所述第一和第二压电体膜由至少包含Pb、Zr和Ti的钙钛矿型结晶结构的氧化物构成，当将按照基于X射线衍射法的衍射图案的各结晶面的反射强度求出的压电体膜的(001)结晶取向率定义为在晶格间距离从
Figure C200410042697D00131
至
Figure C200410042697D00132
的X射线衍射范围内(001)峰值强度与(002)峰值强度之和相对归属于压电体膜的全部峰值强度总和的百分率时，所述第一压电体膜的(001)结晶取向率为50％以上、80％以下，另一方面，所述第二压电体膜的(001)结晶取向率为95％以上、100％以下。
另外，期望本发明的压电元件中，所述第一电极膜由Pt或Ir所构成的贵金属、或向该贵金属中添加Ti、Co和Ni中至少之一的合金构成，是截面直径为20nm以上、30nm以下的柱状粒子的集合体。
由此，第一电极膜可使第一压电体膜作为结晶取向控制膜的功能活化。因此，第一压电体膜可确实控制第二压电体膜的结晶取向性。
另外，本发明的压电元件的制造方法的特征在于：具备如下工序：通过溅射法在基板上形成第一电极膜；通过将规定材料用作靶且在规定成膜条件下的溅射法，在所述第一电极膜上形成第一压电体膜；通过将所述规定材料用作靶且在与上述规定成膜条件不同的成膜条件下的溅射法，在所述第一压电体膜上形成由该第一压电体膜控制结晶取向的第二压电体膜，从而形成压电体层叠膜；和通过溅射法在所述第二压电体膜上形成第二电极膜。
另外，本发明的压电元件的制造方法的特征在于：具备如下工序：通过溅射法在基板上形成第一电极膜；通过将规定的第一材料用作靶且在规定的第一成膜条件下的溅射法，在所述第一电极膜上形成缓冲层膜；通过将规定的第二材料用作靶且在规定的第二成膜条件下的溅射法，在所述缓冲层膜上形成第一压电体膜；通过将所述规定的第二材料用作靶且在与所述规定的第二成膜条件不同的成膜条件下的溅射法，在所述第一压电体膜上形成由该第一压电体膜控制结晶取向的第二压电体膜，从而形成压电体层叠膜；和通过溅射法在所述第二压电体膜上形成第二电极膜。
这里，期望本发明的压电元件的制造方法还具备通过溅射法在所述第二电极膜上形成振动板膜的工序；和去除所述基板的工序。
并且，本发明的喷墨头具备头主体，该头主体形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分临近所述压力室地设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
并且，本发明的喷墨头具备头主体，该头主体形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分临近所述压力室地设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
并且，本发明的喷墨式记录装置具备：喷墨头，该喷墨头具备头主体，该头主体形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室，和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分临近所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出；和使所述喷墨头与记录媒体相对移动的移动部件，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
并且，本发明的喷墨式记录装置具备：喷墨头，该喷墨头具备头主体，该头主体形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室，和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分临近所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出；和使所述喷墨头与记录媒体相对移动的移动部件，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
另外，本发明的角速度传感器具备基板，该基板具有固定部和从该固定部向规定方向延伸的至少一对振动部，在该基板的至少各振动部上设置压电元件，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下，将所述第二电极膜布图成使所述振动部沿其宽度方向振动的至少一个驱动电极与检测所述振动部的厚度方向变形用的至少一个检测电极。
另外，本发明的角速度传感器具备基板，该基板具有固定部和从该固定部向规定方向延伸的至少一对振动部，在该基板的至少各振动部上设置压电元件，其特征在于：所述压电元件具备第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，所述压电体层叠膜的厚度1与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下，将所述第二电极膜布图成使所述振动部沿其宽度方向振动的至少一个驱动电极与检测所述振动部的厚度方向变形用的至少一个检测电极。
并且，期望所述基板由硅或玻璃构成。
另外，本发明的压电元件除喷墨头或喷墨式记录装置或角速度传感器外，还适用于陀螺仪或振动传感器等电子部件中。
发明效果
根据本发明，因为第一电极膜与第一压电体膜的紧贴性高，所以可实现具有大的压电特性与高的持久性的压电元件。另外，根据本发明的压电元件的制造方法，可容易批量生产具有大的压电特性与高的持久性的压电元件。并且，根据本发明，可提供喷出能力的差异少、且具有高的可靠性的喷墨头和具备该喷墨头的喷墨式记录装置。
另外，根据本发明，可提供具有高的可靠性、且可容易批量生产的薄型角速度传感器。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的压电元件的立体图。
图2是表示压电元件的制造工序的图。
图3是表示压电元件的膜结构的模式图。
图4是扩大表示压电体层叠膜的剖开截面的电子显微镜照片。
图5是表示施加频率为2kHz的电压情况下的压电元件的前端在Z轴方向的上下运动的位移量的图。
图6是压电元件的立体图。
图7是表示压电元件的制造工序的图。
图8是喷墨头的示意结构图。
图9是剖开墨水喷出元件的一部分的分解立体图。
图10是图9的X-X线的截面图。
图11是表示致动器部的制造工序的一部分的图。
图12是表示致动器部的制造工序的一部分的图。
图13是串行方式的喷墨头式记录装置的示意立体图。
图14是直线方式的喷墨头式记录装置的示意立体图。
图15是角速度传感器的示意立体图。
图16是图15的XVI-XVI线截面图。
图17是表示角速度传感器的制造工序的图。
图18是表示角速度传感器的制造方法中、布图第二电极膜后的状态的平面图。
图19是使用水晶的现有角速度传感器的示意立体图。
图20是图19的XX-XX线截面图。
具体实施方式
下面，根据附图来详细说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
如图1所示，根据本发明实施方式1的压电元件20具备薄的长方形平板形状的基板1(厚度为0.30mm、宽度为3.0mm、长度为15.0mm)、和形成于该基板1上的层叠体11。压电元件20的宽度为3.0mm。压电元件20的长度方向一端部(图1中为左端部)经环氧树脂类粘接剂7固定在不锈钢支撑基板6(厚度为1.0mm、宽度为3.0mm、长度为10.0mm)上。该一端部是长度距压电元件20的一端(图1中为左端)为3.0mm的部分。压电元件20的长度方向与不锈钢支撑基板6的长度方向大致正交。从而压电元件20构成悬臂梁。
基板1还起到阻碍层叠体11由于压电效应而伸缩的振动板膜的作用。层叠体11具备形成于基板1上的第一电极膜2、形成于该第一电极膜2上的压电体层叠膜10、和形成于该压电体层叠膜10上的第二电极膜5。
第一电极膜2设置在基板1一侧的整面上。压电体层叠膜10设置在第一电极膜2的所述一端部以外的部分上。即，压电体层叠膜10的宽度为3.0mm，长度为12.0mm。压电体层叠膜10由(001)优先取向的钙钛矿型结晶结构的钛酸锆酸铅类氧化物(下面称为PZT类氧化物)构成。所谓PZT类氧化物是至少包含Pb、Zr和Ti的氧化物。压电体层叠膜10详细而言由形成于第一电极膜2上的第一压电体膜3、和形成于该第一压电体膜3上的第二压电体膜4构成。第一压电体膜3具有作为控制第二压电体膜4的结晶取向性的结晶取向控制膜的功能。第二电极膜5由膜厚为250nm的铂(Pt)构成。第一和第二电极膜2、5分别连接导线8、9。
这里，作为本发明的特征，第一和第二压电体膜3、4是结晶生长方向从压电体层叠膜10(第一和第二压电体膜3、4)的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体(参照图3)。换言之，第一和第二压电体膜3、4是沿垂直于基板1(第一电极膜2)的厚度方向一侧面的方向生长的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜3、4的柱状粒子彼此连续相接。
另外，第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径比第一压电体膜3的柱状粒子的截面直径大。压电体层叠膜10的厚度(压电体层叠膜10的柱状粒子的长度)1与第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。这里，当比l/d不足20时，由于成膜时产生的应力，在压电体层叠膜10中产生裂纹，若比l/d超过60，则驱动时的功耗变大，响应性降低，所以均不优选。
另外，第一压电体膜3的柱状粒子的截面直径为40nm以上、70nm以下，同时长度为5nm以上、100nm以下。第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径为60nm以上、200nm以下，同时长度为2500nm以上、5000nm以下。
另外，第一压电体膜3的(001)结晶取向率为50％以上、80％以下(后面详细描述(001)结晶取向率)。第二压电体膜4的(001)结晶取向率为95％以上、100％以下。
另外，第一和第二压电体膜3、4的化学组成比由Pb：Zr：Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示。第一和第二压电体膜3、4的b值为0.50以上、0.60以下的相同值。第一压电体膜3的Pb含量比第二压电体膜4多。第一压电体膜3的a值为0.05以上、0.15以下。第二压电体膜4的a值为0以上、0.10以下。
另外，第一电极膜2由Pt或Ir所构成的贵金属、或向该贵金属中添加Ti、Co和Ni中至少之一的合金构成，是结晶生长方向从第一电极膜2的厚度方向一侧指向另一侧、且截面直径为20nm以上、30nm以下的柱状粒子的集合体。
这里，若经导线8、9向压电元件20的第一和第二电极膜2、5施加电压，则压电体层叠膜10沿X轴方向延伸。在将施加电压为E(V)、设压电体层叠膜10的厚度为t(m)、设长度为L(m)、设压电体层叠膜10的压电常数为d31(微微m/V)时，压电体层叠膜10在X轴方向延伸的变化量ΔL(m)由下式(1)求出。
ΔL＝d31×L×E/t           式(1)
另外，接合在第二电极膜5上的压电体层叠膜10的上侧部分沿X轴方向延伸，另一方面，接合在第一电极膜2上的压电体层叠膜10的下侧部分的延伸被厚度大的基板1所抑制。结果，压电元件20中与所述一端侧相反的另一端(图1中为右端。下面称为前端)沿Z轴的-Z方向(图1中为下侧)位移。因此，若以一定周期反复施加电压，则压电元件20的前端以规定的位移幅度沿Z轴方向位移。另外，通过调查施加电压与压电元件20的前端的位移幅度大小的关系，可评价压电元件20的位移特性。
压电元件的制造方法
下面，参照图2来说明压电元件20的制造方法。首先，如图2(a)所示，在研磨(001)面后的、纵向20mm、横向20mm、厚度0.30mm的硅基板101的表面上，使用形成宽度为5.0mm、长度为18.0mm的长方形开口部的不锈钢制掩膜(厚度为0.2mm)，通过后述的RF磁控管溅射法，形成第一电极膜102。
接着，在第一电极膜102的表面上，使用形成宽度为5.0mm、长度为12.0mm的长方形开口部的不锈钢制掩膜(厚度为0.2mm)，通过RF磁控管溅射法，正确形成压电体层叠膜110。压电体层叠膜110具体如下制作，即首先在第一电极膜102上，通过使用由PZT氧化物的烧结体构成的靶、且在规定成膜条件下的RF磁控管溅射法，形成第一压电体膜103，从此，通过使用与形成第一压电体膜103时相同的靶、且在与形成第一压电体膜103时的规定成膜条件不同的成膜条件下的RF磁控管溅射法，在第一压电体膜103上连续形成第二压电体膜104。
