JP2008210924A - 圧電体薄膜素子及びそのエージング処理方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水分による素子破壊を防止する低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子及びそのエージング処理方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置を得ること。
【解決手段】露点制御手段３で生成された乾燥気体は、圧電体薄膜素子１を収容するケース２の導入口４から供給され、排出口５から排出されることで、ケース２の内圧は、ケース外の圧力よりも高くなる。これによって、圧電体薄膜素子１の近傍雰囲気を長期に渡って安定して、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の低湿度に保つことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子及びそのエージング処理方法、前記圧電体薄膜素子を用いた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装備したインクジェット式記録装置に関するものである。

電気機械変換機能を呈する圧電体素子は、一般に、圧電体層をその厚み方向の両側を電極層でそれぞれ挟んだ積層体構造をしている。圧電体の材料には、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックが用いられる。なお、ＰＺＴに代表される鉛系の圧電性セラミックは、高い圧電定数を示す等の種々の優れた特性を有することから、圧電アクチュエーターや焦電型赤外線検出素子、不揮発性メモリー素子などの様々な電子部品に利用されている。例えば、（特許文献１）では、コンピュータの記憶装置等として用いられるディスク装置のディスクに対する情報の記録および再生に使用されるヘッドの支持機構に使用される薄膜圧電体アクチュエーターが開示されている。

ところで、圧電体素子は、湿度の高い雰囲気に長時間さらされた状態で高電圧を印加すると、圧電体層の電気絶縁性が低下して絶縁破壊が起こる場合があるので、従来から、絶縁破壊の発生を防止する様々な工夫がなされている。

その一つとして、絶縁破壊に最も関係深いとされている電極材の圧電体層へのマイグレーションの発生を防止するために、マイグレーションの起こり難い金や白金を電極材料に用いる措置が採られているが、電極材料に金や白金を用いて電極材の圧電体層へのマイグレーションを防止しても、圧電体層の電気絶縁性が低下することから、電気絶縁性が低下する主な原因は、水分が直接的に圧電体に作用することにあることが明らかになった。

そこで、水分が直接的に圧電体に作用することを防止するために、例えば、（特許文献２）では、圧電体素子全体を金属密閉容器に収納し、内部に乾燥剤を入れて完全に密閉する方法が提案されている。また、例えば、（特許文献３）では、キャップ部材等により圧電体素子を密封し、その密閉空間に乾燥流体や不活性ガス、水の蒸気圧が低下した流体等を封入する方法が提案されている。また、例えば、（特許文献４）では、圧電体素子の近傍を低湿度環境に保つために、乾燥気体を一定の流量で導入し、露点環境を−５０℃以下に保つ方法についても提案されている。

そして、近年では、電子機器の小型化に伴って圧電体素子に対しても、小型化が強く要求されるようになってきた。その要求を満たすため、圧電体素子は、従来から多く使用されてきた焼結体に比べて著しく体積の小さい圧電体薄膜の形態、つまり圧電体薄膜素子として使用されるようになってきている。このような圧電体薄膜は、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法等で形成されている。また、フォトリソグラフィーやドライエッチング等による微細加工技術を適用して、素子の小型化、高密度化が図られている。

この圧電体薄膜素子に対しては、小型化のために、上記のように金属製の密閉容器に入れずに剥き出しの状態で使用できることが要望されているが、ＰＺＴに代表される鉛系の圧電セラミックには、次のような特性がある。

即ち、ＰＺＴに代表される鉛系の圧電セラミックは、Ｐｂ（鉛）が焼成、焼結、またはスパッタ法等の成膜時にＰｂＯ（酸化鉛）の形で抜けやすいので、化学量論的組成に制御することが困難である。鉛が化学量論的組成よりも少ない場合は、結晶配向特性や圧電特性、強誘電体特性、焦電特性の低下を招く。そのため、鉛は化学量論的組成よりも少し過剰に添加される場合が多い。例えば、ＰＺＴ等の鉛化合物を含む圧電体は高温下で合成される。これは薄膜形態であっても同様である。

化学量論組成のＰＺＴは、化学量論組成がＰｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃（０＜ｘ＜１）であり、化学量論組成比Ｐｂ：Ｚｒ＋Ｔｉ：Ｏが１：１：３であるが、高温時では鉛の蒸気圧が高いので、作製時の安定性などを考慮して、化学量論組成のＰＺＴよりも幾分、鉛過剰の組成にすることが通常になっている（例えば、特許文献５参照）。

この鉛過剰の圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子を金属製の密閉容器に入れずに使用し、湿気の高い環境下で高電圧を印加すると、次のようなメカニズムで絶縁破壊が起こる場合がある。

例えば、スパッタ法で作製された圧電体薄膜層は、粒子が膜厚方向の一端側から他端側に向かって柱状に連続的に成長している複数の柱状結晶によって構成された集合体からなる場合が多く、それらの柱状粒子同士の境界部分がリークパスとなる結晶粒界として存在する。また、柱状結晶の集合体の形態を示さない圧電体薄膜層であっても、多くの結晶粒界を有している。そして、薄膜形成時に存在する異物などの影響によって膜厚方向に小さな空孔などが存在する。そのような圧電体薄膜層の結晶粒界や空孔表面には、過剰の鉛が酸化物の形態で存在するので、圧電体薄膜層が湿気に曝されると、その結晶粒界や空孔表面に存在する鉛化合物が、湿気と反応して吸収された水分と電気化学的な反応を起こして変質することが起こる。

つまり、圧電体薄膜素子においては、密閉容器に入れずに高湿度環境下で使用すると、水分が電極膜のピンホールを通って圧電体薄膜層の結晶粒界に侵入し、その結晶粒界に存在している酸化鉛が、侵入した水分と電気化学的な反応を起こして水酸化鉛となり、さらに導電性を有する二酸化鉛に変質することが起こると、絶縁破壊が発生する。

