JP2009054994A - 圧電素子及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体膜を備えた圧電素子において、圧電性能及び動作安定性を高める。
【解決手段】圧電素子１は、基板１１上に、第１の電極２１と、第1の圧電体膜１３と、第2の圧電体膜１４と、第２の電極２３とを順次有し、第1の圧電体膜１３と第2の圧電体膜１４との間に中間電極２２を備える。第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４の膜厚は１０μm以下であり、第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４の、基板１１と反対側の表面及び／又は基板１１側の表面の表面粗さＲａは０．５μm以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子及び圧電素子を用いた液体吐出装置に関するものである。

近年、微細加工技術の進展と相まって、半導体素子のみならず圧電素子に関しても小型化のニーズが高まっている。例えば、電界強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。インクジェット式記録ヘッドにおいて、より高画質化するためには圧電素子の高密度化が必要である。そのためには、加工精度の関係から、圧電素子に用いられる圧電体はできるだけ薄い方が好ましく、従って、膜厚の薄い圧電体膜を備え、且つ圧電性の良好な圧電素子が求められている。特に、高粘度のインクを吐出する用途に用いる場合等は、より高い圧電性能が要求される。

バルク焼結体の圧電体を備えた圧電素子では、2枚の圧電体により中間電極を挟持した構造を有するバイモルフ型の圧電素子が、既存の圧電材料を用いて圧電性能を高めることのできる圧電素子として利用されている。バイモルフ型圧電素子は、所定の電圧を印加することによりそれぞれの圧電体において電圧に比例した歪みを発生するため、圧電体が１枚である通常の圧電素子に比して大きな変位量を得ることができる。このようなバイモルフ型の圧電素子の薄型化においては、圧電性能の安定性や製造効率、信頼性の改善が必要とされている。

特許文献１には、下層圧電体層と上層圧電体層との間に駆動電極を設けたバイモルフ型の圧電素子を振動板の表面に形成された圧電アクチュエータにおいて、上層圧電体層の膜厚を下層圧電体層の膜厚より厚くした圧電アクチュエータが開示されており、圧電体層の層厚が約２０μmのバイモルフ型の圧電素子を用いて得られた圧電アクチュエータにおいて、変形安定性が高められることが記載されている。また、この圧電素子において駆動電極を上層圧電体層で覆う構成にすることにより、空中放電を防止して短絡等による誤動作を防止して信頼性を向上させることが記載されている。

また、特許文献２には、側壁部を含む複数の面によって形成された複数の圧力室の一面を圧電体素子の振動面にて構成し、この圧電素子を振動させることにより圧力室内のインクの圧力を制御して圧力室に連続するノズルから外部にインクを吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、圧電素子が、駆動用内部電極が配置された板状の圧電体の積層体であるインクジェットヘッドの製造方法が開示されている。
特開２００４−９６０６９号公報 特開２００２−２０５４１０号公報

特許文献１に記載の圧電アクチュエータにおいて、圧電素子の圧電体層は段落［０００２］に記載されているように、焼結体を対象としており、［００２２］には、電極まで形成した後に一括焼成することにより製造されることが記載されている。焼結体は、表面粗さが大きく特に特許文献１に記載の圧電体層のように、１０μm程度の膜厚になると均一性のよい焼結体を得ることが難しく、また、焼結体の粒サイズは数μｍ程度あるため表面粗さは大きくなりやすい。

また特許文献２に記載の製造方法により得られる圧電体層も焼結体であり、同様に表面粗さが大きくなりやすい。

圧電体表面の表面粗さが大きい場合には、電界印加時に電極との接触点に電界集中を生じやすく、それにより圧電体が劣化して動作寿命や動作安定性が悪くなる恐れがある。特に膜厚が薄い場合は圧電体劣化による素子動作への影響が生じやすいため、表面粗さはできるだけ小さい値を有していることが好ましく、膜厚１０μm以下においては算術平均表面粗さＲａが０．５μm以下、好ましくは0.1μｍ以下、さらに好ましくは500nm以下である。従って、特許文献１に記載の圧電アクチュエータの圧電素子は、電圧印加により電界集中を生じやすく安定した圧電性能及び信頼性を提供できない恐れがある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電体膜を備えた、圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子を提供することを目的とするものである。