之后，在压电体层叠膜110的表面上，使用形状与所述掩膜相同的不锈钢制掩膜，通过RF磁控管溅射法正确形成第二电极膜105。从而，如图2(b)所示，得到由基板101、和形成于该基板101上的、包含压电体层叠膜110的层叠体111构成的结构体121。
接着，如图2(c)所示，用切片锯正确切断结构体121，以使整体变为宽度为3.0mm、长度为15.0mm的薄的长方形形状，且使长度距第一电极膜2中的一端(图2(c)中为左端)为3.0mm为止的部分露出。结果，得到顺序层叠基板1、第一电极膜2、第一压电体膜3、第二压电体膜4和第二电极膜5的压电体元件结构体部件22。
之后，如图2(d)所示，使用环氧树脂类粘接剂7将基板1中的第一电极膜2的露出部(图2(d)中为左端部)侧的部分接合在不锈钢支撑基板6上。
之后，如图2(e)所示，使用导电性粘接剂(银膏)将0.1mm的金制导线8连接于第一电极膜2的露出部上，同时，通过引线接合法将导线9连接于第二电极膜5中的第一电极膜2的露出部侧的部分上，从而得到图1所示的压电元件20。图3是表示该压电元件20的膜结构的模式图。
下面，说明具体实施的实施例。
(实施例1)
在本实施例中，将硅基板用作基板101，将厚度为100nm的铱(Ir)薄膜用作第一电极膜102。该铱薄膜通过3维RF磁控管溅射装置形成膜。具体而言，将硅基板101预加热到400度后，在该温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝15：1)用作溅射气体，将总气体压力保持在0.25Pa。将铱用作3维磁控管溅射装置的第一靶。通过施加200W的高频功率并溅射960秒，成膜铱薄膜(不使用第二和第三靶)。
将压电体层叠膜110的膜厚设为3550nm。压电体层叠膜110由(001)优先取向的钛酸锆酸铅(下面称为PZT)所构成的厚度为50nm的第一压电体膜103、和(001)优先取向的PZT所构成的厚度为3500nm的第二压电体膜104构成。
第一和第二压电体膜103、104使用RF磁控管溅射装置制作(参照图2(b))。此时，将过剩加入约20摩尔％PbO并调合的、化学化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.20：0.53：0.47)用作靶。另外，第一和第二压电体膜103、104的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的硅基板101预加热到580度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝38：2)用作溅射气体，将其气体压力变为0.2Pa，同时，将流量设为每分40ml。将等离子体产生功率取为3kW，在50秒间形成第一压电体膜103。之后，暂时停止成膜，仅将上述成膜条件中溅射气体的混合比(气体体积比)直接改变为Ar：O2＝79：1，其它成膜条件不变，成膜第二压电体膜104共2900秒。
另外，为了正确求出图2(b)所示第一压电体膜103的膜厚、(001)取向性、组成、膜厚和截面结构，在形成第一压电体膜103后，还制作结束成膜的层叠膜。用扫描型电子显微镜观察来观察该试件的表面，并且，进行基于X射线衍射及X射线微分析仪的组成分析。之后，破坏该试件，并用扫描型电子显微镜观察其切断截面。
另外，为了正确求出图2(b)所示第二压电体膜104的膜厚、(001)取向性、组成、膜厚和截面结构，在形成第二压电体膜104后，还制作中止成膜后的层叠膜。与上述一样，也用扫描型电子显微镜来观察该试件的表面，并且，在进行基于X射线衍射及X射线微分析仪的组成分析后，破坏试件，并用扫描型电子显微镜观察切断截面。
另外，将图2(b)所示的结构体121用作试件，通过俄歇分析来进行压电体层叠膜110的深度方向(膜厚方向)的组成分析。并且，用扫描型电子显微镜观察压电体层叠膜110的切断截面。图4(a)表示放大表示该压电体层叠膜110的切断截面的扫描型电子显微镜照片，图4(b)表示图4(a)的局部放大图。
以上各分析和观察的结果，可知作为第一电极膜102的铱电极是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜103、104作为相互连续相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为40nm。第二压电体膜104的膜厚为3500nm，柱状粒子的截面直径为160nm。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为22.2。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知第一和第二压电体膜103、104是钙钛矿型结晶结构。第一压电体膜103的形成面的(001)结晶取向率为70％，另一方面，第二压电体膜104的形成面的(001)结晶取向率为98％。这里，将按照基于X射线衍射法的衍射图案的各结晶面的反射强度求出的PZT类压电体膜的(001)结晶取向率定义为在晶格间距离从
Figure C200410042697D0023092717QIETU
(埃)至
Figure C200410042697D0023092724QIETU
的X射线衍射范围内(001)峰值强度与(002)峰值强度之和相对归属于PZT类压电体膜的全部峰值强度总和的百分率。即，结晶取向率为属于(001)的峰值强度相对PZT压电体膜的X射线衍射图案的(001)、(100)、(010)、(110)、(011)、(101)、(111)等的各结晶面的峰值强度总和的比率的百分率。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是(001)轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，经导线8、9向第一和第二电极膜2、5之间施加从0V至-80V的三角波电压，并使用激光多谱勒振动位移测定装置，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。图5表示施加频率为2kHz的电压情况下的压电元件20的前端在Z方向的上下运动的位移量。
如图5所示，在施加所述三角波电压的情况下，压电元件20的前端最大仅位移38.0微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件20的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件20的外观。结果，该压电元件20在10亿次驱动后，位移量为38.0微米，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例2)
在本实施例中，将耐高温硼硅酸玻璃基板用作基板101，将厚度为150nm的铂(Pt)薄膜用作第一电极膜102。该铂薄膜通过3维RF磁控管溅射装置形成膜。具体而言，将耐高温硼硅酸玻璃基板101预加热到400度后，在该温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝15：1)用作溅射气体，将总气体压力保持在0.25Pa。将铂用作3维RF磁控管溅射装置的第一靶。通过施加200W的高频功率并溅射1080秒，成膜铂薄膜(不使用第二和第三靶)。
另外，将压电体层叠膜110的膜厚设为5100nm。压电体层叠膜110由(001)优先取向的PZT所构成的厚度为100nm的第一压电体膜103、和形成于该第一压电体膜103上且(001)取向的PZT所构成的厚度为5000nm的第二压电体膜104构成。
在本实施例中，与上述实施例1一样，第一和第二压电体膜103、104使用RF磁控管溅射装置制作(参照图2(b))。此时，将过剩加入约10摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.10：0.50：0.50)用作靶。另外，第一和第二压电体膜103、104的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成有第一电极膜102的基板101预加热到550度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝79：1)用作溅射气体，将其气体压力变为0.25Pa，同时，将气体流量设为每分40ml。之后，将等离子体产生功率设为2kW，成膜60秒，由此制作第一压电体膜103。之后，停止成膜，将基板101的温度变为590度，且将等离子体产生功率变为3kW，其它成膜条件不变，成膜3800秒，由此制作第二压电体膜104。
与上述实施例1相同的分析和观察的结果，可知作为第一电极膜102的铂电极是截面直径为30nm的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜103、104作为相互连续相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为100nm，柱状粒子的截面直径为40nm。第二压电体膜104的膜厚为5000nm，柱状粒子的截面直径为85nm。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为60.0。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知第一和第二压电体膜103、104是钙钛矿型结晶结构。第一压电体膜103的形成面的(001)结晶取向率为50％，另一方面，第二压电体膜104的形成面的(001)结晶取向率为95％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.51：0.49，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.51：0.49。即，与上述实施例1一样，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中为相同值，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，与上述实施例1一样，向压电元件20施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件20的前端最大仅位移35.2微米。该压电元件20在10亿次驱动后，位移量也未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例3)
在本实施例中，将镜面加工后的耐热性不锈钢基板用作基板101，将含钛(Ti)的铱(Ir)所构成的厚度为110nm的合金薄膜用作第一电极膜102。该合金薄膜通过3维RF磁控管溅射装置形成膜。具体而言，将耐热性不锈钢基板101预加热到400度后，在该温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝16：1)用作溅射气体，将总气体压力保持在0.25Pa。将铱用作3维磁控管溅射装置的第一靶，将钛用作第二靶。通过分别向第一和第二靶施加200W和60W的高频功率并溅射960秒，成膜合金薄膜(不使用第三靶)。
另外，将压电体层叠膜110的膜厚设为4000nm。压电体层叠膜110由(001)优先取向的PZT所构成的厚度为100nm的第一压电体膜103、和形成于该第一压电体膜103上且(001)取向的PZT所构成的厚度为3900nm的第二压电体膜104构成。
在本实施例中，与上述实施例1一样，第一和第二压电体膜103、104使用RF磁控管溅射装置制作(参照图2(b))。此时，将过剩加入约10摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.10：0.60：0.40)用作靶。另外，第一和第二压电体膜103、104的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的基板101预加热到570度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝38：2)用作溅射气体，将其气体压力变为0.25Pa，同时，将流量设为每分40ml。之后，将等离子体产生功率设为3kW，成膜第一压电体膜103共100秒。之后，停止成膜，仅将上述成膜条件中溅射气体的混合比(气体体积比)变为Ar：O2＝79：1，其它成膜条件不变，成膜第二压电体膜104共2500秒。
