JP2013080887A - 圧電体素子及びその製造方法、並びに液体吐出ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の圧電体薄膜を積層して形成される圧電体素子における膜の密着性を高めて剥離を防止し、耐久性、信頼性を高めるとともに変位効率（駆動効率）を向上させる圧電体素子を提供する。
【解決手段】基板30上に、第１の電極32が形成され、その上に第１の圧電体膜34が形成される。さらに第１の圧電体膜34の上に拡散ブロック層として機能する金属酸化物膜36が積層され、その上に金属膜38が積層して形成される。金属膜38の上に第２の圧電体膜76が形成され、その上に第２の電極46が積層して形成される。第１の圧電体膜34の分極方向と第２の圧電体膜44の分極方向は互いに異なる。第１の電極32と第２の電極46を接地電位とし、金属膜38を含む中間電極40をドライブ電極とすることができる。各層の圧電体膜を互いに異なる組成で構成することができる。中間層40の厚みと応力値の積は１００Ｎ／ｍ２未満であることが好ましい。
【選択図】図８

Description

本発明は圧電体素子及びその製造方法に係り、特にアクチュエータなどの各種用途に利用される圧電体薄膜材料を使った圧電体素子及びその製造技術、並びにこれを用いた液体吐出ヘッドに関する。
特許文献１には、圧力センサ用途に複数の圧電膜を積層した構成が開示されている。この圧力センサは、基板上に電極層と圧電膜とが交互に積層され、２層以上の圧電膜を備えた圧電膜積層体として構成されている。電極には、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｒｕ（ルテニウム）などの材料が用いられ（特許文献１の段落００３４）、各層の圧電膜はスパッタ法によって形成される（同文献１の段落００７７）。
特許文献２には、白金またはパラジウムを電極としたバイモルフ構造体の圧電アクチュエータが提案されている。同文献２の段落００１８及び図３によれば、外部電極としての白金電極上に圧電性薄膜（ＰＺＴ薄膜）が形成され、その上に内部電極として白金電極が形成され、さらにその上に別のＰＺＴ薄膜と白金電極（外部電極）が積層して形成された構成となっている。
特許文献３には、スパッタ法などの薄膜技術を用いて圧電体と導電体を交互に積層して製造される積層型アクチュエータ素子とその配線方法が提案されている。同文献３においても、圧電体の材料や電極（白金、アルミニウム、金、銀）の材料に関して一般的な材料が開示されている。
特許文献４には、一対の電極と、その間に設けられた圧電体部とを有する圧電素子において、その圧電体部の中に分極方向が互いに反転した状態の第１の圧電薄膜と第２の圧電薄膜とを有する構成が開示されている。これは、基板温度を異ならせて第１の圧電薄膜と第２の圧電薄膜とを連続的に形成し、圧電体部の厚さ方向で組成を変えることで薄膜バイモルフ構造を実現したものである。
特開２００９−１３９３３８号公報 特開平８−１１６１０３号公報 特開平９−１８１３６８号公報 特開２００１−７７４３８号公報
特許文献１から３に記載のように、スパッタ法によって圧電体薄膜を形成し、電極と圧電体膜とを交互に積層して形成する構成が知られている。しかし、これら文献に開示されている一般的な電極材料、圧電体材料を用いて、従来の方法で複数の圧電体膜を積層形成すると、電極が剥離したり、圧電体が剥離したりするという問題があり、実際には圧電薄膜によってこのような積層構造を形成することは困難であった。
例えば、引用文献２のように、白金またはパラジウム電極を中間層（内部電極）とした場合、圧電体の形成時に膜の剥離が生じたり、クラックが生じたりする懸念があった。
他の具体的な例を述べると、基板温度を３５０℃以上６５０℃以下とする気相成長を用いた圧電体薄膜の形成（基板温度は気相成長にて直接圧電体材料が結晶成長する温度）において、圧電体を形成した後に、通常の条件下でＰｔやＩｒ（イリジウム）などの電極を形成し、その後、当該電極上に圧電体を形成すると、電極が剥離したり、圧電体が剥離したりするという問題があった。
また、このような剥離等が発生しない場合であっても、成膜後の膜の密着性が悪く、デバイスとしての耐久性に課題があった。密着性を向上させるために、Ｔi（チタン）などの密着層を用いても、実際には圧電体が剥離してしまうという問題があった。
特許文献４に開示された構成は、圧電体部の内部（第1の圧電薄膜と第２の圧電薄膜との間）に中間電極が存在しない。同文献４には、第１の圧電薄膜と第２の圧電薄膜との間に電極材料であるＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ等の電極膜を形成してもよい旨の記載があるが、上記した剥離の問題や密着性の低下による耐久性の課題に関する言及がない。