本発明の圧電素子は、基板上に、第1の電極と、第1の圧電体膜と、第2の圧電体膜と、第２の電極とを順次有し、第1の圧電体膜と第2の圧電体膜との間に中間電極を備えてなる圧電素子であって、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜の膜厚が１０μm以下であり、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜の、前記基板と反対側の表面及び／又は前記基板側の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下であることを特徴とするものである。
本明細書において、表面粗さＲａとは、JIS B 0601-2001で示される算術平均表面粗さである。

本発明の圧電素子において、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜は、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜からなることが好ましく、また、（１００）配向又は（１１１）配向の結晶配向性を有することが好ましい。

また、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜は、気相成長法により成膜されたものであることが好ましい。

本発明の圧電素子において、第1の電極及び第２の電極は印加電圧が固定されるグランド電極であり、中間電極は印加電圧が変動されるアドレス電極であることが好ましい。

本発明の圧電アクチュエータは、本発明の圧電素子と、その圧電素子の前記第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜に電界を印加して圧電素子を駆動する駆動ドライバとを備えたことを特徴とするものである。

本発明の圧電アクチュエータは、第1の圧電体膜の下層に、圧電素子を駆動することにより第1の圧電体膜及び第２の圧電体膜に生じる変位を外部に伝える振動板を備えてもよいし、第1の圧電体膜が、この振動板として機能するものであってもよい。

また本発明の圧電アクチュエータは、前記駆動ドライバの出力電圧を２０V以下とすることができる。

本発明の液体吐出装置は、上記本発明の圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータの基板に一体的にまたは別体として設けられた液体吐出部材とを備え、この液体吐出部材が、液体が貯留される液体貯留室と、液体貯留室から外部に液体が吐出される液体吐出口とを有するものであることを特徴とするものである。

本発明の圧電素子は、膜厚が１０μm以下の圧電体膜を用いたバイモルフ型の圧電素子であって、圧電体膜の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下のものである。かかる構成によれば、圧電体膜の電極との接触面の表面粗さＲａが０．５μm以下と小さいため、電界印加時に電界集中を生じにくく、電界集中による圧電体の劣化を抑制することができる。従って、本発明によれば、膜厚が１０μm以下の圧電体膜により圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子を提供することができる。

また、気相成長法により成膜された圧電体膜を備えた構成では、圧電体膜の分極方向がａｓｄｅｐｏ状態において下部から上部に分極されているものが多い。本発明の圧電素子は、バイモルフ型であるため、中間電極をアドレス電極としてプラスドライバによりパラレル駆動させることが可能である。従って、圧電体膜に逆分極処理を施すことなく駆動させることができる。

「圧電素子、インクジェット式記録ヘッド」
図面を参照して本発明に係る実施形態の圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造について説明する。図１は、インクジェット式記録ヘッドの要部断面図、図２は製造工程図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。本実施形態では、中間電極をアドレス電極としてパラレル駆動により駆動させるバイモルフ型の圧電素子を例に説明する。

図１に示されるように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３は、概略、圧電アクチュエータ２の裏面に、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）３１及びインク室３１から外部にインクが吐出されるインク吐出口（液体吐出口）３２を有するインクノズル（液体貯留吐出部材）３０が取り付けられたものである。
インクジェット式記録ヘッド３では、圧電素子１に印加する電界強度を増減させて圧電素子１を伸縮させ、これによってインク室３１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

通常、圧電アクチュエータは圧電素子の基板の裏面に、圧電体層の伸縮により振動する振動板を設けた構成としているが、本実施形態では、振動板を設けずに圧電素子１に駆動ドライバ４０を備えた構成としている。本実施形態の圧電素子１は、第１の圧電体膜１３と第２の圧電体膜１４の２枚の圧電体膜により構成されているので、下層の第１の圧電体膜１３が振動板の機能を兼ねることができる。圧電体膜１３に加えて、電極や基板１１の一部（例えば、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉ熱酸化膜やＳｉ膜）が振動板機能を有していても構わない。