与上述实施例1相同的分析和观察的结果，可知第一电极膜102是组成为包含1摩尔％的钛的铱薄膜，是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜103、104作为相互连续相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为100nm，柱状粒子的截面直径为70nm。第二压电体膜104的膜厚为3900nm，柱状粒子的截面直径为200nm。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20.0。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知第一和第二压电体膜103、104是钙钛矿型结晶结构。第一压电体膜103的形成面的(001)结晶取向率为80％，另一方面，第二压电体膜104的形成面的(001)结晶取向率为100％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.60：0.40，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.00：0.60：0.40。即，与上述实施例1一样，可知第一和第二压电体膜103、104是(001)轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中为相同值，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，与上述实施例1一样，向压电元件20施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件20的前端最大仅位移38.3微米。该压电元件20在10亿次驱动后，位移量也未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例4)
在本实施例中，将镜面研磨后的陶瓷(氧化铝)用作基板101，将含镍(Ni)的铂(Pt)所构成的厚度为120nm的合金薄膜用作第一电极膜102。该合金薄膜通过3维RF磁控管溅射装置形成膜。具体而言，将基板101预加热到400度后，在该温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝16：1)用作溅射气体，将总气体压力保持在0.25Pa。将铂用作3维磁控管溅射装置的第一靶，将镍用作第二靶。通过分别向第一和第二靶施加200W和60W的高频功率并溅射960秒，成膜合金薄膜(不使用第三靶)。
另外，将压电体层叠膜110的膜厚设为2505nm。压电体层叠膜110由(001)优先取向的PZT所构成的厚度为5nm的第一压电体膜103、和形成于该第一压电体膜103上且(001)取向的PZT所构成的厚度为2500nm的第二压电体膜104构成。
在本实施例中，与上述实施例1一样，第一和第二压电体膜103、104使用RF磁控管溅射装置制作(参照图2(b))。此时，将过剩加入约20摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.20：0.54：0.46)用作靶。另外，第一和第二压电体膜103、104的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的基板101预加热到550度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝79：1)用作溅射气体，将其气体压力变为0.2Pa，同时，将流量设为每分40ml。之后，将等离子体产生功率设为2kW，成膜5秒，由此制作第一压电体膜103。之后，停止成膜，将基板101的温度变为580度，且将等离子体产生功率变为3kW，其它成膜条件不变，成膜2000秒，由此制作第二压电体膜104。
与上述实施例1相同的分析和观察的结果，可知第一电极膜102由包含4摩尔％的镍的铂构成，是截面直径为25nm的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜103、104作为相互连续相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为5nm，柱状粒子的截面直径为40nm。第二压电体膜104的膜厚为2500nm，截面直径为60nm。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为41.7。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知第一和第二压电体膜103、104是钙钛矿型结晶结构。第一压电体膜103的形成面的(001)结晶取向率为80％，另一方面，第二压电体膜104的形成面的(001)结晶取向率为99.0％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.54：0.46，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.54：0.46。即，与上述实施例1一样，可知第一和第二压电体膜103、104是(001)轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中为相同值，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，与上述实施例1一样，向压电元件20施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件20的前端最大仅位移32.7微米。该压电元件20在10亿次驱动后，位移量也未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例5)
在本实施例中，将硅基板用作基板101，将含钴(Co)的铱(Ir)所构成的厚度为120nm的合金薄膜用作第一电极膜102。该合金薄膜通过3维RF磁控管溅射装置形成膜。具体而言，将基板101预加热到400度后，在该温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝16：1)用作溅射气体，将总气体压力保持在0.25Pa。将铱用作3维RF磁控管溅射装置的第一靶，将钴用作第二靶。通过分别向第一和第二靶施加200W和60W的高频功率并溅射960秒，成膜合金薄膜(不使用第三靶)。
另外，将压电体层叠膜110的膜厚设为4580nm。压电体层叠膜110由(001)优先取向的PZT所构成的厚度为80nm的第一压电体膜103、和形成于该第一压电体膜103上且(001)取向的PZT所构成的厚度为4500nm的第二压电体膜104构成。
在本实施例中，与上述实施例1一样，第一和第二压电体膜103、104使用3维RF磁控管溅射装置制作(参照图2(b))。此时，将过剩加入约20摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.20：0.53：0.47)用作靶。另外，第一和第二压电体膜103、104的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成有第一电极膜102的基板101加热到580度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比Ar：O2＝38：2)用作溅射气体，将其气体压力变为0.2Pa，同时，将流量设为每分40ml。之后，将等离子体产生功率设为3kW，成膜第一压电体膜103共75秒。之后，停止成膜，仅将上述成膜条件中溅射气体的混合比直接变为Ar：O2＝79：1，其它成膜条件不变，成膜第二压电体膜104共3700秒。
与上述实施例1相同的分析和观察的结果，可知第一电极膜102是组成为包含4摩尔％的钴的铱薄膜，是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体。第一和第二压电体膜103、104作为相互连续相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为80nm，柱状粒子的截面直径为50nm。第二压电体膜104的膜厚为4500nm，柱状粒子的截面直径为150nm。压电体层叠膜110的柱状粒子的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为30.5。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知第一和第二压电体膜103、104是钙钛矿型结晶结构。第一压电体膜103的形成面的(001)结晶取向率为70％，另一方面，第二压电体膜104的形成面的(001)结晶取向率为99.0％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.53：0.47。即，与上述实施例1一样，可知第一和第二压电体膜103、104是(001)轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中为相同值，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，与上述实施例1一样，向压电元件20施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件20的前端最大仅位移41.5微米。该压电元件20在10亿次驱动后，位移量也未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
另外，在上述各实施例中，将作为Pb、Zr与Ti的三元氧化物的PZT膜用作压电体层叠膜10，但可以是包含La的PZT膜(即PLZT膜)、或包含Nb或Mg等的离子的PZT膜等，只要是至少包含Pb、Zr和Ti的钙钛矿型结晶结构的氧化物薄膜，也可使用任一膜。这样，在压电体层叠膜10是钙钛矿型结晶结构的氧化物薄膜的情况下，得到实现与上述各实施例一样的作用、效果的压电体层叠膜10。
(比较例1)
为了与上述本实施例作比较，制作如下的比较例1的压电元件。在本比较例中，仅形成单层的压电体膜来代替压电体层叠膜。另外，该压电体膜的成膜方法与上述实施例1的第二压电体膜104的成膜方法一样。其它方面与实施例1完全相同。
另外，与上述实施例1一样，用扫描型电子显微镜观察试件的表面，在进行基于X射线衍射和X射线微分析仪的组成分析后，破坏试件后，用扫描型电子显微镜观察试件。
与上述实施例1相同的分析和观察的结果，可知本比较例的压电体膜是柱状粒子的集合体。压电体膜的膜厚为3500nm，柱状粒子的截面直径为230nm。压电体膜的厚度1与压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为15.2。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知压电体膜是钙钛矿型结晶结构，其(001)结晶取向率为45％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知压电体膜的组成为Pb：Zr：i＝1.05：0.53：0.47。
另外，可知基于俄歇分光分析的压电体膜的深度方向的Zr和Ti的组成分布在从第二电极膜界面到第一电极膜界面之间是一定的，Pb组成在距与第一电极膜的界面约10nm为止的部分(压电体膜整体的15分之1的部分)比其它部分少。该现象认为是由于Pb极少地扩散到第一电极膜中引起的。即，与上述实施例1一样，压电体膜是由沿垂直于基板的上面的方向生长的柱状粒子的集合体构成的钙钛矿型结晶结构的PZT，但与实施例1的不同之处在于该柱状粒子的截面直径比上述实施例1大，(001)结晶取向率比实施例1小，且与第一电极膜的界面附近的Pb组成与压电体膜整体相同、但与第一电极膜的界面上的Pb组成比其它部分稍少。
另外，与上述实施例1一样，向压电元件施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件的前端最大仅位移20.0微米。在通过该三角波电压仅驱动1亿次后，调查压电元件的驱动状况，同时，通过光学显微镜调查压电元件的外观的结果，可知压电元件的驱动停止，且在第一电极膜与压电体膜之间膜产生分离。