また、上記課題の他、圧電体素子をアクチュエータ等として利用する場合、駆動回路（ドライバ）の負担低減等の観点から、できるだけ低電圧の駆動電圧の印加によって大きな変位を得ることが望まれる。
この点、特許文献４には、駆動方法や駆動電圧の印加方法に関する記載がなく、駆動回路の負担低減等の観点は示されていない。また、特許文献４の方法のように中間電極のない構造であると、アクチュエータとして同じ変位を出すために必要な電圧は、単相のものと同じになり、駆動電圧が下がるといった効果がない。また、分極の異なる圧電体が直接接していることにより、界面の分極状態が不安定になり、圧電体の分極状態の安定性が悪い。さらに、圧電体が脱分極した際に、再分極する手段がないなどの課題がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、複数の圧電体薄膜を積層して形成される積層体における膜の密着性を高めて剥離を防止し、耐久性、信頼性の高い圧電体素子を提供するとともに、変位効率（駆動効率）のよい圧電体素子を提供することを目的とする。また、このような圧電体素子を製造することできる製造方法を提供することを目的とし、併せてかかる圧電体素子を用いた液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明に係る圧電体素子は、基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上に積層して形成された第１の圧電体膜と、前記第１の圧電体膜の上に積層して形成された金属酸化物膜と、前記金属酸化物膜の上に積層して形成された金属膜と、前記金属膜の上に積層して形成された第２の圧電体膜と、前記第２の圧電体膜の上に積層して形成された第２の電極と、を備え、前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向とが異なることを特徴とする。
第１の圧電体膜の上に積層される金属酸化物膜は、拡散ブロック層として機能し、圧電体材料の成分や酸素原子が金属膜に拡散するのを抑止する。このため金属膜の構造変化や密着性の低下が防止され、複数の圧電体膜を金属酸化物膜及び金属膜の積層物（中間層）を介して積層して形成することができる。
第１の圧電体膜と第２の圧電体膜との間に設けられた金属膜は中間電極として利用される。金属酸化物膜として導電性材料が用いられる場合、この金属酸化物膜と金属膜とを含んで中間電極が構成される。本発明の圧電体素子によれば、第１の電極と第２の電極とを接地電位とし、中間電極に駆動電圧を印加する構成を採用できる。このような構成は駆動回路（ドライバ）の負担が少なく、低電圧の駆動電圧の印加によって大きな変位を得ることができる。
他の発明態様については、本明細書及び図面の記載により明らかにする。
本発明によれば、従来の積層体で課題となっている膜の剥離や密着性の低下を防止することができ、複数の圧電体膜を積層構造で形成することができる。これにより、耐久性、信頼性の高い圧電体素子を得ることができる。また、本発明の圧電体素子によれば、変位効率の向上を実現でき、駆動回路の負担が少ない、低電圧の駆動電圧による駆動が可能である。
本発明の実施形態に係る圧電体素子の構成例を示す断面図 第１実施例に係る圧電体素子の製造プロセスを示す説明図 第１実施例に係る圧電体素子の製造プロセスを示す説明図 第１実施例によって作製された圧電体膜の積層体の構成を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の図 第１実施例により作製された圧電体膜のＸ線回折（ＸＲＤ）特性を示す図 第１実施例により作製された圧電体素子（デバイス）の構成図 中間層の厚みと剥離の関係を調べた実験結果をまとめた図表 第２実施例に係る圧電体素子（デバイス）の構成図 第１実施例、第２実施例及び比較例２についての分極方法と駆動電圧をまとめた図表 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面図
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。
＜実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る圧電体素子の構成例を示す断面図である。図１に示した圧電体素子１０は、支持体としての基材１２の上に、第１の電極１４が形成され、さらにその上に第１の圧電体膜１６が形成され、さらにその上に金属酸化物膜１８、金属膜２０、第２の圧電体膜２２、及び第２の電極２４がこの順で積層して形成された積層構造体として構成されている。