基板１１とは独立した部材のインクノズル３０を取り付ける代わりに、基板１１の一部を加工して基板１１と一体的にインクノズル３０を設けた構成としてもよい。例えば、基板１１を裏面側からエッチングしてインク室３１を形成した後（図２（ｈ））、インク吐出口３２を取り付けることによりインクノズル３０を形成することができる（図２（ｉ））。例えば、基板１１として表面に熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）が形成されたＳｉ基板を用いる場合は、ＳｉＯ_２膜がエッチングストッパ層として機能して良好にエッチングすることができる。基板１１のエッチングは、基板１１の裏面にＡｌ等の金属によりマスクを形成し、そのマスクを用いて行えばよい。

圧電素子１は、基板１１の表面に、下部電極（第1の電極）２１と第1の圧電体膜１３と第2の圧電体膜１４と上部電極（第２の電極）２３とが順次積層された素子であり、第1の圧電体膜１３と第2の圧電体膜１４との間には中間電極２２がパターン形成されている。

第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４は、下部電極２１と中間電極２２と上部電極２３とにより膜厚方向に電界が印加されるようになっている。圧電アクチュエータ２はたわみ振動モードのアクチュエータであるので、中間電極２２はインク室３１毎に駆動電圧を変動可能なように、各圧電体膜と共にパターニングされている。圧電アクチュエータ２には、中間電極２２の印加電圧を変動させる駆動制御を行う駆動ドライバ４０も備えられている。

本実施形態において、第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４は、いずれも自発分極のマイナス側が下部電極２１側であり、自発分極のプラス側が上部電極２３側（＝自発分極が上向き）であるパラレル型である。下部電極２１及び上部電極２３を印加電圧が固定されるグランド（ＧＮＤ）電極とし、中間電極２２を印加電圧が変動されるアドレス電極とすることにより、パラレル駆動させることが可能である。

バイモルフ型ではない通常の圧電素子では、従来下部電極のパターニングが難しいため、下部電極をベタ膜構造としてパターニングを行わず、圧電体層及び上部電極を複数のインク室に応じた分離パターンとし、下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として駆動することが一般的である。

スパッタ法等の気相成長法により成膜された圧電体膜、特にＰＺＴ系圧電体膜は、組成や添加物の材料によっても異なるが、成膜直後の特段の分極処理を行わない状態で通常、自発分極が上向きとなりやすい。一方、駆動ドライバとしては、プラス電圧を印加するプラス出力ドライバが一般的であり、そのため、圧電体層の自発分極が下向き（自発分極のマイナス側が上部電極側であり、自発分極のプラス側が下部電極側）となるように逆分極処理を行い、上部電極をプラス出力ドライバで駆動することが一般になされている。

しかしながら逆分極処理は、圧電体が本来持っている圧電性能が充分に引き出されない恐れがある上、元々上向きの分極を有する圧電体膜に逆分極処理を行うことは非効率的である。

本実施形態の圧電素子１は、上記のように中間電極２２をアドレス電極としてパラレル駆動が可能である。従って気相成長法により得られた上向きの自発分極を有する圧電体膜を、逆分極処理を施すことなく、かつ、プラス出力の駆動ドライバにより駆動可能とすることができる。

また、下部電極２１はインク室３１に近接して形成されているため、グランド電極であることが好ましい。下部電極２１がアドレス電極であると、高周波電界をかけた場合にインク室３１の周りに電界がかかりやすくインク室３１内のインクが電気分解する恐れがある。かかる構成とすることにより、インクを変質させることなく駆動させることができる。

以下に、本実施形態の圧電素子１及び圧電アクチュエータ２の製造工程の一例を示す。
まず、基板１１を用意し、基板１１上に下部電極２１、その上に第１の圧電体膜１３を形成する（図２（ａ））。

基板１１としては特に制限なく、シリコン，ガラス，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），ＳｒＴｉＯ_３，アルミナ，サファイヤ，及びシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。振動板を有する構成とする場合は、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜とＳｉ活性層とが順次積層された高価なＳＯＩ基板を用い、Ｓｉ層を振動板とする構成が多いが、本実施形態では、振動板を必要としないためＳＯＩ基板を用いる必要がなく、また、あらたに振動板を設ける必要もないことから、小型化及び低コスト化ができ好ましい。