(比较例2)
为了与上述本实施例作比较，制作如下的比较例2的压电元件。在本比较例中，仅形成单层的压电体膜来代替压电体层叠膜。另外，该压电体膜的成膜方法与上述实施例5的第二压电体膜104的成膜方法完全一样。其它方面与实施例5完全相同。
另外，与上述实施例5一样，用扫描型电子显微镜观察试件的表面，在进行基于X射线衍射和X射线微分析仪的组成分析后，破坏试件后，用扫描型电子显微镜观察切断截面。
与上述实施例5相同的分析和观察的结果，可知压电体膜是柱状粒子的集合体。压电体膜的膜厚为4500nm，柱状粒子的截面直径为230nm。压电体膜的厚度1与压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比1/d为19.6。
另外，通过X射线衍射法分析的结果，可知压电体膜是钙钛矿型结晶结构，其(001)结晶取向率为96％。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知压电体膜的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.53：0.47。
另外，可知基于俄歇分光分析的压电体膜的深度方向的Zr和Ti的组成分布在从与第二电极膜的界面到与第一电极膜的界面之间是一定的，另一方面，Pb组成在距与第一电极膜的界面约10nm为止的部分(压电体膜整体的20分之1左右的部分)比其它部分少。该现象虽不能以俄歇分光分析的精度来观察，但认为是由于Pb组成至少扩散到第一电极膜中引起的。即，与上述实施例5一样，压电体膜是由沿垂直于基板的上面的方向生长的柱状粒子的集合体构成的、(001)取向的钙钛矿型结晶结构的PZT，但与实施例5的不同之处在于该柱状粒子的截面直径比上述实施例5大，且与第一电极膜的界面附近的Pb组成与压电体膜整体相同、但与第一电极膜的界面上的Pb组成比其它部分稍少。
另外，与上述实施例5一样，向压电元件施加从0V至-80V的三角波电压(频率为2kHz)，测定压电元件前端在Z轴方向的上下运动的位移量。结果，压电元件的前端最大仅位移38.0微米。在通过该三角波电压驱动10亿次后，调查压电元件的驱动状况，同时，通过光学显微镜调查压电元件的外观的结果，可知压电元件的驱动停止，且在第一电极膜与压电体膜之间膜产生分离。
效果
如上所述，根据本实施方式，第一电极膜2与第一压电体膜3的紧贴性变高。从而，即使施加大电压，在第一电极膜2与第一压电体膜3之间也不会产生膜分离。因此，可实现在具有高的压电特性的同时、不引起恶化的压电元件20。
另外，第一电极膜2使第一压电体膜3作为结晶取向控制膜的功能活化。因此，第一压电体膜3可确实控制第二压电体膜4的结晶取向性。
(实施方式2)
如图6所示，根据本发明实施方式2的压电元件21是类似于根据实施方式1的压电元件20的形状，具备薄的长方形平板形状的基板1(厚度为0.30mm、宽度为3.0mm、长度为15.0mm)、和形成于该基板1上的层叠体12。压电元件21的宽度为3.0mm。压电元件21的长度方向一端部(图6中为左端部)经环氧树脂类粘接剂7固定在不锈钢支撑基板6(厚度为1.0mm、宽度为3.0mm、长度为10.0mm)上。所谓该一端部是长度距压电元件21的一端(图6中为左端)长为3.0mm的部分。压电元件21的长度方向与不锈钢支撑基板6的长度方向大致正交。从而压电元件21构成悬臂梁。
这里，根据本方式的压电元件21构成为在压电元件21的层叠体12中存在缓冲层膜13，并在第一电极膜2与压电体层叠膜10之间配置该缓冲层膜13，此外的结构与实施方式1的压电元件20一样。
层叠体12具备形成于基板1上的第一电极膜2、形成于该第一电极膜2上的缓冲层膜13、形成于该缓冲层膜13上的压电体层叠膜10、和形成于该压电体层叠膜10上的第二电极膜5。
第一电极膜2设置在基板1一侧的整面上。缓冲层膜13形成于第一电极膜2的上述一端部以外的部分上，压电体层叠膜10设置在缓冲层膜13上。即，缓冲层膜13和压电体层叠膜10的宽度为3.0mm，长度为12.0mm。缓冲层膜13具有作为控制后述的第一压电体膜3的结晶取向性的结晶取向控制膜的功能、和能以较低温度形成第一压电体膜3的基底的功能。压电体层叠膜10由形成于缓冲层膜13上的第一压电体膜3和形成于该第一压电体膜3上的第二压电体膜4构成。与上述实施方式1一样，该第一压电体膜3具有作为控制第二压电体膜4的结晶取向性的结晶取向控制膜的功能。
这里，作为本发明的特征，第一和第二压电体膜3、4是类似于根据实施方式1的压电体层叠膜10的结构的、结晶生长方向从压电体层叠膜10(第一和第二压电体膜3、4)的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体。另外，与上述实施方式1一样，第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径比第一压电体膜3的柱状粒子的截面直径大。压电体层叠膜10的厚度(压电体层叠膜10的柱状粒子的长度)1与第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。这里，与上述实施方式1一样，当比l/d不足20时，由于成膜时产生的应力，在压电体层叠膜10中产生裂纹，若比l/d超过60，则驱动时的功耗变大，响应性降低，所以均不优选。
另外，缓冲层膜13也是柱状粒子的集合体。第一压电体膜3与缓冲层膜13作为柱状粒子的集合体相接。
另外，缓冲层膜13的柱状粒子与第一压电体膜3的柱状粒子的截面直径都为40nm以上、70nm以下，同时长度都为5nm以上、100nm以下。第二压电体膜4的柱状粒子的截面直径为60nm以上、200nm以下，同时长度为2500nm以上、5000nm以下。
另外，缓冲层膜13为钙钛矿型结晶结构的氧化物薄膜，其(001)结晶取向率为50％以上、80％以下。
另外，第一压电体膜3的(001)结晶取向率也为50％以上、80％以下。第二压电体膜4的(001)结晶取向率为95％以上、100％以下。
另外，第一和第二压电体膜3、4的化学组成比由Pb：Zr：Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示。第一和第二压电体膜3、4的b值为0.50以上、0.60以下的相同值。另外，第一和第二压电体膜3、4的a值为0以上、0.15以下。根据本实施方式的压电体层叠膜10不必象根据实施方式1的压电体层叠膜10那样第一压电体膜3的Pb含量比第二压电体膜4多。
另外，第一电极膜2与上述实施方式1一样，由Pt或Ir所构成的贵金属、或向该贵金属中添加Ti、Co和Ni中至少之一的合金构成，是结晶生长方向从第一电极膜2的厚度方向一侧指向另一侧、且截面直径为20nm以上、30nm以下的柱状粒子的集合体。
这里，与上述实施方式1一样，若向压电元件21的导线8、9施加电压，则压电元件21的前端沿Z轴的-Z方向位移。因此，若在一定周期中重复施加电压，则压电元件21的前端以规定的位移幅度沿Z轴方向位移，可评价压电元件21的位移特性。
压电元件的制造方法
下面，参照图7来说明压电元件21的制造方法。首先，如图7(a)所示，与实施方式1的图2(a)中所示的相同，制作在一个面中形成第一电极膜102的硅基板101。接着，在研磨(001)面后的硅基板101(纵向20mm、横向20mm、厚度0.30mm)的表面上，使用形成宽度为5.0mm、长度为18.0mm的长方形开口部的不锈钢制掩膜(厚度为0.2mm)，通过RF磁控管溅射法，形成第一电极膜102。
接着，在第一电极膜102的表面上，使用形成宽度为5.0mm、长度为12.0mm的长方形开口部的不锈钢制掩膜(厚度为0.2mm)，通过使用由钛酸镧铅的烧结体构成的靶的PF磁控管溅射法，形成缓冲层膜113。并且，在该缓冲层膜113上正确形成压电体层叠膜110。压电体层叠膜110具体如下制作，即首先在缓冲层膜113上，通过使用PZT氧化物的烧结体构成的靶且在规定成膜条件下的RF磁控管溅射法，形成第一压电体膜103，从此，通过使用与形成第一压电体膜103时相同的靶、且在与形成第一压电体膜103时的成膜条件不同的规定成膜条件下的RF磁控管溅射法，在第一压电体膜103上连续形成第二压电体膜104。
之后，在压电体层叠膜110的表面上，使用形状与所述掩膜相同的不锈钢制掩膜，通过RF磁控管溅射法正确形成第二电极膜105。从而，如图7(b)所示，得到由基板101、和形成于该基板101上的、且包含缓冲层膜13和压电体层叠膜110的层叠体112构成的结构体122。
接着，如图7(c)所示，用切片锯正确切断结构体122，以使整体变为宽度为3.0mm、长度为15.0mm的薄的长方形形状，且使长度距第一电极膜2中的一端(图7(c)中为左端)为3.0mm为止的部分露出。结果，得到顺序层叠基板1、第一电极膜2、缓冲层膜13、第一和第二压电体膜3、4和第二电极膜5的压电体元件结构体部件23。
之后，如图7(d)所示，使用环氧树脂类粘接剂7将基板1中的第一电极膜2的露出部(图7(d)中为左端部)侧的部分接合在不锈钢支撑基板6上。
之后，如图7(e)所示，使用导电性粘接剂(银膏)将0.1mm的金制导线8连接于第一电极膜2的露出部上，同时，通过引线接合法将导线9连接于第二电极膜5中的第一电极膜2的露出部侧的部分上，从而得到图7(e)所示的压电元件21。
另外，上述描述了将硅基板用作基板的情况，但只要在500度以上的加热下不变形，使用硅以外的材料也可以。
下面，说明作为本发明更具体的实施方式的实施例。
(实施例6)
在本实施例中，使用与上述实施例1完全一样制作的基板101和第一电极膜102。即将硅基板用作基板101，将厚度为100nm的铱(Ir)薄膜用作第一电极膜102。
在该第一电极膜102上形成缓冲层膜113。将向含有14摩尔％的镧(La)的钛酸镧铅(化学组成：(Pb0.86La0.14)TiO3)中10摩尔％过剩地加入氧化铅(PbO)并调合的烧结体(4英寸直径)用作靶来制作缓冲层膜113。缓冲层膜113通过在基板温度为500度、氩气与氧气的混合气氛气中(气体体积比Ar：O2＝19：1)、真空度为0.8Pa、高频功率300W的条件下成膜300秒来制作。
另外，压电体层叠膜110使用上述实施例1中使用的RF磁控管溅射装置制作。将过剩加入约20摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.20：0.53：0.47)用作靶来制作压电体层叠膜110。压电体层叠膜110的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的硅基板101预加热到540度，并在该基板温度下保持。将关于第一压电体膜103的氩气-氧气的体积比设为Ar：O2＝38：2，将关于第二压电体膜104的氩气-氧气的体积比设为Ar：O2＝79：1。将关于第一和第二压电体膜103、104的氩气-氧气的气体流量设为每分40ml，真空度设为0.2Pa，高频功率设为3kW。之后，将第一和第二压电体膜103、104的成膜时间分别设为50秒和3190秒。
通过与上述实施例1一样的方法来调查第一电极膜102、缓冲层膜113、和压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
可知作为第一电极膜102的铱电极是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体。
缓冲层膜113的膜厚为100nm，同时，化学组成比为Pb：La：Ti＝0.90：0.14：1.00，且是(001)结晶取向率为70％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜。缓冲层膜13的柱状粒子的平均直径为40nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为40nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为75％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为160nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为24.4。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，使用与上述实施例1一样的评价装置来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。即，经导线8、9向第一和第二电极膜2、5之间施加从0V至-100V的三角波电压(频率为2kHz)，并使用激光多谱勒振动位移测定装置，测定压电元件20前端在Z轴方向的上下运动的位移量。