なお、図１その他の図面に示す各層の膜厚やそれらの比率は、説明の都合上、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない。また、本明細書では、積層構造を表現するにあたり、基材１２の表面から基材厚み方向に離れる方向を「上」として表現する。図１では基材１２を水平に保持した状態で基材１２の上面に、第１の電極１４その他の各層（１４〜２４）が順次重ねられている構成となっているため、重力の方向（図１の下方）を下方向としたときの上下の関係と一致している。ただし、基材１２の姿勢を傾けたり、反転させたりすることも可能である。基材１２の姿勢に依存する積層構造の積み重ね方向が必ずしも重力の方向を基準とする上下方向と一致しない場合についても、積層構造の上下関係を混乱なく表現するために、基材１２の面を基準にして、その面から厚み方向に離れる方向を「上」と表現する。例えば、図１の上下を反転させた場合であっても、基材１２上に第１の電極１４が形成され、その上に第１の圧電体膜１６が積層されるという表現で記述される。
図１に示した圧電体素子１０は、金属酸化物膜１８と金属膜２０とが積層されてなる中間層２６を挟んで２層の圧電体膜（第１の圧電体膜１６と第２の圧電体膜２２）が積層される構成を有し、これら２層の圧電体膜（１６、２２）の下面に第１の電極１４が形成され、最上面に第２の電極２４が形成された構成となっている。
ここでは、２層の圧電体膜（１６、２２）を例示しているが、本発明の実施に際しては、中間層（符号２６と同等のもの）を介在させながら、３層以上さらに多数の圧電体膜を積層する形態も可能である。その場合、図１の第２の電極２４に代えて、中間層（符号２６と同等のもの）が形成され、圧電体膜と中間層が順次交互に積層される積層構造体となる。圧電体膜を重ねる段数（積層数）をｎとすると（ｎは２以上の整数）、中間層は（ｎ−１）層形成されることになる。そして、最上層（ｎ層目）の圧電体膜の上に、符号２４のような第２の電極が形成される。
基材１２の材料は、特に限定されず、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、セラミックなど、様々な材料を用いることができる。シリコン、酸化シリコン、ステンレス（ＳＵＳ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、ＳｉＣ、及びＳｒＴｉＯ３等の基板が挙げられる。また、基材１２としては、シリコン基板上にＳｉＯ２膜とＳｉ活性層とが順次積層されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。
第１の電極１４には、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミミウム）、Ｍｏ（モリブデン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ａｕ（金）、銀（Ａｇ）などの材料を用いることができる。特に、第１の電極１４は、白金族の金属を含む構成が好ましい。また、基材１２との密着性を高めるために、密着層としてＴｉやＴｉＷなどを用いる構成が好ましく、この密着層の上に白金族の金属を積層して形成する態様がさらに好ましい。
第２の電極２４についても、第１の電極１４と同様に、各種の材料を用いることができる。特に、第２の電極２４は、白金族或いは銅族の金属を含む構成が好ましい。また、密着層としてＴｉやＴｉＷなどの密着層の上に白金族の金属を積層して形成する態様がさらに好ましい。第１の電極１４と第２の電極２４は、同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。例えば、第１の電極１４はＴｉＷ／Ｐｔの積層構造とし、第２の電極２４はＴｉＷ／Ａｕの積層構造とすることができる。第１の電極１４と第２の電極２４の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。
金属酸化物膜１８は、１層目の圧電体膜（符号１６）からの酸素原子や圧電体材料成分の拡散反応をブロックする拡散ブロック層としての役割を果たす。金属酸化物膜１８は、導電体であってもよいし、絶縁体であってもよい。金属酸化物膜１８には、白金族の酸化物を含む構成、或いはチタン属の酸化物を含む構成を採用することが好ましい。例えば、金属酸化物膜１８として、Ｉｒの酸化物（「ＩｒＯｘ」或いは「Ｉｒ−Ｏ」と表記する。）、或いは、Ｔｉの酸化物（ＴｉＯやＴｉＯ２など）を採用することができる。