また、基板１１を、格子整合性を良好にするためのバッファ層１２を設けたものとしてもよい。例えば、熱酸化膜つきＳｉ基板を用いれば、熱酸化膜がバッファ層１２として機能し、格子不整合等による欠陥を抑制することができる。

下部電極２１としては、特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，ＬａＮｉＯ_３，及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物及びこれらの組み合わせ、また、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｔａ等の非貴金属及びこれらの合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とするもの、及びこれらの組合せ等が挙げられる。

下部電極２１の成膜方法は特に制限なく、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、及びプラズマＣＶＤ法等のプラズマを用いる気相成長法等が挙げられる。

下部電極２１の厚みは特に制限ないが、厚すぎると電極自体に剛性を有して圧電体膜の変位を制限してしまう恐れがあるため、３００ｎｍ以下であることが好ましい。

また、下部電極２１を形成する前に、電極と基板との密着性を良好にするための密着層を設けても構わない。例えば、Ｓｉ基板上にＩｒ電極を形成する場合には、密着層としてはＴｉ密着層を用いることができる。

第1の圧電体膜１３としては特に制限なく、ペロブスカイト型酸化物からなるもの（不可避不純物を含んでいてもよい。）が挙げられ、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなるものが好ましい。
一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素元素。
ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）

上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物；
及び、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。
第1の圧電体膜１３は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。

本発明は、下記一般式（Ｐ−１）で表されるＰＺＴ又はそのＢサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Ｐｂ_ａ（Ｚｒ_ｂ１Ｔｉ_ｂ２Ｘ_ｂ３）Ｏ_３・・・（Ｐ−１）
（式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ＝１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）

圧電素子の小型化という点で、圧電体膜１３の膜厚は薄い方が好ましく、本実施形態では１０μm以下である。例えばピエゾ素子の用途では、実質上１μm以上５μm以下であることが好ましい。圧電体膜１３の成膜方法は特に限定されないが、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、及びプラズマＣＶＤ法等のプラズマを用いる気相成長法が好ましい。

膜厚が１０μm以下の圧電体膜１３は、例えばスクリーン印刷法によっても作製可能であるが、かかる膜厚の場合は、均一性が悪く、圧電体膜表面の表面粗さRaが大きくなりやすい。図３は、スクリーン印刷により作製された厚さ７μm程度のＰＺＴ焼結体を圧電体膜として用いたバイモルフ型の圧電素子の厚み方向のSEM像であり、図からもその均一性の悪さを確認することができる。

背景技術の項において述べたように、圧電体膜表面の表面粗さRaが大きい場合には、電界印加時に電極との接触点に電界集中を生じやすく、それにより圧電体が劣化して動作寿命や動作安定性が悪くなる恐れがある。特に膜厚が薄い場合は圧電体劣化による素子動作への影響が生じやすいため、表面粗さはできるだけ小さい値を有していることが好ましい。本実施形態において、圧電体膜１３の基板１１側の表面及び基板１１と反対側の表面の両方の表面粗さができるだけ小さい値を有していることが好ましいが、少なくとも基板１１と反対側の表面の表面粗さができるだけ小さい値を有していればよい。

圧電素子１は、膜厚を１０μm以下としているので、表面粗さＲａが０．５μm以下であれば動作特性に影響を与えるような電界集中を生じる恐れがない。気相成長法によって成膜された圧電体膜は、膜厚が１０μm以下であっても高い均一性を有し、また表面粗さRaも０．５μm以下のものを容易に得ることが可能であるため好ましい。

圧電体膜では、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、電界誘起歪による圧電効果が効果的に得られる。したがって、第1の圧電体膜１３としては自発分極軸方向のばらつきの少ない結晶配向膜が好ましい。

第1の圧電体膜１３の結晶構造は特に制限なく、ＰＺＴ系では、正方晶系、菱面体晶系、及びこれらの混晶系が挙げられる。例えば、ＭＰＢ組成のＰｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３であれば、成膜条件によって、正方晶単晶構造、正方晶と菱面体晶との混晶構造、あるいは菱面体単晶構造が得られる。

本実施形態において、第1の圧電体膜１３は、自発分極が上向きであることを述べた。逆分極処理は圧電性能を充分に引き出せない恐れがあるため、成膜直後の特段の分極処理を行わない状態で、圧電体層１３は、自発分極が上向きであることが好ましい。