この絶縁破壊発生のメカニズムからすると、ＰＺＴなどの鉛化合物を含む圧電体材料への水分による攻撃を無くす措置を採ればよいことになるので、そのような措置を講じて密閉容器に入れずに高湿度環境下で使用しても劣化しないようにする工夫もなされている（例えば特許文献６，７等）。

即ち、（特許文献６）では、圧電体薄膜素子を構成する圧電体薄膜層の傍に発熱膜を設け、この発熱膜によって圧電体薄膜層を積極的に加熱することで、圧電体薄膜層への湿気の吸着を防止する方法が提案されている。また、（特許文献７）では、空気中の水蒸気や結露した水成分等の浸入を防ぐために、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜などの無機材料、あるいは、ガスバリア性の高いといわれるポリパラキシリレン、あるいは、その誘導体からなる樹脂被膜でコートするような対策も提案されている。
特開２００１−３３２０４１号公報 特開平４−３４９６７５号公報 特開平１０−３０５５７８号公報 特開２００４−３２２６０５号公報 特開２００５−２４４１７４号公報 特開２０００−４３２５９号公報 特開平１０−２４２５３９号公報

しかしながら、（特許文献２）や（特許文献３）に提案される圧電体素子を封入する方法では、次のような問題がある。即ち、封入時に外部環境とのリークパス等があると、封止後に直ぐに内部の湿度環境は変化してしまうので、キャップ部材等の封止材を接着剤等によって圧電体素子と接着して外部環境と遮断する必要があるが、そのリークパス有無の確認作業が面倒である。また、封入後に外部から接着剤の界面や接着剤そのものから侵入する水分により、内部環境は経時的に変化することが予想されるので、封入作業は水分の極めて少ない低湿度環境で行わなければならず、工場で量産する場合には手間がかかり製造費が増大する。加えて、素子封入後の圧電体素子近傍の湿度環境の変化に対応して、水分が起因となる破壊等の素子寿命が予測できないので、製品としての保証期限が設定できないなどの問題がある。

また、（特許文献４）に提案される外部から乾燥気体を導入し、圧電体素子近傍の露点環境を制御する方法は、上記で示したような封止による素子のばらつきや、経時的に湿度環境が変化する問題に対しては有効な手段であり、安定した湿度環境を提供できる。しかし、必要とされる露点−５０℃以下という湿度環境を実現するには、エアフィルターやオイルミストフィルター等の付帯設備が必要になると記載されていることからも理解できるように、エアドライヤーの能力がかなり高くないと実現不可能である。また、ある一定の流量についても−５０℃以下の露点環境を維持することが必要であるので、システムとしての負荷やコストがかなりかかることになる。

また、（特許文献７）に提案される空気中の水蒸気や結露した水成分等の浸入を防ぐためにガスバリア性の高い保護膜等を形成する方法では、圧電体薄膜素子の機械的変位を阻害しないような薄膜で圧電体薄膜素子表面の欠陥を完全に覆うことは難しい。また、インクジェットヘッドのように圧電体薄膜素子が複数個並列に形成される場合においては、各素子が独立に制御される必要があるので、各素子の電極上に形成される保護膜は絶縁性の高い膜が必要になる。この保護膜には、一般的には、樹脂や無機材料が選択されることになるが、これらはガスバリア性を保つためにある程度の膜厚が必要になるので、圧電体薄膜素子の機械的変位を阻害する要因になる。加えて、高湿度環境では、圧電体薄膜素子と保護膜との界面から水分の浸入が起こり、経時的に劣化、剥離が進行するので、圧電体薄膜素子と保護膜との密着性を保つ必要があり、この点も圧電体薄膜素子の機械的変位を阻害する要因になるなどの問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、水分による素子破壊を防止する低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子を得ることを目的とする。

また、本発明は、高湿度環境下での駆動信頼性を向上させる圧電体薄膜素子のエージング処理方法を得ることを目的とする。

また、本発明は、上記発明の圧電体薄膜素子を用いたインクジェットヘッド、および前記インクジェットヘッドを印字手段として装備したインクジェット式記録装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、所定膜厚の圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚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、近傍雰囲気の露点を−４０℃〜０℃の範囲内に保持する手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、水分による圧電体薄膜素子のリーク電流発生が抑えられ、安定的に駆動を行うことが可能になる。露点範囲の設定によって製品寿命の保証が行える。

本発明によれば、実際の駆動環境が高湿度であっても安定的に駆動を行うことが可能になるという効果を奏し、また製品寿命の保証が行えるという効果も奏する。

以下に図面を参照して、本発明にかかる圧電体薄膜素子及びそのエージング処理方法、インクジェットヘッド、並びに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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子の構成を示す一部断面図である。図１において、圧電体薄膜素子１を収容するケース２は、露点制御手段３が供給する乾燥気体を取り込む導入口４と排出口５とを有している。

なお、ケース２に収容する素子数は、１つでもよいが、２以上の圧電体薄膜素子１を収容する場合でも、その機械変位運動を阻害しない空間を保持した状態で収容できる構成であって、図示してないが、圧電体薄膜素子１を載置するケース２の載置面には、収容する各圧電体薄膜素子１の両電極層に駆動電圧を印加できる機構を備えている。

圧電体薄膜素子１は、例えば、後述する図３や図４に示すように構成されている。露点制御手段３が供給する乾燥気体は、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の乾燥空気や、窒素ガス、アルゴンガス等の低湿度気体である。

露点制御手段３は、例えば、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の乾燥気体を生成できるエアドライヤー（乾燥気体生成装置）、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の乾燥気体が封入されているボンベ、建物に設備として配置されている露点が−４０℃〜０℃の範囲内の乾燥気体（窒素ガス、アルゴンガス等）を給送する配管等である。