金属酸化物膜１８上に重ねて形成される金属膜２０は、２層目の圧電体膜（符号２２）を気相成長（スパッタ法等）によって形成するために有益な役割を果たす。本実施形態に用いられる圧電体膜は、酸化物の上に成長しにくく、金属上に成長しやすい。したがって、金属酸化物膜１８の上に金属膜２０を形成し、この金属膜２０の上に圧電体膜（第２の圧電体膜２２）を形成する構成が好ましい。金属膜２０の材料は、特に限定されないが、例えば、Ｉｒ、Ｐｒなどの白金族に属する金属を含むものであることが好ましい。
金属酸化物膜１８と金属膜２０とを積層してなる中間層２６は中間電極として利用することができる。中間層２６を中間電極として利用する場合、金属酸化物膜１８は導電体材料で構成されることが好ましい。金属酸化物膜１８として絶縁体材料を用いた場合であっても、金属膜２０の部分を中間電極として利用することができる。
中間層２６の構造は、アモルファスでも結晶でもかまわない。また、中間層２６の表面粗さや膜の構造（柱状構造や粒状など）は特に限定されない。さらには、結晶の方位や配向性にもこだわらない。中間層２６は酸化物（金属酸化物膜１８）を含む構成であることが好ましいが、窒素を含んでいてもよい。
第１の圧電体膜１６及び第２の圧電体膜２２は、気相成長法にて基板温度を上げて成膜中に結晶化させる方法で形成される。酸化物圧電体であれば、特に材料は限定されない。第１の圧電体膜１６と第２の圧電体膜２２は、同じ材料（組成）であってもよいが、異なる材料とすることができる。本発明の実施に際しては、第１の圧電体膜１６と第２の圧電体膜２２とで組成を異ならせることが好ましい。
例えば、第１の圧電体膜１６と第２の圧電体膜２２のうち、一方の圧電体膜はＮｂ（ニオブ）をドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成し、他方の圧電体膜はＮｂをドープしないＰＺＴで構成することができる。
また、第１の圧電体膜１６（１層目）の分極方向と、第２の圧電体膜２２（２層目）の分極方向は異なっている。例えば、１層目は分極方向が下向き（中間電極から下部電極に向かう方向）、２層目は分極方向が上向き（中間電極から上部電極に向かう方向）となっている。１層目の分極方向を上向き、２層目の分極方向を下向きとする形態も可能である。また、１層目の分極方向と２層目の分極方向とが互いに平行で逆向きである関係に限らず、分極方向を直交させるなど、各層の分極方向が非平行となる関係もあり得る。
所望の分極状態を得るために、圧電体膜を挟む対向電極間に電圧を印加するなどの方法により分極処理が行われる。分極処理は、加熱を伴ってもよい。また、分極処理の方法として、コロナ法などの方式を採用してもよい。なお、成膜時の分極状態をそのまま利用することができる場合には、分極処理を省略できる。
＜剥離原因の究明＞
従来の技術で圧電体膜と電極とを交互に積層する積層構造体を製造する場合に、電極等の剥離が発生する原因を鋭意調査したところ、圧電体を成膜するときの成膜温度にて、圧電体材料から酸素原子や圧電体材料成分（例えばＰＺＴ材料であれば、Ｐｂなど）が電極に拡散し、電極材料の構造変化や密着性低下を引き起こし、剥離することが解った。
電極等の剥離を防止して耐久性の高いデバイスを得るためには、基板上に形成されている圧電体膜における圧電体材料の成分が電極層に拡散することを阻止（ブロック）することが有益であり、特に酸素原子のブロックが重要であることが判明した。
以上の知見から、本発明の実施形態においては、１層目の圧電体膜（第１の圧電体膜１６）を形成した後に、当該圧電体膜（１６）の上に拡散ブロック層としての金属酸化物膜１８を形成し、この金属酸化物膜１８によって１層目の圧電体膜（第１の圧電体膜１６）からの拡散反応をブロックする。そして、当該金属酸化物膜１８の上に金属膜２０を形成し、この金属膜２０上に２層目の圧電体膜（第２の圧電体膜２２）を形成する。つまり、１層目の圧電体膜と２層目の圧電体膜との間に、金属酸化物膜と金属膜とを積層してなる中間層を介在させ、この中間層を挟んで圧電体膜を積層して形成する。このような工程の繰り返しによって、強固な密着性を持って複数層の圧電体膜を積層することができる。
＜第１実施例＞
図２及び図３は第１実施例に係る圧電体素子の製造プロセスを示す図である。
（工程１）：まず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０を準備する（図２（ａ））。ＳＯＩ基板３０は、ハンドル層としてのＳｉ層３０１と、絶縁層（ＢＯＸ層）としての酸化膜層（ＳｉＯ２）層３０２と、デバイス層としてのＳｉ層３０３とが積層された構成を有する。ＳＯＩ基板３０に代えて、通常のシリコン基板（Ｓｉウエハ）を用いることも可能である。
（工程２）：ＳＯＩ基板３０のＳｉＯ層３０３の上に（図１において上面に）、スパッタ法にてＴｉＷを膜厚２０ｎｍ形成し、その上に重ねてＩｒを膜厚１５０ｎｍ形成した。このＴｉＷ（２０ｎｍ）／Ｉｒ（１５０ｎｍ）の積層膜が下部電極３２となる（図２（ｂ））。