例えば、菱面体晶相を含む系（正方晶と菱面体晶との混晶系、あるいは菱面体晶系）であれば、第1の圧電体膜１３は（１００）配向又は（１１１）配向の結晶配向性を有することが好ましい。菱面体晶の自発分極軸方向は＜１１１＞であるため、（１００）配向のときでも自発分極は上向きのベクトル成分を有することとなる。気相成長法により成膜された圧電体膜１３は、ある成膜条件では基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜となり、既に述べたように上向きの自発分極を有するものとなりやすく、好ましい。

次に、中間電極２２をパターン形成する。中間電極２２としては、上記下部電極２１と同様のものが例示できるが、中間電極２２はパターニング性の良好なものであることが好ましい。中間電極２２のパターニング方法は制限されないが、本実施形態ではリフトオフ法により形成する。

まず電極材料を成膜する前に、中間電極２２の非パターン形成領域に、リフトオフによって選択的に除去可能な犠牲層２２ｓを転写成型法等によりパターン形成し（図２（ｂ））、その上に中間電極２２の構成材料を全面成膜（２２ｘ）した後（図２（ｃ））、リフトオフにより犠牲層２２ｓ上の不要部分を除去して中間電極２２を得る（図２（ｄ））。

本実施形態において中間電極２２の成膜方法は、下部電極２１と同様の方法が挙げられる。気相成長法により成膜された中間電極２２は、第1の圧電体膜１３と同様、ある成膜条件では基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜となる。柱状構造膜は、リフトオフによるパターニングにおいて隣接する柱状体同士が機械的に分離されやすいため、柱状体の側面で切れやすい。従って、リフトオフ法により、切断面の形状が良好で均一性の高いパターニングをすることができる。

リフトオフは、熱処理により犠牲層２２ｓを酸化して剥離する方法、あるいは犠牲層２２ｓが可溶な有機溶剤により溶解させる方法等により実施することができる。リフトオフ条件は、犠牲層の構成材料に応じて適宜設計すればよい。

次に、第２の圧電体膜１４を形成し（図２（ｅ））、更に上部電極２３をパターン形成した後（図２（ｆ））、アクセスホール１４ｈを形成して圧電素子１を得る。第２の圧電体膜１４としては、第１の圧電体膜１３と同様のものが挙げられ、好ましい膜厚や表面粗さ、成膜方法も第１の圧電体膜１３と同様である。

上部電極２３としては、中間電極２２と同様のものが挙げられ、好ましい厚みや成膜方法も中間電極２２と同様である。上部電極２３は、所定の場所にパターン形成され、パターニング方法等は中間電極２２と同様の方法が挙げられる。

アクセスホール１４ｈは、第１の圧電体膜１３を駆動させるために中間電極２２への配線可能とするものであり、後記する上部電極２３を形成した後、アクセスホール１４ｈのエッチングパターンをフォトリソグラフィにより形成し、そのエッチングパターンを利用してウエットエッチング等により形成すればよい（図２（ｇ））。

最後に、配線を施して駆動ドライバ４０を設けて圧電アクチュエータ２とする。駆動ドライバ４０は、プラス出力ドライバである。本実施形態では、圧電体膜１３，１４はいずれも上向きの分極方向を有しているパラレル型であり、抗電界を超えない範囲で駆動ドライバ４０を駆動させて電界を印加させると、下部電極２１と中間電極２２との間には分極方向に対して逆方向の電界がかかるため、下層の第１の圧電体膜１３は厚み方向に対して縮み、一方、上部電極２３と中間電極２２との間には、順方向の電界がかかるため、上層の第２の圧電体膜１４は厚み方向に延びる。従って、圧電体素子１では、圧電体膜１３，１４の２層分の変位の合計の変位を得ることができる。

このように、圧電素子１は１層構造の圧電素子において得られる変位より大きな変位が得られるため、圧電素子１を備えた圧電アクチュエータ２は、駆動ドライバ４０を安価な低電圧ドライバとすることができ、例えば、出力電圧が２０Ｖ以下のドライバを用いても、高い圧電性能を得ることが可能である。出力電圧を低くすることができれば、圧電体膜の疲労を抑制し、耐久性も向上させることができる。