なお、エアドライヤーについては、温度を下げることで気体中の水分を除去する冷凍式エアドライヤー、フィルターを通すことで気体中の水分を除去するフィルター式エアドライヤー、シリカゲルなどの吸着剤中を通過させることで気体中の水分を除去する吸着式エアドライヤーなどを用いることができる。

露点制御手段３で生成された乾燥気体は、ケース２の導入口４から供給され、排出口５から排出されることで、ケース２の内圧は、ケース外の圧力よりも高くなるので、圧電体薄膜素子１の近傍雰囲気を長期に渡って安定して、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の低湿度に保つことが可能となる。

これによって、低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子１は、水分による素子破壊が防止されるので、安定して駆動することができ、製品寿命の保証が可能になる。また、露点として−４５℃の確保は、−５０℃の確保よりも安価に実現できる。なお、ケース２を設けずに、直接、露点制御手段３で生成された乾燥気体を圧電体薄膜素子１の近傍に吹きかけても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子の構成を示す一部断面図である。図１において、圧電体薄膜素子１を載置したベース６にキャップ部材７の開口端を接着剤８で接着することで、圧電体薄膜素子１は、その機械変位運動を阻害されない状態で密閉空間内に収容されている。そして、この密閉空間内に乾燥剤９を封入することで、圧電体薄膜素子１の近傍雰囲気の露点を−４０℃〜０℃の範囲内に低湿度環境に保つ構成となっている。

なお、ベース６には、図示してないが、収容する圧電体薄膜素子１の両電極層に駆動電圧を印加できる機構を備えている。

ここで、キャップ部材７は、水分を透過しにくく、ガスバリア性の高い樹脂やガラスやセラミックなどの無機材料、または金属ケースなどで出来ている。ベース６もキャップ部材７と同様の部材が使用されるが、圧電体薄膜素子１の基板の一部を用いることも可能である。

また、ベース６とキャップ部材７との接着剤８には、水分を透過しにくいエポキシ樹脂や接着シート等が用いられるが、その他、金属はんだや無機系の接着剤なども用いることができる。

密閉空間内に封入する乾燥剤９には、シリカゲル、塩化カルシウム、モレキュラーシーブ、酸化バリウム等が用いられる。

これによって、乾燥剤９を封入し、キャップ部材７とベース６とを接着した後は、密閉された空間の水分は、乾燥剤９に吸着されるので、収容する圧電体薄膜素子１の近傍空間は、露点が−４０℃〜０℃の範囲内の低湿度環境に保たれることになる。

接着剤８の材料や接着面積、接着時の厚みを適切に設計、制御することによって外部から浸入する水分を極力少なくすることができ、侵入した水分も乾燥剤９により除去されるので、長期に渡って内部を低湿度環境に保つことが可能となる。また、封入時の露点環境を低湿度に保つことにより、さらに長期に渡って内部を低湿度環境に保つことが可能になる。

したがって、実施の形態１と同様に、圧電体薄膜素子１は、水分による素子破壊が防止されるので、安定して駆動することができ、製品寿命の保証が可能になる。また、安価な構成で、露点−４０℃の確保が実現できる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。この実施の形態３では、図１や図２に示した態様で用いる圧電体薄膜素子の構成例（その１）について説明する。

図３において、この実施の形態３による圧電体薄膜素子１０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。

基板１１は、例えば、厚みが０．３ｍｍで径が４インチの円盤状基板である。ここではシリコン基板を用いているが、ガラス基板や金属基板、セラミックス基板等も同様に用いることができる。

密着層１２の膜厚は、ここでは０．０２μｍとしているが、０．００５μｍ〜１μｍの範囲内であればよい。密着層１２に用いる材料は、ここではチタン（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。なお、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り、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。

第１の電極層１３の膜厚は、ここでは０．２２μｍとしているが、０．０５〜２μｍの範囲内であればよい。第１の電極層１３に用いる導電性材料は、ここでは白金（Ｐｔ）を用いているが、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い。

また、第２の電極層１５の膜厚は、ここでは０．２μｍとしているが、０．１μｍ〜０．４μｍの範囲内であればよい。第２の電極層１５に用いる導電性材料は、ここでは白金（Ｐｔ）を用いているが、任意の導電性材料を用いてよい。

さて、圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系または正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴを成膜したものである。膜厚は、ここでは３．５μｍとしているが、０．５μｍ〜１０．０μｍの範囲内であればよい。また、構成材料は、ＰＺＴにＬａ、Ｓｒ、Ｎｂ、Ａｌなどの添加物を含有したもののように、要するにＰＺＴを主成分とした圧電材料であり、ＰＭＮであるかＰＺＮであるかは問わない。

圧電体薄膜層１４のＰＺＴの組成（Ｚｒ／Ｔｉ）は、ここでは正方晶系と菱面体晶系との境界（モルフォトロピック相境界）付近の組成（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７）としているが、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０〜７０／３０の範囲内であればよい。

そして、圧電体薄膜層１４は、化学量論組成と比較してＰｂ組成量が異なる複数層の積層構造となっている。図３に示す例では、圧電体薄膜層１４は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａと、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂとの２層構造になっている。なお、図３では、まず、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａを成膜し、その後、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂを成膜するように示してあるが、これに限らず、積層する順番や積層数は任意である。

図３に示す例では、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａは、Ｐｂ組成量が１０％モル過剰の組成で膜厚が３．０μｍであり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂは、Ｐｂ組成量が２％モル少ない組成で膜厚が０．５μｍである。なお、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａでのＰｂ過剰量は、２５モル％以下、より望ましくは１５モル％以下であればよい。また、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂでのＰｂ欠損量は、１０モル％以下、より望ましくは、５モル％以下であればよい。