在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移42.0微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为42.0微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例7)
在本实施例中，使用与上述实施例6完全一样制作的基板101、第一电极膜102和缓冲层膜113。
另外，压电体层叠膜110使用上述实施例6中使用的RF磁控管溅射装置、使用与上述实施例6中使用的相同靶来制作。压电体层叠膜110的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的硅基板101预加热到550度，并在该基板温度下保持。将关于第一压电体膜103的氩气-氧气的体积比设为Ar：O2＝95：1，将关于第二压电体膜104的氩气-氧气的体积比设为Ar：O2＝79：1。将关于第一和第二压电体膜103、104的氩气-氧气的气体流量设为每分40ml，真空度设为0.2Pa，高频功率设为3kW。之后，将第一和第二压电体膜的成膜时间分别设为60秒和3190秒。
通过与上述实施例6一样的方法来调查压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为60nm，柱状粒子的截面直径为40nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为72％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为160nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为24.4。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中少。
另外，使用与上述实施例6一样的评价装置来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移40.0微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为40.0微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例8)
在本实施例中，除将缓冲层膜113的制作时间变更为600秒外，与实施例6完全一样地制作压电元件21。
缓冲层膜113的膜厚为200nm，同时，化学组成比为Pb：La：Ti＝0.90：0.14：1.00，且是(001)结晶取向率为75％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为50nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为50nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为80％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为180nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为100％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为21.7。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，通过与上述实施例6一样的评价方法来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移42.0微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为42.0微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例9)
在本实施例中，除将缓冲层膜113的制作时间变更为150秒外，与实施例6完全一样地制作压电元件21。
缓冲层膜113的膜厚为45nm，同时，化学组成比为Pb：La：Ti＝0.90：0.14：1.00，且是(001)结晶取向率为55％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为40nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为40nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为70％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为160nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为24.4。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，通过与上述实施例6一样的评价方法来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移42.0微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为42.0微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例10)
在本实施例中，将耐高温硼硅酸玻璃基板用作基板101(形状和组成与上述实施例2中使用的相同)，使用与上述实施例4完全一样制作的第一电极膜102。即，将含有4摩尔％的镍(Ni)的厚度为120nm的铂(Pt)薄膜用作第一电极膜102。
在该第一电极膜102上形成缓冲层膜113。将向含有12摩尔％的镧(La)和6摩尔％的镁(Mg)的钛酸镧镁铅(化学组成：(Pb0.82Mg0.06La0.12)TiO3)中10摩尔％过剩地加入氧化铅(PbO)并调合的烧结体(4英寸直径)用作靶来制作缓冲层膜113。缓冲层膜113通过在基板温度为500度、氩气与氧气的混合气氛气中(气体体积比Ar：O2＝19：1)、真空度为0.8Pa、高频功率300W的条件下成膜300秒来制作。
另外，压电体层叠膜110与上述实施例2一样，使用RF磁控管溅射装置制作。将过剩加入约10摩尔％PbO并调合的、化学计量结构的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.10：0.50：0.50)用作靶来制作压电体层叠膜110。压电体层叠膜110的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的硅基板101预加热到530度，并在该基板温度下保持。对于第一和第二压电体膜103、104，将氩气-氧气的混合气体(气体体积比：Ar：O2＝79：1)用作溅射气体，将该气体压力设为0.25Pa，同时，将氩气-氧气的混合气体流量设为每分40ml。之后，通过将等离子体产生功率变为2kW并成膜60秒来制作第一压电体膜103。另一方面，通过将等离子体产生功率变为3kW并成膜3800秒来制作第二压电体膜104。
通过与上述实施例6一样的方法来调查第一电极膜102、缓冲层膜113、和压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
可知第一电极膜102由包含4摩尔％镍的铂构成，是截面直径为25nm的柱状粒子的集合体。
缓冲层膜113的膜厚为100nm，同时，化学组成比为Pb：La：Mg：Ti＝0.86：0.12：0.08：1.00，且是(001)结晶取向率为65％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为30nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为100nm，柱状粒子的截面直径为30nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为80％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为5000nm，柱状粒子的截面直径为85nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99.5％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为60.0。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.51：0.49，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.00：0.51：0.49。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，使用与上述实施例6一样的评价方法来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移43.1微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为43.1微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例11)
在本实施例中，将镜面加工后的氧化铝基板用作基板101(形状和组成与上述实施例4中使用的相同)，使用与上述实施例3完全一样制作的第一电极膜102。即，将含有1摩尔％的钛(Ti)的厚度为110nm的铱(Ir)薄膜用作第一电极膜102。
在该第一电极膜102上形成缓冲层膜113。将向含有10摩尔％镧(La)、3摩尔％的锰(Mn)的钛酸锰镧铅(化学组成：(Pb0.87Mn0.03La0.10)TiO3)中10摩尔％过剩地加入氧化铅(PbO)并调合的烧结体(4英寸直径)用作靶来制作缓冲层膜113。缓冲层膜113通过在基板温度为540度、氩气与氧气的混合气氛气中(气体体积比Ar：O2＝19：1)、真空度为0.8Pa、高频功率300W的条件下成膜300秒来制作。
另外，压电体层叠膜110与上述实施例3一样，使用RF磁控管溅射装置制作。即，将过剩加入约10％摩尔％PbO并调合的钛酸锆酸铅(PZT)的6英寸直径的烧结体(组成摩尔比Pb：Zr：Ti＝1.10：0.60：0.40)用作靶来制作压电体层叠膜110。压电体层叠膜110的成膜条件如下所示。即，在装配上述靶的成膜室中，将在一侧面上形成第一电极膜102的硅基板101预加热到550度，并在该基板温度下保持。将氩气与氧气的混合气体(气体体积比：Ar：O2＝38：2)用作溅射气体，将该气体压力设为0.25Pa，同时，将氩气与氧气的混合气体流量设为每分40ml。另外，将等离子体产生功率变为3kW，成膜第一压电体膜103共100秒。之后，暂时停止成膜，在将上述成膜条件中溅射气体的混合比变为Ar：O2＝79：1、其它相同的成膜条件下，成膜第二压电体膜104共2500秒。
通过与上述实施例1一样的方法来调查第一电极膜102、缓冲层膜113、和压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
可知第一电极膜102是包含1摩尔％Ti的铱薄膜(Ir)，是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体。