本実施形態の圧電素子１は、膜厚が１０μm以下の圧電体膜１３，１４を用いたバイモルフ型の圧電素子であり、圧電体膜１３及び１４の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下のものである。かかる構成によれば、圧電体膜１３，１４の電極との接触面の表面粗さＲａが０．５μm以下と小さいため、電界印加時に電界集中を生じにくく、電界集中による圧電体膜１３，１４の劣化を抑制することができる。従って、本発明によれば、膜厚が１０μm以下の圧電体膜により圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子１を提供することができる。

また、気相成長法により成膜された圧電体膜１３，１４を備えた構成では、圧電体膜１３，１４の分極方向がａｓｄｅｐｏ状態（as-deposited：成膜直後の状態）において下部から上部に分極されているものが多い。本実施形態の圧電素子１は、バイモルフ型であるため、中間電極２２をアドレス電極としてプラスドライバによりパラレル駆動させることが可能である。従って、圧電体膜１３，１４に逆分極処理を施すことなく駆動させることができる。

「インクジェット式記録装置」
図４及び図５を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図４は装置全体図であり、図５は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図４のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図４上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図４の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図５を参照）。各印字ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

「設計変更」
上記実施形態では、第１の圧電体膜１３及び第２の圧電体膜１４の分極方向が上向きであるパラレル駆動の圧電素子について説明したが、圧電体の分極方向及び駆動方法はこれに制限されない。例えば、図６に示されるように、中間電極２２をＧＮＤ電極とした構成とすることもできる。このように、下部電極、中間電極、上部電極に印加する電圧と圧電体の分極方向を選ぶことで適切な駆動方向を選ぶことが可能となる。

また、中間電極２２等のパターニングをリフトオフ法により実施したが、フォトリソグラフィ法等を用いてもよい。フォトリソグラフィ法も用いる場合は、エッチング性が良好であり、ウエットエッチングにより容易にパターニングが可能であることが好ましい。かかる中間電極２２としては、Ｆｅ及び／又はＦｅ合金を主成分とするものが挙げられ、ステンレス（ＳＵＳ）が特に好ましい。

また、上記実施形態では、第１の電極を下部電極とし、第２の電極を上部電極とした構成の圧電素子としたが、第１の電極を上部電極とし、第２の電極を下部電極としても構わない。

圧電アクチュエータ２において振動板を設けない構成としたが、振動板を設けた構成としてもよい。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
熱酸化膜つきＳｉ基板を用意し、スパッタ法によりＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）、次いでＩｒ下部電極（膜厚１５０ｎｍ）を基板温度１５０℃にて成膜した。次に、真空度０．５Ｐａ、Ａｒ／Ｏ_２混合雰囲気（Ｏ_２体積分率１．０％）、基板温度４８０℃、ｒｆパワー５００Ｗの条件下で、Ｐｂ_１．３（（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_０．９Ｎｂ_０．１）Ｏ_３のターゲット（１２０φ）を用いて、膜厚５μmのＮｂドープＰＺＴ（以下、Ｎｂ−ＰＺＴとする）からなる第１の圧電体膜の成膜を行った。得られた膜のＸＲＤパターンを図７に示す。図７に示されるように、得られた膜は（１００）配向の結晶配向性を有する膜（配向度９０％以上）であった。

このＰＺＴ膜の圧電定数ｄ_３１を片持ち梁にて測定したところ、ｄ_３１＝２５０ｐｍ／Ｖであった。また、分極方向を調べたところ、自発分極のマイナス側が下部電極側であり、プラス側が上部電極側である分極方向を有していた。

次いで、得られた膜上の中間電極の非パターン形成部分に犠牲層としてリフトオフ用レジスト（AZエレクトロニックマテリアルズ製、AZ-5214）を形成し、その上にＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）Ｉｒ電極層（膜厚１５０ｎｍ）を基板温度１２０℃にて成膜した後、リフトオフ法にて不要部分を除去してＩｒ中間電極を得た。

次に、第１の圧電体膜と同様に第２の圧電体膜を成膜し、中間電極と同様にリフトオフ法によりＴｉ密着層及びＩｒ上部電極をパターン形成した。上部電極のサイズは１３０×６８０μmとした。