化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａと化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂは、共に、＜１１１＞面または＜００１＞面のいずれかの同じ面に優先配向するように成膜されている。そして、各層は、共に柱状結晶の構造をしているが、その柱状粒子径は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａが化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂよりも大きくなっている。ここでは、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａでの柱状粒子径は、０．４μｍであるのに対し、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂでの柱状粒子径は、０．２μｍである。

また、各相での配向率は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａの方が、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂよりも高い。数値例で言えば、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａの方の配向率は７０％以上が望ましく、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂの方の配向率はそれよりも少ない５０％以上が望ましい。

ここでは、＜１１１＞面に優先配向している場合を扱っており、＜１１１＞配向率は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａでは９９％であり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂでは７０％である。

なお、＜１１１＞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）と定義している。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。

このように、圧電体薄膜層１４は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に連続的に成長した柱状結晶で構成されているので、優れた圧電特性を示すとともに、低湿度環境においては面内方向への水分の拡散が起きにくく、絶縁破壊の領域が進行しない特性が得られる。粒界が一方の前記電極層の層面側から略垂直に他方の前記電極層に向かって成長しているので、結晶配向性に優れ、より高い圧電特性を示す特性が得られる。

また、圧電体薄膜層１４は、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒを含有するので、高い圧電特性を示す組成の構成が可能となる。また、柱状結晶の構成や結晶配向性以外にも水分の拡散の仕方に違いがあり、Ｐｂ組成比が膜厚方向に異なる値で分布をしているので、欠陥部からの水分の浸入によってＰｂと反応したリークパスの生成を遅延、もしくは断絶することができ、Ｐｂ組成が膜厚方向に変化のない構成と比較してより長期の信頼性が確保できる。また、ＺｒとＴｉの組成比が膜厚方向に異なる値で分布をしているので、水分の浸入、拡散を遅延もしくは断絶することができ、同様の作用・効果によって長期の信頼性が確保できる。そして、高湿度環境においては、圧電体薄膜は、通常数μｍ程度であるので、その組成や素子構成による差は出難いが、低湿度間環境では、水分の拡散に差が生ずるので、上記構成の圧電体薄膜を用いることはより好ましい。

次に、以上の構成を有する圧電体薄膜素子の製造方法について説明する。圧電体薄膜素子の成膜法には、スパッタ法、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法などの気相成長法が用いられる。ここでは、スパッタ法を用いて、シリコン基板１１上に、密着層１２、第１の電極層１３、圧電体薄膜層１４及び第２の電極層１５を順次成膜して形成した例を示す。

密着層１２は、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分間印加して厚さ０．０２μｍに成膜した。第１の電極層１３は、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分間印加して厚さ０．２２μに成膜した。第２の電極層１５は、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を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を１０分間印加して０．２μｍに成膜した。

さて、厚さ３．２μｍの圧電体薄膜層１４は、多元スパッタ装置を用いて作製した。ターゲットには、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａは、ＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７、Ｐｂ量が２０モル％過剰）の焼結体ターゲットを用い、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂは、ＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７、Ｐｂ量が５モル％過剰）を用いた。

図３に示す構成であれば、まず化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａを成膜し、その上に化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂを成膜することになる。まず、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａ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５８０℃で加熱しながら、２５０Ｗの高周波電力を１７０分間印加して成膜した。次に、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂ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＝１８：２）において、基板１１を６５０℃で加熱しながら、２００Ｗの高周波電力を４５分間印加して成膜した。

そして、第２の電極層１５を成膜する前に、以上のようなスパッタ成膜条件で作製した圧電体薄膜層１４について各種の観察を行った。まず、Ｘ線マイクロアナライザーによって調べたＰｂ組成は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａは、Ｐｂ量が１０モル％過剰の組成であり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂは、Ｐｂ量が２モル％少ない組成であった。

また、ＳＥＭによる観察結果、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａと化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂは、共に、柱状構造を有していた。そして、各層の柱状粒子径は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａが０．４μｍであり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂが０．２μｍであった。また、各層の膜厚は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａが３．２μｍであり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂが０．５μｍであり、圧電体薄膜層１４のトータルの膜厚は、３．５μｍであった。

圧電体薄膜層１４の結晶構造、結晶配向性、内部応力をＸ線回折及びｓｉｎ²ψ法によって調べた。その結果、得られた圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有し、＜１１１＞面に配向をしていた。また、＜１１１＞結晶配向性は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１４ａでは、＜１１１＞配向率が９９％であり、化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層１４ｂでは、＜１１１＞配向率が７０％であった。

（Ａ）適正な露点範囲決定のための駆動信頼性評価
以上のように作製した圧電体薄膜素子は、第１の電極層１３と第２の電極層１５との間に電圧を印加することで、圧電体薄膜層１４が機械変位運動を行うが、次のような構造の試験用試料を作製して駆動信頼性を評価し、適正な露点範囲を定めた。

まず、第２の電極層上にレジスト塗布、パターニングを行った後、ドライエッチング装置を用いて電極のエッチング加工を行い、基板上に、０．１ｍｍ×１．２ｍｍサイズの素子が均等に併設された状態にした。その後、レジストパターンを除去し、４００素子を１基板としてダイシング加工によって切断、分割を行い、各々の基板を試験用試料とする。

即ち、各々の基板において、第１の電極層は共通電極として取り出し、第２の電極層は個別電極として各々電圧が印加できるように配線を行った。そして、１つの基板（４００素子）を露点環境が制御可能な試験槽に入れ、４００素子に同時にＤＣ３５Ｖの駆動電圧を印加して連続５００時間駆動した後、各素子の外観観察（図４）、リーク電流測定（図５）及びＳＥＭ観察（図６）を行って駆動信頼性を評価した。これを、１０基板（４０００素子）について行った。

試験槽は、図１に示したような構成であって、ドライヤーで生成した乾燥空気と通常の圧縮空気とを混合した乾燥気体を導入口から導入し、試験槽の内圧を高い状態に維持しつつ、排出口から排出する構成となっている。