缓冲层膜113的膜厚为100nm，同时，化学组成比为Pb：Mn：La：Ti＝0.90：0.03：0.10：1.00，且是(001)结晶取向率为60％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为70nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为100nm，柱状粒子的截面直径为70nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为80％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3900nm，柱状粒子的截面直径为200nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99.5％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20.0。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.05：0.60：0.40，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.00：0.60：0.40。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，使用与上述实施例6一样的评价方法来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移46.5微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为46.5微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例12)
在本实施例中，使用与上述实施例6完全一样制作的基板101和第一电极膜102。即，将硅基板用作基板101，将厚度为100nm的铱(Ir)薄膜用作第一电极膜102。
在该第一电极膜102上形成缓冲层膜113。将向含有12摩尔％的镧(La)和3摩尔％的锶(Sr)的钛酸镧锶铅(化学组成：(Pb0.85Sr0.03La0.12)TiO3)中10摩尔％过剩地加入氧化铅(PbO)并调合的烧结体(4英寸直径)用作靶来制作缓冲层膜113。缓冲层膜113通过在基板温度为520度、氩气与氧气的混合气氛气中(气体体积比Ar：O2＝19：1)、真空度为0.8Pa、高频功率300W的条件下成膜300秒来制作。
另外，与上述实施例6完全一样地制作压电体层叠膜110。
通过与上述实施例6一样的方法来调查第一电极膜102、缓冲层膜113、和压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
可知作为第一电极膜102的铱电极是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体(膜厚为100nm)。
缓冲层膜113的膜厚为100nm，同时，化学组成比为Pb：La：Sr：Ti＝0.88：0.12：0.03：1.00，且是(001)结晶取向率为65％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为30nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为30nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为75％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为160nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为99％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为24.4。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，使用与上述实施例6一样的评价装置来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移41.2微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为41.2微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(实施例13)
在本实施例中，使用与上述实施例6完全一样制作的基板101和第一电极膜102。即，将硅基板用作基板101，将厚度为100nm的铱(Ir)薄膜用作第一电极膜102。
在该第一电极膜102上形成缓冲层膜113。将钛酸锶(化学组成：SrTiO3)的烧结体(4英寸直径)用作靶来制作缓冲层膜113。缓冲层膜113通过在基板温度为540度、氩气与氧气的混合气氛气中(气体体积比Ar：O2＝19：1)、真空度为0.8Pa、高频功率300W的条件下成膜550秒来制作。
另外，与上述实施例6完全一样地制作压电体层叠膜110。
通过与上述实施例6一样的方法来调查第一电极膜102、缓冲层膜113、和压电体层叠膜110的第一和第二压电体膜103、104的膜厚、化学组成、膜结构、结晶结构和结晶取向性。
可知作为第一电极膜102的铱电极是截面直径为20nm的柱状粒子的集合体(膜厚为100nm)。
缓冲层膜113的膜厚为85nm，同时，化学组成比为Sr：Ti＝1：1，且是(001)结晶取向率为60％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为30nm。
压电体层叠膜110作为第一和第二压电体膜103、104这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜103的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为30nm。另外，可知第一压电体膜103是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为70％。另一方面，第二压电体膜104的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为160nm。另外，可知第二压电体膜104也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为98％。压电体层叠膜110的厚度1与第二压电体膜104的柱状粒子的截面直径d的比l/d为24.4。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜103的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜104的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜103、104是<001>轴在垂直于基板101的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜103、104中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜103中比第二压电体膜104中多。
另外，使用与上述实施例6一样的评价装置来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件21的前端最大仅位移41.6微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件21的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件21的外观。结果，该压电元件21在10亿次驱动后，位移量也为41.6微米，未变化，未发现膜产生分离或裂纹。
(比较例3)
在本比较例中，除将缓冲层膜的制作时间变更为900秒以外，与上述实施例6完全一样地制作压电元件。
缓冲层膜的膜厚为300nm，同时，化学组成比为Pb：La：Ti＝0.90：0.14：1.00，且是(001)结晶取向率为80％的钙钛矿型结晶结构的柱状结构膜，其柱状粒子的平均直径为50nm。
压电体层叠膜作为第一和第二压电体膜这两个柱状结构膜相接的柱状粒子的集合体而存在。第一压电体膜的膜厚为50nm，柱状粒子的截面直径为50nm。另外，可知第一压电体膜是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为80％。另一方面，第二压电体膜的膜厚为3850nm，柱状粒子的截面直径为180nm。另外，可知第二压电体膜也是钙钛矿型结晶结构，其形成面的(001)结晶取向率为100％。压电体层叠膜的厚度1与第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为21.7。
另外，基于X射线微分析仪的阳离子的组成分析结果，可知第一压电体膜的组成为Pb：Zr：Ti＝1.15：0.53：0.47，另一方面，第二压电体膜的组成为Pb：Zr：Ti＝1.10：0.53：0.47。即，可知第一和第二压电体膜是<001>轴在垂直于基板的上面的方向上优先取向生长的钙钛矿型结晶结构的PZT膜。Zr和Ti的组成在第一和第二压电体膜中相同，另一方面，Pb的组成在第一压电体膜中比第二压电体膜中多。
另外，使用与上述实施例6一样的评价方法来进行致动器的压电位移的驱动持久性试验。在施加所述三角波电压的情况下，压电元件的前端最大仅位移40.5微米。在通过该三角波电压往复驱动1亿次(驱动时间为13.9小时)后和往复驱动10亿次(驱动时间为138.9小时)后，在调查压电元件的驱动状况的同时，通过光学显微镜来调查压电元件的外观。结果，该压电元件在1亿次驱动后，位移量下降到34.0微米，在周边部分稍引起膜分离。在10亿次驱动后，压电元件未位移，在多个膜中产生分离或裂纹。
效果
如上所述，根据本实施方式，通过在第一电极膜2与第一压电体膜3之间配置缓冲层膜13，第一电极膜2与第一压电体膜3的紧贴性变高。从而，即使施加大电压，在第一电极膜2与第一压电体膜3之间也不会产生膜分离。因此，可实现在具有高的压电特性的同时、不引起恶化的压电元件21。
另外，第一电极膜2使缓冲层膜13作为结晶取向控制膜的功能活化。另外，缓冲层膜13使第一压电体膜3作为结晶取向控制膜的功能活化。因此，第一压电体膜3可确实控制第二压电体膜4的结晶取向性。
(实施方式3)
本实施方式中将根据本发明的压电元件适用于喷墨头。
如图8所示，根据本实施方式的喷墨头201由分别排成列状且彼此形状相同的10个墨水喷出元件202和连接于各墨水喷出元件202的单独电极33(参照图9)上且驱动墨水喷出元件202的驱动电源元件203构成。
如图9所示，墨水喷出元件202顺序层叠喷嘴板D、墨水液流路部件C、压力部件A和致动器部B。这些部件A-D彼此通过粘接剂粘接固定。在压力室部件A中形成压力室用开口部31。覆盖压力室用开口部31的上端开口面地配置致动器部B。即，致动器部B的厚度方向一侧的一部分临近压力室用开口部31来设置。上述上端开口面是短轴为200微米、长轴为400微米的椭圆形状。致动器部B位于压力室32的上方。覆盖压力室用开口部31的下端开口面地配置墨水液流路部件C。即，用分别配置在其上下的致动器部B和墨水液流路部件C来划分压力室部件A的压力室用开口部31，被划分出的空间构成容纳墨水液的压力室32(厚度为0.2mm)。在墨水液流路部件C上形成沿规定方向(例如墨水提供方向)列状排列的多个压力室32共用的共用液室35、连通该共用液室35与压力室32的提供口36、和连通压力室32与后述的喷嘴孔38的墨水流路37。在喷嘴板D中穿透设置直径为30微米的喷嘴孔38。上述驱动电源元件203经接合引线分别向多个墨水喷出元件202的单独电极33提供电压。另外，本发明的头主体部对应于喷嘴板D、墨水液流路部件C和压力部件A，压电元件对应于致动器部B。下面，详细说明致动器部B的结构。
(实施例14)
图10是表示本实施例的致动器部B的截面图。致动器部B具有：由包含4摩尔％钴(Co)的铱(Ir)膜构成的厚度为240nm的单独电极33；位于该单独电极33的正下方、且由用Pb1.15Zr0.53Ti0.47O3表示的PZT构成的厚度为80nm的第一压电体膜41；位于该第一压电体膜41的正下方、且由用Pb1.05Zr0.53Ti0.47O3表示的PZT构成的厚度为4500nm的第二压电体膜42；位于该第二压电体膜42的正下方、且由铂构成的厚度为100nm的第二电极膜(共用电极)43；和位于该第二电极膜43的正下方、且由铬(Cr)构成的厚度为3500nm的振动板膜44。单独电极33设置在对应于压力室32的位置上，被单独化。振动板膜44随着压电体膜41、42的压电效应位移振动。第二电极膜43和振动板膜44在各墨水喷出元件202之间共用。在第二电极膜43上层叠单独电极33、第一压电体膜41和第二压电体膜42的层叠膜以外的部分，形成由聚酰亚胺树脂构成的电绝缘有机膜45至与单独电极33的上面相同的高度。在该电绝缘有机膜45的上面形成连接于单独电极33且由金属构成的导线形状的膜厚为100nm的引出电极膜46。