最後に、Ｓｉ基板の裏面に膜厚３００ｎｍのＡｌ膜を形成してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてインク室のパターニングマスクとし、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）により、Ｓｉ基板を熱酸化膜に到達するまでエッチングしてインク室を形成し、更にインク吐出口を有するインクノズルとを形成して、１８０×７２０μmのダイアフラム構造のインクジェット式記録ヘッドを得た。

得られたインクジェット式記録ヘッドを、中間電極をアドレス電極、下部電極及び上部電極をグランド電極として、出力電圧１６Vのプラス出力ドライバを用いて３０KHｚの矩形波を印加して駆動したところ、約２００ｎｍの変位が観測され、良好に駆動することが確認された。

（比較例１）
基板としてＳＯＩ基板を用いた以外は実施例１と同様にして下部電極及びＮｂ−ＰＺＴ膜を成膜し、この膜の上にＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）及びＩｒ上部電極（膜厚１５０ｎｍ）を実施例１の中間電極と同様にしてリフトオフ法によりパターン形成した。

更に実施例１と同様にしてＳＯＩ基板の裏面からＲＩＥによりＳｉを振動板の厚みまでエッチングして１８０×７２０μmのダイアフラム構造のインクジェット式記録ヘッドを得た。

得られたインクジェット式記録ヘッドを、下部電極をアドレス電極、上部電極をグランド電極として、実施例１と同様の条件で駆動したところ、約１２０ｎｍの変位が観測され、実施例１の６０％程度の変位しか得られなかった。

本発明の圧電素子は、インクジェット式記録ヘッド，磁気記録再生ヘッド，ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）デバイス，マイクロポンプ，超音波探触子等に搭載される圧電アクチュエータ、及び振動板等に好ましく利用できる。

本発明に係る実施形態の圧電素子及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す要部断面図 図１のインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図 スクリーン印刷により作製された厚さ約７μmのＰＺＴ焼結体を用いて作製したバイモルフ型圧電素子の厚み方向ＳＥＭ像 図１のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図 図４のインクジェット式記録装置の部分上面図 中間電極をグランド電極とした場合のインクジェット式記録ヘッドの構成を示す図 実施例１のＰＺＴ−Nb膜のＸＲＤパターン

符号の説明

１ 圧電素子
２ 圧電アクチュエータ
３，３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙ インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）
２１ 下部電極（第１の電極）
１３ 第１の圧電体膜
１４ 第２の圧電体膜
２２ 中間電極
２３ 上部電極（第２の電極）
４０ 駆動ドライバ
３０ インクノズル（液体貯留吐出部材）
３１ インク室（液体貯留室）
３２ インク吐出口（液体吐出口）
１００ インクジェット式記録装置

Claims (10)

1. 基板上に、第1の電極と、第1の圧電体膜と、第２の圧電体膜と、第２の電極とを順次有し、前記第1の圧電体膜と前記第２の圧電体膜との間に中間電極を備えてなる圧電素子であって、
   前記第１の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜の膜厚が１０μm以下であり、
   該第1の圧電体膜及び該第２の圧電体膜の、前記基板と反対側の表面及び／又は前記基板側の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下であることを特徴とする圧電素子。
2. 前記第1の圧電体膜及び第２の圧電体膜が、前記基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記第1の圧電体膜及び／又は前記第2の圧電体膜が、（１００）配向又は（１１１）配向の結晶配向性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 前記第1の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜は気相成長法により成膜されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子。
5. 前記第1の電極及び前記第２の電極は印加電圧が固定されるグランド電極であり、前記中間電極は印加電圧が変動されるアドレス電極であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子と、該圧電素子の前記第1の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜に電界を印加して前記圧電素子を駆動する駆動ドライバとを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
7. 前記第1の圧電体膜の下層に、前記圧電素子を駆動することにより前記第1の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜に生じる変位を外部に伝える振動板を備えたことを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記第1の圧電体膜が、前記圧電素子を駆動することにより前記第1の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜に生じる変位を外部に伝える振動板として機能するものであることを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記駆動ドライバの出力電圧が２０V以下であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
    該圧電アクチュエータの前記基板に一体的にまたは別体として設けられた液体吐出部材とを備え、
    該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口とを有するものであることを特徴とする液体吐出装置。