エアドライヤー（乾燥空気生成装置）には、ＣＫＤ株式会社製のスーパードライヤユニットＳＵ３０１５Ｂ７を用いた。この乾燥空気は、空気中の埃を除去するエアフィルタ、空気中の油成分を除去するオイルミストフィルタ、空気中の水分を除去するドライヤー本体、圧力を調整するレギュレーターから構成されている。

ドライヤー本体は、特殊な樹脂でできた多数の中空糸で構成されており、この中空糸を圧縮空気が通過する仕組みとなっている。中空糸を構成する樹脂は、水分のみを選択的に中空糸外部に通過させる性質を持っており、水を含んだ空気が中空糸を通過することにより空気中の水分が除去される。

露点環境の制御は、導入側の乾燥空気と圧縮空気との混合比や流量、排出側の流量を調整して行った。また、駆動試験は、露点環境が一定になってから１時間以上安定した状態を確認してから開始した。そして、駆動試験中も流量の微調整を行い、露点環境が一定になるようにした。

図４は、露点と破壊した素子数との関係を示す図である。横軸は露点［℃］であり、縦軸は破壊素子数［個］である。図４に示すように、露点を−５０℃〜＋３０℃の範囲に変化させて試験した。図４では、露点環境が−５０℃から０℃までは素子の破壊は起こらないが、それを越えると急激に素子破壊が増加していくことが示されている。

図５は、露点環境と１素子平均のリーク電流との関係を示す図である。横軸は露点［℃］であり、縦軸は絶縁破壊が生じた１素子の平均リーク電流［ｍＡ］である。図５に示すように、絶縁破壊が生じた１素子の平均リーク電流は、露点０℃以下では、数μＡ以下であるが、露点０℃を超えると、ばらつきが大きくなり、実用上問題が生じる数１０μＡ以上のレベルの素子が多数出現してくることが示されている。

図６は、露点と素子破壊の程度との関係を示すＳＥＭ観察写真を示す図である。図６では、（ａ）露点０℃の場合と、（ｂ）露点１０℃の場合と、（ｃ）露点３０℃の場合とにおける素子破壊の状態（程度）が示されている。（ａ）露点０℃の場合は、一部が絶縁破壊（黒点）となっているがそれ以上は進行していない。（ｂ）露点１０℃の場合は、一部に破壊の進行した状態が観察され、黒点も多く存在している。（ｃ）露点３０℃の場合は、黒点が大きく成長し、ほぼ素子を横断する状態になっている。

以上の評価結果は、露点環境が０℃よりも低い場合は、仮に絶縁破壊箇所が発生してもその破壊の進行を加速させる水分が供給されず、実用上使用できるレベルにとどまっているが、露点環境が０℃よりも高くなると、水分によるリークパスの拡大によって絶縁破壊箇所が大きくなり、素子の横断的な破壊にまで至ることを示している。

したがって、露点環境としては０℃よりも低く、より低湿な環境がよいことが解る。しかし、非常に低湿な領域、例えば−４０℃よりも低湿な環境を維持するのは非常にコストが高くなると予想される。

上記の試験において−５０℃の露点環境を具現化する場合は、導入側には高性能な乾燥空気発生装置を用い、圧縮空気の混合は行っていないが、乾燥空気生成装置の能力が低い場合には、露点制御が困難になることが考えられる。これに対し、露点環境−４０℃程度だと工場の配管等の露点制御手段から導入する乾燥窒素等で十分制御できる範囲になっているので、コストを低く抑えることが可能である。−４０℃でも−５０℃の露点環境と同じ結果を示すので、制御すべき露点環境は−４０℃から０℃までが適している。このことから、図１（実施の形態１）や図２（実施の形態２）では、露点の範囲を−４０℃〜０℃とした。

（Ｂ）駆動前のエージング処理の有無による駆動信頼性の評価
上記の評価試験（Ａ）で用いた試験用試料と同じ仕様で作製した試験用試料、即ち、４００素子を搭載する基板を１０個作製し、各々の基板において第１の電極層は共通電極として取り出し、第２の電極層は個別電極として各々電圧が印加できるように配線を行い、１０基板（４０００素子）について、駆動時の露点環境を０℃と想定して露点環境を駆動前の−４０℃（エージング処理）と駆動時の０℃とで駆動し、各素子の外観観察とリーク電流の測定とを行ってエージング処理の有無による駆動信頼性の評価を行った。

まず、１つの基板（４００素子）を露点環境−４０℃に保った試験槽に入れ、４００素子に同時にＤＣ４０Ｖの駆動電圧を印加して連続１時間駆動してエージング処理を行い、その後、試験槽の露点環境を０℃に変更して１時間放置して安定させた後に、４００素子に同時にＤＣ３５Ｖの駆動電圧を印加して連続５００時間駆動することを１０基板（４０００素子）について行った。

素子の外観観察の結果、破壊した素子の数は８個であり、エージング処理を行わない場合、つまり上記の評価試験（Ａ）での露点環境０℃のときの１０個と比較してあまり変わっていなかった。しかし、リーク電流の測定結果では、エージング処理を行った素子は、１素子あたりの平均リーク電流が０．２４μＡであり、エージング処理を行わない場合の平均値２．１μＡと比較してほぼ１桁低下していた。

このことは、実際の使用前に、露点環境が駆動時よりも低い環境（露点が−４０℃〜０℃の範囲内の環境）で、駆動時よりも高いエージング電圧を印加するエージング処理を行えば、素子に存在する脆弱な部分が破壊（除外）されるので、実際の高湿度下での駆動時におけるリークパスの発生数を減らす効果があることを示している。