（工程３）：その後、下部電極３２の上に、第１の圧電体膜としての真性ＰＺＴ薄膜３４を５００℃の成膜温度にてスパッタ法により、２μｍの膜厚で形成した（図２（ｃ））。
ＰＺＴ薄膜３４の成膜には、高周波（ＲＦ；radio frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いた。真空度０．５Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率２．５％）の条件下で、Ｐｂ1.3Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3のターゲットを用いて、ＰＺＴ膜を成膜した。
（工程４）：さらにこのＰＺＴ薄膜３４の上に、３５０℃の成膜温度にてスパッタ法によりＩｒ−Ｏ膜３６を５０ｎｍの膜厚で形成した（図２（ｄ））。
（工程５）：さらにこのＩｒ−Ｏ膜３６の上に、Ｉｒ膜３８を２０ｎｍの膜厚で形成した（図２（ｅ））。Ｉｒ−Ｏ膜３６とＩｒ膜３８の積層膜（符号４０）が「中間電極」に相当し、「中間層」に相当する。
Ｉｒ−Ｏ膜３６の形成条件としては、Ｉｒターゲットを用いた反応性スパッタ法にて、圧力０．５Ｐａ、５０％Ａｒと５０％Ｏ２の混合ガスにて行った。また、Ｉｒ膜３８については、Ｉｒ−Ｏ膜３６の形成後、Ａｒガスのみで成膜することによって得た。
Ｉｒ−Ｏ膜３６は１層目のＰＺＴ薄膜３４からのＰｂ拡散ブロックや酸素拡散ブロックの役割を果たす。また、Ｉｒ−Ｏ膜３６上に形成されるＩｒ膜３８は、中間電極の抵抗値を下げるために、また次層のＰＺＴの成長を初期（１層目の）ＰＺＴの成長と同じ条件で行うために挿入した。Ｉｒ−Ｏ膜３６及びＩｒ膜３８の成膜温度は、密着性向上や抵抗率の低下させるために本実施例は３５０℃としたが、室温でもよいし、より高温でもかまわない。なお、実際に温度を変えて実施したところ、同じ結果が得られている。
（工程６）：中間電極４０を形成後、この上に２層目の圧電体として、ＮｂをドープしたＰＺＴ薄膜４４を形成した（図３（ｆ））。なお、Ｎｂ等のドーパントを添加していない「真性ＰＺＴ」と区別するために、ＮｂをドープしたＰＺＴを「ＮｂドープＰＺＴ」或いは「ＰＮＺＴ」と表記する場合がある。ＰＺＴ薄膜３４の成膜には、高周波（ＲＦ；radio frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いた。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorrとした。こうして２層目のＰＺＴ薄膜４４の膜厚は約２μｍ形成した。
（工程７）：その後さらに、２層目のＰＺＴ薄膜４４の上に、上部電極４６を形成した（図３（ｇ））。上部電極４６は、下部電極３２と同様に、スパッタ法にてＴｉＷを膜厚２０ｎｍ形成し、その上に重ねてＩｒを膜厚１５０ｎｍ形成した。このＴｉＷ（２０ｎｍ）／Ｉｒ（１５０ｎｍ）の積層膜が上部電極４６となる。こうして、図３（ｇ）に示すような積層構造を得た。
（工程８）：その後、図３（ｈ）に示すように、積層体における２層目のＰＺＴ薄膜４４をエッチングして、所望の形状とする。なお、Ｉｒ−Ｏ膜やＩｒ膜をパターニングしてから、ＰＺＴ薄膜４４を形成する態様も可能である。ＰＺＴ薄膜４４を所望の形状に形成した後に、第２電極をパターニングしてもよい。
（工程９）：最後に、このウエハ構造体について、図３（ｉ）に示すように、ＳＯＩ基板３０の裏側（下面側）、すなわちＳｉ層３０１を、エッチング等によって部分的に除去して、振動板として５μｍ厚でＳｉ層３０３（デバイス層）を残し、キャビティ構造を作製した。ＳｉＯ２層３０２はエッチングストップ層として機能し、図３（ｉ）ではＳｉＯ２層３０２を残して、ＳｉＯ２層とＳｉ層３０３とで振動板を構成している。ただし、ＳｉＯ２層３０２を除去して振動板を構成してもよい。
上記のプロセスにより、図３（ｉ）に示す構造体が得られた。図３（ｉ）に示すような構成は、例えば、インクジェットヘッドに適用される。エッチングで除去した凹部空間（符号４８）がインク室（圧力室）に対応する。
<<図１の構成と図２及び図３の構成の対応関係について>>
図２及び図３のＳＯＩ基板３０が図１の基材１２に相当する。図２及び図３の下部電極３２が図１の第１の電極１４に相当する。図２及び図３のＰＺＴ薄膜３４が図１の第１の圧電体膜１６に相当し、図２及び図３のＰＺＴ薄膜４４が図１の第２の圧電体膜２２に相当する。図２及び図３のＩｒ−Ｏ膜３６が図１の金属酸化物膜１８に相当し、図２及び図３のＩｒ膜３８が図１の金属膜２０に相当する。図２及び図３の中間電極４０が図１の中間層２６に相当する。図２及び図３の上部電極４６が図１の第２の電極２４に相当する。