(致动器部的制造方法)
下面，参照图11和图12来说明致动器部B的制造方法。首先，与上述实施例5一样，在纵向20mm、横向20mm、厚度0.3mm的硅基板50上顺序层叠第一电极膜52、第一压电体膜53、第二压电体膜54和第二电极膜43，得到图11(a)所示的结构体55。接着，在该结构体55的第二电极膜43上，使用RF磁控管溅射法在室温下形成振动板膜44(参照图11(b))。之后，如图11(c)所示，经振动板膜44和粘接剂(丙烯酸酯类树脂)56，将在一侧面上形成振动板膜44的结构体55贴合在玻璃制的压力室部件57上。
下面，使用等离子体反应蚀刻装置，通过使用SF6气体的干蚀刻去除硅基板51(参照图11(d))。之后，如图11(e)所示，使用光致抗蚀剂树脂膜58，将由第一电极膜52、第一压电体膜53和第二压电体膜54构成的层叠膜的非蚀刻部分正确布图成椭圆形状图案(具体而言是短轴为180微米、长轴为380微米的椭圆形状的图案)。之后，通过进行使用Ar气体的干蚀刻和弱氟酸的湿蚀刻，将第一电极膜52、第一压电体膜53和第二压电体膜54构成的层叠膜加工成光致抗蚀剂图案并单独化。由此，得到具备由单独电极33、第一压电体膜41和第二压电体膜42构成的层叠膜的致动器结构体(参照图12(a))。之后，用抗蚀剂剥离液处理并去除光致抗蚀剂树脂膜58(参照图12(b))。接着，如图12(c)所示，通过印刷法在第二电极膜43上的上述层叠膜以外的部分中形成电绝缘有机膜45。之后，通过DC溅射法在电绝缘有机膜45的上面形成引出电极膜46(参照图12(d))。这样，得到如图10所示的致动器部B。
使用10个通过上述制法制作的墨水喷出元件202来制作图8所示的喷墨头201。
(喷墨头的动作)
下面说明喷墨头201的动作。
首先，经接合线从驱动电源元件203分别向10个墨水喷出元件202的单独电极33提供电压。之后，振动板膜44随着压电体膜41、42的压电效应位移振动。由此，共用液室35内的墨水液经由提供口36、压力室32和墨水流路37从喷嘴孔38喷出。
此时，在喷墨头201中，构成致动器部B的压电体膜41、42的膜面结晶取向性在(001)面上一致。另外，压电体膜41、42的压电位移特性也在大的值下一致。因此，喷墨头201可得到大的压电位移(位移量)。
另外，因为第一电极膜52与第一压电体膜53的紧贴性高，所以即使施加高的电压以大的位移驱动，也难以引起导致膜分离的故障，结果，可可靠性高地稳定驱动。
另外，因为墨水喷出元件202的压电位移大、即墨水喷出元件202的墨水液的喷出能力高，所以电源电压的调整幅度可取极限。因此，可容易控制，以减小多个墨水喷出元件202各自的墨水液的喷出差异。
(实施例15)
根据本发明的喷墨头与实施例14的不同之处在于致动器部B中，在单独电极33与第一压电体膜41之间配置缓冲层膜，其它结构与实施例14完全一样。这里，缓冲层膜与上述实施例6一样，膜厚为100nm，同时，化学组成比为Pb：La：Ti＝0.90：0.14：1.00，且是(001)结晶取向率为50％的钙钛矿型结晶结构的钛酸镧铅构成的薄膜。
致动器部B的制造方法与实施例14的不同之处在于在第一电极膜52与第一压电体膜53之间形成缓冲层膜。该缓冲层膜通过与上述实施例6一样的方法制作。使用如上制作的致动器部B，与上述实施例14一样形成喷墨头201。
此时，在喷墨头201中，构成致动器部B的压电体膜41、42的膜面结晶取向性在(001)面上一致。另外，压电体膜41、42的压电位移特性也在大的值下一致。因此，喷墨头201可得到大的压电位移(位移量)。
另外，由于在第一电极膜52与第一压电体膜53之间夹入缓冲层膜，从而第一电极膜52与第一压电体膜53之间的紧贴性变高，所以即使施加高的电压以大的位移驱动，也难以引起导致膜分离的故障，结果，可可靠性高地稳定驱动。
另外，因为墨水喷出元件202的压电位移大、即墨水喷出元件202的墨水液的喷出能力高，所以电源电压的调整幅度可取极限。因此，可容易控制，以减小多个墨水喷出元件202各自的墨水液的喷出差异。
效果
如上所述，根据本实施方式，在排列多个墨水喷出元件202的喷墨头201中，可减小墨水喷出元件202之间的墨水液的喷出差异。因此，可提供高特性的喷墨头201。另外，构成致动器部B的第一电极膜52、第一压电体膜53、第二压电体膜54和第二电极膜43只要是用于上述实施方式1的压电元件的材料，则可使用任何材料来制作高特性的致动器部B。
另外，在本实施方式中，振动板膜44由铬构成，但不限于此，也可由硅、玻璃、陶瓷材料、铬以外的金属材料中任一构成。
另外，在本实施方式中，在第二电极膜43中的与第二压电体膜42相反侧的面上形成振动板膜44，但也可在单独电极33中的与第一压电体膜41相反侧的面上形成振动板膜44。
(实施方式4)
本实施方式中将根据本发明的压电元件适用于喷墨式记录装置中。下面，说明具体实施的实施例。
(实施例16)
如图13所示，根据本实施例的串联方式的喷墨式记录装置81具备利用压电体膜41、42的压电效应来进行记录的喷墨头201(参照实施方式3)，可通过使从喷墨头201喷出的墨滴落于纸等记录媒体82上来在记录媒体82进行记录。喷墨头201搭载在可滑动地装配在沿主扫描方向(图13中为X方向)配置的运送部(carridge)轴83的运送部84上。另外，通过运送部84沿运送轴83往复运动，喷墨头201沿主扫描方向X往复运动。喷墨式记录装置81还具备使记录媒体82沿与喷墨头201的宽度方向(即主扫描方向X)大致垂直的副扫描方向Y移动的多个辊85。另外，根据本发明的移动部件对应于运送轴83、运送部84和辊85。
效果
如上所述，根据本实施例，由于使用可容易控制多个墨水喷出元件202之间的墨水液的喷出差异的喷墨头201(参照实施方式3)来构成串联方式的喷墨式记录装置81，所以可减少印刷时的打印斑点。因此，可实现可靠性高的串联方式的喷墨式记录装置81。
(实施例17)
如图14所示，根据本实施例的直线方式的喷墨式记录装置91配置在具有13个利用压电体膜41、42的压电效应来进行记录的喷墨头201(参照实施方式3)的直线状组件86中，可通过使从喷墨头201喷出的墨滴落于纸等记录媒体82上来对记录媒体82进行记录。喷墨式记录装置91还具备使记录媒体82沿副扫描方向Y移动的多个辊85。另外，根据本发明的移动部件对应于辊85。
效果
如上所述，根据本实施例，由于使用可容易控制多个墨水喷出元件202之间的墨水液的喷出差异的喷墨头201(参照实施方式3)来构成直线方式的喷墨式记录装置91，所以可在宽度大的记录媒体82中进行高速印刷，同时，可减少印刷时的打印斑点。因此，可实现可靠性高的直线方式的喷墨式记录装置91。
(实施方式5)
图15和图16示出根据本发明实施方式5的角速度传感器，该角速度传感器是音叉型的传感器，适于搭载于车辆上的导航装置等中。
角速度传感器具有由厚度为0.3mm的硅晶片构成的基板500。该基板500具有固定部500a、和从该固定部500a沿规定方向(检测的角速度的旋转中心轴延伸的方向：在本实施方式中为图15所示的Y方向)延伸的一对振动部500b、500b。这些固定部500a和一对振动部500b、500b从基板500的厚度方向(图15所示的Z方向)看形成音叉状，一对振动部500b、500b相当于音叉的臂部，以在振动部500b的宽度方向上排列的状态彼此平行延伸。另外，基板500也可是玻璃基板。
在基板500的各振动部500b和固定部500a的在振动部500b侧的部分上，顺序层叠第一电极膜503、由第一压电体膜504和第二压电体膜505构成的压电体层叠膜510和第二电极膜506。第一电极膜503、第一压电体膜504、第二压电体膜505和第二电极膜506的各构成材料和厚度分别与上述实施方式1中说明的第一电极膜2、第一压电体膜3、第二压电体膜4和第二电极膜5分别相同。
第二电极膜506在各振动部500b上布图成使振动部500b沿其宽度方向(图15所示的X方向)振动的两个驱动电极507、507、和用于检测振动部500b的厚度方向(Z方向)的变形(弯曲)用的一个检测电极508。
两个驱动电极507、507分别在振动部500b的宽度方向(X方向)两端部上横跨振动部500b的长度方向(Y方向)整体而设置，各驱动电极507的固定部500a侧的端部位于固定部500a上，构成连接端子507a。另外，也可仅在各振动部500b的宽度方向一端部上设置一个驱动电极507。
另一方面，检测电极508在振动部500b的宽度方向中央部上横跨振动部500b的长度方向整体而设置，与驱动电极507一样，检测电极508的固定部500a侧的端部位于固定部500a上，构成连接端子508a。另外，也可在各振动部500b上设置多个检测电极508。
第一电极膜503在固定部500a上的一对振动部500b、500b之间的中央位置处具有向与振动部500b相反侧突出的连接端子503a。
向各振动部500b上的第一电极膜503与两个驱动电极507、507之间，施加与振动部500b的固有振动谐振的频率的电压，使振动部500b沿其宽度方向振动。即，向第一电极膜503施加接地电压，另一方面，向两个驱动电极507、507施加正负彼此相反的电压，由此，当各振动部500b的宽度方向一端部侧伸长时，另一端部侧收缩，振动部500b向该另一端部侧变形。另一方面，各振动部500b的宽度方向一端部侧收缩时，另一端部侧伸长，振动部500b向该一端部侧变形。通过交互重复该动作，振动部500b在其宽度方向上振动。另外，即使仅向各振动部500b上的两个驱动电极507、507中之一施加电压，也可使振动部500b沿其宽度方向振动。另外，一对振动部500b、500b在各振动部500b的宽度方向上彼此向相反方向变形，对称于位于一对振动部500b、500b间的中央沿该振动部500b的长度方向延伸的中央线L振动。
在上述结构的角速度传感器中，当使一对振动部500b、500b沿其宽度方向(X方向)对称于中央线L振动时，若绕该中央线L施加角速度ω，则两个振动部500b、500b由于科里奥利力沿厚度方向(Z方向)变形(一对振动部500b、500b彼此向反向等量弯曲)，从而，在压电体层叠膜510中也产生弯曲，在第一电极膜503与检测电极508之间，产生对应于科里奥利力的大小的电压。可根据该电压的大小(科里奥利力)来检测角速度ω。即，若设各振动部500b的宽度方向的速度为v，各振动部500b的质量为m，则科里奥利力Fc为
Fc＝2mvω所以可从科里奥利力Fc知道角速度ω的值。
下面，根据图17和图18来说明上述角速度传感器的制造方法。即，如图17(a)所示，准备研磨(001)面后的、厚度0.3mm、直径4英寸的硅晶片(平面图参照图18)构成的基板500，如图17(b)-(e)所示，在该基板500上，由3维RF磁控管溅射装置形成第一电极膜503、第一压电体膜504、第二压电体膜505和第二电极膜506。具体的成膜条件与上述实施例1一样。另外，成膜的各压电体膜504、505的结晶结构、结晶取向性和组成也与上述实施例1一样。
接着，如图17(f)所示，布图第二电极膜506，形成驱动电极507和检测电极508。即，在第二电极膜506上涂布感光树脂，在该感光树脂将驱动电极507和检测电极508的图案曝光，之后，去除未曝光的部分的感光树脂，并通过蚀刻去除将该感光树脂去除后的部分中的第二电极膜506，接着，去除驱动电极507和检测电极508上的感光树脂。
在布图第二电极膜506后，再重复感光树脂的涂布、曝光，布图压电体层叠膜510、第一电极膜503和硅基板500，形成固定部500a和振动部500b。如此完成上述角速度传感器。另外，也可将玻璃用作上述基板500以代替硅。
这里，参照图19和图20来说明现有的角速度传感器。
该现有角速度传感器具备由厚度为0.3mm的水晶构成的压电体600，该压电体600与根据本实施方式的角速度传感器的基板500一样，具有固定部600a、和从该固定部600a沿其一侧(图19所示的Y方向)彼此平行延伸的一对振动部600b、600b。另外，在相对各振动部600b的厚度方向(图19所示Z方向)的两个面中，分别各设一个使振动部600b沿其宽度方向(图19所示X方向)振动的驱动电极603，在各振动部600b的两侧面中分别各设一个检测振动部600b的厚度方向变形的检测电极607。