このように、予め露点環境が実際の駆動時よりも低い環境でエージング処理を行うことにより、高い露点環境である実際の駆動時においては、リーク電流の増加を抑えることができるので、安定した素子の駆動が可能となる。なお、エージング電圧は、交流電圧でもよいが、圧電体薄膜素子が機械的な振動によって破壊されるのを防止する観点から、直流電圧が望ましい。

（Ｃ）素子を低湿度環境で駆動信頼性を評価する他の例
ここでは、１個の素子毎に上記の評価試験（Ａ）と同内容の評価試験を行う場合について説明する。まず、素子近傍雰囲気を低湿度環境に維持するために、外部の湿度環境から遮断する封止部材による素子封止を次のようにして行った。

即ち、各々の素子が駆動できるように配線を行った後、グローブボックス等の湿度環境を低湿度に維持する環境に入れ、表面に吸着した水分を置換する。グローブボックス内には乾燥空気もしくは乾燥窒素を導入し、露点環境が−４０℃になるようにする。グローブボックスには、予め封止部材であるガラス基板や接着剤、乾燥剤を入れておき、同様に吸着した水分を置換しておく。封止部材は、２つのガラス部材からなり、１つはプレート状のガラス基板で、これがベースとなる。もう１つは、ガラス基板を素子の駆動エリアよりも大きい領域のエリアをエッチング加工にて凹ました封止キャップである。

乾燥剤は、予め封止キャップの凹部に収納しておき、封止後に圧電体薄膜素子に接触しないように必要な空間を確保しておく。乾燥剤は、ユニオン昭和株式会社製の合成ゼオライト（モレキュラーシーブ）をシート状に加工したものを用い、封止キャップの凹部に貼り付ける構成を取った。

次に、圧電体薄膜素子をベース上に固定し、封止キャップのベースと接着を行う領域に接着剤を塗付し、配線等を引き出してからベースと貼り合せる。貼りあわせた後は加重をかけ、接着剤の気泡等が発生しないように密着しつつ接着剤を硬化する。接着剤は、協立化学社製の８７２２Ｖ５でＵＶ硬化、熱硬化併用タイプを用いた。

グローブボックス内でＵＶランプを所定の時間照射した後に、グローブボックスから取り出す。ＵＶ照射条件として３００ｍＷ／ｃｍ²で２０秒間照射を行った。取り出し後はさらにオーブンにて８０℃で１時間の熱処理を行った。その後、ある電圧を印加して封止のリークチェックを行い、リークパスがなければ素子の駆動を開始し、上記の評価試験（Ａ）と同内容の評価試験を行う。

なお、上述した封止方法では、ベースを圧電体薄膜素子とは別に用意したが、圧電体薄膜素子の基板をベースとして用いても良い。また、駆動する素子のエリア外周の余白に接着剤を塗付して、封止キャップを接着しても同様の効果が得られる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。この実施の形態４では、図１や図２に示した態様で用いる圧電体薄膜素子の構成例（その２）について説明する。

図７に示すように、この実施の形態４による圧電体薄膜素子１６は、図３（実施の形態３）に示した構成において、第１の電極層１３と圧電体薄膜層１４との間に、低誘電率層であるバッファー層１７が設けられ、圧電体薄膜層１４に代えて同様に２層構成であるがその内容を違えた圧電体薄膜層１８が設けられている。

バッファー層１７は、圧電体薄膜層１８の結晶成長を促進する機能と、電圧印加時に圧電体薄膜層１８に発生する応力を緩和して成膜後のクラック発生等を防止する機能とを有している。後者の機能によって、リークパスの生成速度が遅くなり、長期の駆動信頼性が確保できる。

このバッファー層１７には、ペロブスカイト構造を有するチタン酸鉛（ＰＴ）のＡサイトを１０％だけＬａで置換したＰＬＴが用いられる。このＰＬＴを用いたバッファー層１７は、厚膜を０．２μｍに成膜して測定した結果、＜００１＞面に優先配向し、比誘電率は、４５０であった。なお、このバッファー層１７は、圧電体薄膜層１８の結晶成長を阻害しない他の材料も用いることができる。

圧電体薄膜層１８は、図３（実施の形態３）にて示した構成と同様に、膜厚が３．２μｍの菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴからなる。そして、バッファー層１７側の化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１８ａは、膜厚が０．３μｍであり、Ｚｒ／Ｔｉ＝７０／３０の組成からなり、第２の電極層１５側の化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１８ｂは、膜厚が３．２μｍであり、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７の組成比からなっている。なお，化学量論組成と比較したＰｂ量は、化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層１８ａ，１８ｂ共に，１０モル％過剰の組成である。また、圧電体薄膜層１８の比誘電率を測定すると、９５０であった。

なお，圧電体薄膜層１８でのＺｒ組成比は、バッファー層１７に近い方を大きくした方が好ましいが、バッファー層１７が存在するので、Ｚｒ組成比が小さくても配向性等に問題はない。したがって、多層構成や膜厚方向に漸次Ｚｒ組成が変化する構成でも良い。また、絶縁性向上のため、バッファー層１７に用いたＰＬＴを圧電体薄膜層１８の第２の電極層１５側に積層してもよい。また、圧電体薄膜層１８には、比誘電率が低い他の材料も用いることが可能である。

このような構成の圧電体薄膜素子についても、実施の形態３にて説明した駆動信頼性評価とエージング処理有無による評価を同様に行ったところ、実施の形態３にて説明したのと同様の結果が得られた。

（実施の形態５）
この実施の形態５では、実施の形態３，４による圧電体薄膜素子を低湿度環境下でインク吐出の駆動源として用いるインクジェットヘッドの構成例を示す。

まず、図８を参照して、インクジェットヘッドが備える圧電体薄膜素子に低湿度環境を提供する構成について説明する。なお、図８は、本発明の実施の形態５による低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッドの構成を示す斜視図である。

図８において、この実施の形態５による低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７は、ヘッドカバー２８を取り付けたヘッドベース２９にインクジェットヘッド（本体）３０が取り付けられた構成である。ヘッドカバー２８は、導入口３１と排出口３２とを備えている。

この構成によれば、インクジェットヘッド（本体）３０を取り付けたヘッドベース２９にヘッドカバー２８を取り付け、導入口３１に、乾燥空気生成装置やプラントにおける乾燥気体（窒素ガス、アルゴンガス等）の配管等の実施の形態に示した露点制御手段３から乾燥気体を供給し、排出口３２から排出することによって、インクジェットヘッド（本体）３０が備える圧電体薄膜素子近傍の露点環境を一定値に制御することができる。

次に、インクジェットヘッド（本体）３０の構成を説明する。端的には、このインクジェットヘッド（本体）３０は、実施の形態３又は実施の形態４による圧電体薄膜素子における両電極層のいずれか一方の電極層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９〜図１１）を示す。

なお、図９は、図８に示すインクジェットヘッド本体の構成を示す斜視図である。図１０は、図９に示すインクジェットヘッド本体の要部構成を示す断面図である。図１１は、図９に示す要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図である。

図９、図１０に示すように、インクジェットヘッド（本体）３０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。なお、図９では、制御手段としてのＩＣチップＥも示されている。これらの要素は、図示例で言えば上下方向の下側から上側に向かって、ノズル板Ｄ、インク流路部材Ｃ、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂと積層配置され、アクチュエータ部Ｂの上部にＩＣチップＥが配置される。

図９、図１０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。個別の圧力室１０２は、この多数の圧力室開口部１０１のそれぞれが、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構成される。

アクチュエータ部Ｂの上端面には、多数の個別電極１０３が圧力室１０２と１対１の関係で千鳥状に配置され、各個別電極１０３に対してＩＣチップＥから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。個別電極１０３は、ここでは、第２の電極層１０３と称することもある。

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。

次に、図１１では、図９に矢印で示すインク供給方向とは直交する方向でのアクチュエータ部Ｂの断面構成が示され、アクチュエータ部Ｂの直下に上記の直交方向に並ぶ４個の圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａが参照的に示されている。４個の圧力室１０２は、区画壁１０２ａで仕切られている。

図１１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１１２とを備えている。

そして、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎に、共通電極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薄膜層１１０と、その上に積層される上記した個別電極１０３とを備えている。共通電極１１２は、ここでは、第１の電極層１１２と称することもある。

つまり、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎の駆動手段として、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０及び第２の電極層１０３が順に積層される構成の圧電体薄膜素子に加えて、振動層１１１が共通電極である第１の電極層１１２側に設けられている。この圧電体薄膜素子の各層は、実施の形態３にて説明した圧電体薄膜素子１０における同名の層にそれぞれ対応し、各構成材料も、構成元素の含有量が異なるものもあるが、それぞれ同様であり、圧電体薄膜層１１０も圧電体薄膜層１４と同様の層構成である。

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に対する圧電体薄膜層１１０の圧電効果によって振動層１１１が層厚方向に変位動することで、各圧力室１０２の容積を個別に変化させることができる。

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。

なお、ここでは、実施の形態３に示した圧電体薄膜素子１０を用いる場合を示したが、実施の形態４に示した圧電体薄膜素子１６も同様にして用いることができる。

次に、図８に示した低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７と、図８に示した低湿度環境を有しないインクジェットヘッド、つまり、インクジェットヘッド（本体）３０のみの場合とで動作信頼性の評価を行った。

図８において、露点を−４０℃まで下げた乾燥空気を乾燥空気生成装置から導入口３１に供給し、１時間乾燥気体を流し続けてヘッドベース２９に取り付けたインクジェットヘッド（本体）３０の近傍雰囲気を−４０℃の低湿度環境にした状態で、直流電圧３５Ｖを１時間印加してエージング処理を行った。その後、インクジェットヘッド（本体）３０をヘッドベース２９から取り外して４０℃、湿度８０％の環境試験槽に入れ、駆動周波数が２０ｋＨｚの交流電圧２０Ｖを１０日間印加し続けた。１０日後にインクの吐出状況を確認したが、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。

一方、上記したエージング処理をしないインクジェットヘッド（本体）３０を４０℃、湿度８０％の環境試験槽に入れ、駆動周波数が２０ｋＨｚの交流電圧２０Ｖを１０日間印加し続けた。そうすると、４００個ある全圧力室のうち約４０％の圧力室に対応するノズルでインク吐出不良が発生した。この場合の吐出不良の原因が、インク詰まり等ではないことから、アクチュエータ部Ｂの圧電体薄膜素子に重大な絶縁破壊や大きな電流リークが発生したと考えられる。

したがって、図８に示した低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７は、高湿度環境下での信頼性を高めることができる。また、エージング処理が行えるので、実際の駆動環境が高湿度であっても信頼性を高めることができる。

（実施の形態６）
この実施の形態６では、実施の形態５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３又は実施の形態４による圧電体薄膜素子を用いる実施の形態５による低湿度環境を有す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１２）を示す。

図１２は、本発明の実施の形態６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１２に示すインクジェット式記録装置１４０は、実施の形態５による低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７を備えている。この低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７において圧力室（実施の形態５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５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１４１に吐出させて記録を行うように構成されている。

低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７は、主走査方向Ｘに延びるキャリッジ軸１４２に設けられたキャリッジ１４３に搭載され、このキャリッジ１４３がキャリッジ軸１４２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。つまり、キャリッジ１４３は、低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７と記録媒体１４１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している。

また、このインクジェット式記録装置１４０は、記録媒体１４１を低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７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１４４を備えている。つまり、複数のローラ１４４は、低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７と記録媒体１４１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している。なお、図１２中、Ｚは上下方向である。