另外，现有的角速度传感器中，向各振动部500b中的两个驱动电极603、603之间施加与振动部600b的固有振动谐振的频率的电压，与根据本实施方式的角速度传感器一样，使一对振动部600b、600b沿其宽度方向(图19所示X方向)对称于位于该一对振动部600b、600b之间的中央的中央线L振动。此时，若绕该中央线L施加角速度ω，则一对振动部600b、600b由于科里奥利力沿厚度方向(图19所示Z方向)弯曲变形，在各振动部600b中的两个检测电极607、607之间产生对应于科里奥利力的大小的电压，可根据该电压的大小(科里奥利力)来检测角速度ω。
在上述现有的角速度传感器中，因为使用由水晶构成的压电体600，所以其压电常数为-3微微m/V，低，并且固定部600a和振动部600b通过机械加工形成，所以难以小型化，尺寸精度低。
相反，在根据本实施方式的角速度传感器中，检测角速度的部分(振动部500b)由与上述实施方式1一样结构的压电元件构成，所以压电常数变为上述现有角速度传感器的40倍可实现小型化。另外，可使用薄膜形成技术来进行细微加工，可使尺寸精度格外提高。
另外，在本实施方式的角速度传感器中，仅在基板500中设置1组一对振动部500b、500b，但也可设置多组，分别检测在各种方向上延伸的多个轴的角速度。
另外，在根据本实施方式的角速度传感器中，也可如实施方式2所示的压电元件的膜结构那样，在第一电极膜503与第一压电体膜504之间，配置实施方式2的实施例中所用的缓冲层膜。此时，与上述一样，即使在工业上批量生产，也可提供特性的再现性好、差异少且耐压和可靠性好的角速度传感器。
产业上的可利用性
如上所述，本发明不仅用于喷墨头、角速度传感器，也可用于陀螺仪元件、振动传感器等。另外，本发明还可适用于微机械设备等。

Claims (31)

1、一种压电元件，具备：第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
2、一种压电元件，具备：第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
3、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
具备在所述第一电极膜的与所述第一压电体膜相反侧的面上或在所述第二电极膜的与所述第二压电体膜相反侧的面上形成的振动板膜。
4、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
具备在所述第一电极膜的与所述第一压电体膜相反侧的面上或在所述第二电极膜的与所述第二压电体膜相反侧的面上形成的振动板膜。
5、根据权利要求3所述的压电元件，其特征在于：
所述振动板膜由硅、玻璃、陶瓷材料和金属材料中任一构成。
6、根据权利要求4所述的压电元件，其特征在于：
所述振动板膜由硅、玻璃、陶瓷材料和金属材料中任一构成。
7、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径为40nm以上、70nm以下，且长度为5nm以上、100nm以下。
8、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径为40nm以上、70nm以下，且长度为5nm以上、100nm以下。
9、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径为60nm以上、200nm以下，且长度为2500nm以上、5000nm以下。
10、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径为60nm以上、200nm以下，且长度为2500nm以上、5000nm以下。
11、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜由至少包含Pb、Zr和Ti的钙钛矿型结晶结构的氧化物构成，
当将按照基于X射线衍射法的衍射图案的各结晶面的反射强度求出的压电体膜的(001)结晶取向率定义为在晶格间距离从4.2
Figure C200410042697C0003164205QIETU
至1.5
Figure C200410042697C0003164205QIETU
的X射线衍射范围内(001)峰值强度与(002)峰值强度之和相对归属于压电体膜的全部峰值强度总和的百分率时，所述第一压电体膜的(001)结晶取向率为50％以上、80％以下，另一方面，所述第二压电体膜的(001)结晶取向率为95％以上、100％以下。
12、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜由至少包含Pb、Zr和Ti的钙钛矿型结晶结构的氧化物构成，
当将按照基于X射线衍射法的衍射图案的各结晶面的反射强度求出的压电体膜的(001)结晶取向率定义为在晶格间距离从4.2
Figure C200410042697C0003164205QIETU
至1.5
Figure C200410042697C0003164205QIETU
的X射线衍射范围内(001)峰值强度与(002)峰值强度之和相对归属于压电体膜的全部峰值强度总和的百分率时，所述第一压电体膜的(001)结晶取向率为50％以上、80％以下，另一方面，所述第二压电体膜的(001)结晶取向率为95％以上、100％以下。
13、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜至少包含Pb、Zr和Ti，其化学组成比由Pb：Zr：Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示，
所述第一和第二压电体膜的所述b值为0.50以上、0.60以下的相同值，
所述第一压电体膜的Pb含量比所述第二压电体膜多，
所述第一压电体膜的所述a值为0.05以上、0.15以下，
所述第二压电体膜的所述a值为0以上、0.10以下。
14、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述第一和第二压电体膜至少包含Pb、Zr和Ti，其化学组成比由Pb：Zr.Ti＝(1+a)：b：(1-b)表示，
所述第一和第二压电体膜的所述b值为0.50以上、0.60以下的相同值。
15、根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于：
所述第一电极膜由Pt或Ir所构成的贵金属、或向该贵金属中添加Ti、Co和Ni中至少之一的合金构成，是截面直径为20nm以上、30nm以下的柱状粒子的集合体。
16、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述第一电极膜由Pt或Ir所构成的贵金属、或向该贵金属中添加Ti、Co和Ni中至少之一的合金构成，是截面直径为20nm以上、30nm以下的柱状粒子的集合体。
17、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述缓冲层膜由钛酸镧铅或向钛酸镧铅中添加镁和锰中至少之一的材料构成。
18、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述缓冲层膜是包含锶的钙钛矿型结晶结构的氧化物。
19、根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于：
所述缓冲层膜含有钛酸锶。
20、一种压电元件的制造方法，其特征在于：具备如下工序
通过溅射法在基板上形成第一电极膜的工序；
通过将规定材料用作靶且用在规定成膜条件下的溅射法，在所述第一电极膜上形成第一压电体膜的工序；
通过将所述规定材料用作靶且用在与所述规定成膜条件不同的成膜条件下的溅射法，在所述第一压电体膜上形成第二压电体膜，从而形成压电体层叠膜的工序；和
通过溅射法在所述第二压电体膜上形成第二电极膜的工序。
21、一种压电元件的制造方法，其特征在于：具备如下工序
通过溅射法在基板上形成第一电极膜的工序；
通过将规定的第一材料用作靶且用在规定的第一成膜条件下的溅射法，在所述第一电极膜上形成缓冲层膜的工序；
通过将规定的第二材料用作靶且用在规定的第二成膜条件下的溅射法，在所述缓冲层膜上形成第一压电体膜的工序；
通过将所述规定的第二材料用作靶且用在与所述规定的第二成膜条件不同的成膜条件下的溅射法，在所述第一压电体膜上形成第二压电体膜，从而形成压电体层叠膜的工序；和
通过溅射法在所述第二压电体膜上形成第二电极膜的工序。
22、根据权利要求20所述的压电元件的制造方法，其特征在于，
还具备：
通过溅射法在所述第二电极膜上形成振动板膜的工序；和
去除所述基板的工序。
23、根据权利要求21所述的压电元件的制造方法，其特征在于，
还具备：
通过溅射法在所述第二电极膜上形成振动板膜的工序；和
去除所述基板的工序。
24、一种喷墨头，具备头主体部，该头主体部形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和
压电元件，厚度方向一侧的面的一部分面对所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出，其特征在于：
所述压电元件具备：第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
25、一种喷墨头，具备头主体部，该头主体部形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和
压电元件，厚度方向一侧的面的一部分面对所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出，其特征在于：
所述压电元件具备：第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
26、一种喷墨式记录装置，具备：
喷墨头，该喷墨头具备：头主体部，该头主体部形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分面对所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出；和
使所述喷墨头与记录媒体相对移动的移动部件，其特征在于：
所述压电元件具备：第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
27、一种喷墨式记录装置，具备：
喷墨头，该喷墨头具备：头主体部，该头主体部形成有喷嘴和连通于该喷嘴且容纳墨水的压力室；和压电元件，厚度方向一侧的面的一部分面对所述压力室设置，且向所述压力室内的墨水施加压力，使墨水从所述喷嘴中喷出；和
使所述喷墨头与记录媒体相对移动的移动部件，其特征在于：
所述压电元件具备：第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下。
28、一种角速度传感器，具备基板，该基板具有固定部和从该固定部向规定方向延伸的至少一对振动部，在该基板的至少各振动部上设置有压电元件，其特征在于：
所述压电元件具备第一电极膜；压电体层叠膜，由形成于该第一电极膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下，
将所述第二电极膜布图成使所述振动部沿其宽度方向振动用的至少一个驱动电极与检测所述振动部的厚度方向变形用的至少一个检测电极。
29、一种角速度传感器，具备基板，该基板具有固定部和从该固定部向规定方向延伸的至少一对振动部，在该基板的至少各振动部上设置有压电元件，其特征在于：
所述压电元件具备：第一电极膜；形成于该第一电极膜上的缓冲层膜；压电体层叠膜，由形成于该缓冲层膜上的第一压电体膜、和形成于该第一压电体膜上且由所述第一压电体膜来控制结晶取向性的第二压电体膜构成；和形成于该第二压电体膜上的第二电极膜，
所述第一和第二压电体膜是结晶生长方向从所述压电体层叠膜的厚度方向一侧指向另一侧的柱状粒子的集合体，
所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径比所述第一压电体膜的柱状粒子的截面直径大，
所述压电体层叠膜的厚度l与所述第二压电体膜的柱状粒子的截面直径d的比l/d为20以上、60以下，
将所述第二电极膜布图成用于使所述振动部沿其宽度方向振动的至少一个驱动电极与用于检测所述振动部的厚度方向变形的至少一个检测电极。
30、根据权利要求28所述的角速度传感器，其特征在于：
所述基板由硅或玻璃构成。
31、根据权利要求29所述的角速度传感器，其特征在于：
所述基板由硅或玻璃构成。
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