そして、低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７がキャリッジ１４３によって主走査方向Ｘに移動しているときに低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７のノズル孔からインクを記録媒体１４１に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ１４４によって記録媒体１４１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。

このように、実施の形態６によるインクジェット式記録装置１４０は、実施の形態５による低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド２７を備えるので、高湿度環境下において良好な印字性能及び耐久性を有することができる。

なお、この明細書では、実施の形態３，４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、本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。特に、例えば（特許文献１）に開示されるディスク装置用薄膜圧電体アクチュエータに好適である。

以上のように、本発明にかかる圧電体薄膜素子は、高湿度環境下において安定して駆動するのに有用であり、特に、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耐久性能を向上させるのに適している。

また、本発明にかかる圧電体薄膜素子のエージング処理方法は、予め圧電体薄膜素子に存在する脆弱な部分を除外し、実際の駆動時に、リークパスの成長を抑制してリーク電流の増大を防ぐのに有用である。

本発明の実施の形態１による低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態２による低湿度周囲環境を有する圧電体薄膜素子の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態３による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図 露点と破壊した素子数との関係を示す図 露点環境と１素子平均のリーク電流との関係を示す図 露点と素子破壊の程度との関係を示すＳＥＭ観察写真を示す図 本発明の実施の形態４による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態５による低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッドの構成を示す斜視図 図８に示すインクジェットヘッド本体の構成を示す斜視図 図９に示すインクジェットヘッド本体の要部構成を示す断面図 図９に示す要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図 本発明の実施の形態６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

１ 圧電体薄膜素子
２ ケース
３ 露点制御手段
４ 導入口
５ 排出口
６ ベース
７ キャップ部材
８ 接着剤
９ 乾燥剤
１０ 圧電体薄膜素子
１１ 基板
１２ 密着層
１３ 第１の電極層（下部電極）
１４ 圧電体薄膜層
１４ａ 化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層
１４ｂ 化学量論組成よりもＰｂ組成量の少ない層
１５ 第２の電極層（上部電極）
１６ 圧電体薄膜素子
１７ バッファー層
１８ 圧電体薄膜層
１８ａ、１８ｂ 化学量論組成よりもＰｂ組成量の多い層
２７ 低湿度周囲環境を有するインクジェットヘッド
２８ ヘッドカバー
２９ ヘッドベース
３０ インクジェットヘッド本体
３１ 導入口
３２ 排出口
１０１ 圧力室開口部
１０２ 圧力室
１０２ａ 区画壁
１０３ 個別電極（第２の電極層）
１０５ 共通液室
１０６ 供給口
１０７ インク流路
１０８ ノズル孔
１１０ 圧電体薄膜層
１１１ 振動層
１１２ 共通電極（第１の電極層）
１１３ 中間層（縦壁）
１１４ 接着剤
１４０ インクジェット式記録装置
１４１ 記録媒体
１４２ キャリッジ軸
１４３ キャリッジ（Ｘ方向での相対移動手段）
１４４ ローラー（Ｙ方向での相対移動手段）
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
Ｅ ＩＣチップ

Claims (16)

1. 所定膜厚の圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚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、近傍雰囲気の露点を−４０℃〜０℃の範囲内に保持する手段を備えていることを特徴とする圧電体薄膜素子。
2. 前記圧電体薄膜層は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に成長した柱状結晶で構成され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。
3. 前記圧電体薄膜層は、粒界が、一方の前記電極層の層面側から略垂直に他方の前記電極層に向かって成長していることを特徴とする請求項２に記載の圧電体薄膜素子。
4. 前記圧電体薄膜層は、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒを含有することを特徴とする請求項２に記載の圧電体薄膜素子。
5. 前記圧電体薄膜層は、Ｐｂ組成比が膜厚方向に異なる値で分布をしていることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜素子。
6. 前記圧電体薄膜層は、ＺｒとＴｉの組成比が膜厚方向に異なる値で分布をしていることを特徴とする請求項４に記載の圧電体薄膜素子。
7. 前記圧電体薄膜層は、膜厚方向の少なくとも一端側に低誘電率層が成膜されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の圧電体薄膜素子。
8. 前記圧電体薄膜層は、スパッタ法、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、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いて成膜され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。
9. 前記近傍雰囲気の露点環境を保持する手段は、前記圧電体薄膜素子の近傍雰囲気に乾燥気体を導入する手段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。
10. 前記近傍雰囲気の露点環境を保持する手段は、
    導入口及び排出口を備え、前記圧電体薄膜素子の周囲に振動を阻害しない程度の空間を確保したケースと、
    前記導入口に露点が−４０℃〜０℃の範囲内にある乾燥気体の供給を継続して行い前記ケース内の内圧を外圧よりも高く保持される状態に制御する手段と
    を備え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。
11. 前記近傍雰囲気の露点環境を保持する手段は、
    前記圧電体薄膜素子の周囲に振動を阻害しない程度の空間であって外部から湿気の侵入を阻止できる密閉空間を形成する封止部材と、
    前記密閉空間の封入され前記圧電体薄膜素子の近傍雰囲気の露点を−４０℃〜０℃の範囲内に維持する乾燥剤と
    を備え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。
12. 請求項２〜７のいずれか一つに記載の圧電体薄膜素子の使用前に、駆動時の露点環境よりも低い露点環境で、駆動電圧よりも高いエージング電圧を印加することを特徴とする圧電体薄膜素子のエージング処理方法。
13. 前記エージング電圧は、直流電圧であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電体薄膜素子のエージング処理方法。
14. 前記低い露点環境は、露点が−４０℃〜０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電体薄膜素子のエージング処理方法。
15. 請求項２〜７のいずれか一つ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層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るインクジェットヘッドであって、
    前記圧電体薄膜素子の近傍雰囲気の露点を−４０℃〜０℃の範囲内に保持する手段
    を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
16. 請求項１５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２〜７のいずれか一つ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。

Images