参考のために、工程６によって２層目のＰＺＴ薄膜４４が形成された状態における当該積層体の膜構成のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope；走査型電子顕微鏡）写真を図４に示す。工程１〜６によって、図４に示すような構成の積層体が得られた。
図４に示したように、中間電極４０を挟んで２層のＰＺＴ薄膜３４、４４が強固な密着性で積層されており、剥離のない良好な積層構造体が得られている。
＜ＸＲＤ特性について＞
図５は、第１実施例により作製した２層の圧電体膜の積層体（図２（ｇ））についてＸＲＤ（X‐ray diffraction；Ｘ線回折）にて解析した結果である。図５において、横軸は反射角２θの角度を表し、縦軸は回折強度を表している。Ｘ線回折による解析は、２層の圧電体膜を積層した積層構造体に対してまとめて上からＸ線を照射して結晶構造の解析をしている。図示のように、本例で作製されたＰＺＴ薄膜は、結晶の方位の分布がＰＮＺＴ（１００）、ＰＮＺＴ（２００）に集中しており、（１００）方向あるいは（００１）方向に配向している結晶配向性を有する高配向度の圧電体膜である。第１実施例で説明した方法により、異相なく優れた結晶性を有する圧電体膜が良好に成膜できている。
＜成膜方法について＞
圧電体膜の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタ法の他、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＰＬＤ法（パルスレーザー堆積法）など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長法以外の方法（例えば、ゾルゲル法など）を用いることも考えられる。
＜圧電材料について＞
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、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，Ｓｂ，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サイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式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、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、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、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備える圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
＜各圧電体膜の分極方向について＞
本例の場合、１層目の圧電体膜（符号３４）と２層目の圧電体膜（符号４４）は異なる圧電材料で形成され、各層の圧電体膜の分極方向は互いに異なる方向となっている。分極方向は、電荷分布の偏りによる双極子モーメントのベクトル方向（マイナスからプラスへの向き）で定義される。
１層目の真性ＰＺＴ（符号３４）に関しては、分極方向が下向き（中間電極４０から下部電極３２に向かう方向）となるようにするために、中間電極４０に＋３０Ｖ、下部電極３２を接地電位として５分間、分極処理を行った。分極処理は加熱しても構わないし、コロナ方などの方式でも構わない。
その一方で、２層目のＮｂドープＰＺＴ薄膜（符号４４）は、成膜当初から分極方向が上向き（中間電極４０から上部電極４６に向かう方向）に分極されていたものが得られている。
圧電体の分極方向と同じ方向の電界が作用すると、圧電体は圧電横効果（d31モード）により、振動板の面内で収縮しようとする。振動板上に形成された圧電体膜が振動板の面内で収縮すると、振動板がその変形を拘束するため、振動板は厚み方向に撓み（曲げ）変形する。
図６は、第１実施例により得られたデバイス５０について、各圧電体膜（３４，４４）の分極方向を白抜き矢印で模式的に示したものである。この第１実施例により得られたデバイス５０の上部電極４６と下部電極３２を接地電位に接続し、中間電極４０に＋９Ｖを印加したところ、変位として、約８２ｎｍが得られた。
＜比較例１＞
比較例１として、次の手順により積層体を作製した。すなわち、Ｓｉ基板上にＴｉＷ（２０ｎｍ）とＩｒ（１５０ｎｍ）を積層形成した後、この上にＰＺＴ薄膜を基板温度（成膜温度）５００℃にてスパッタ法によって膜厚２μｍ形成した。この成膜後にＰＺＴ膜上に３５０℃にてＩｒ膜を直接７０ｎｍ形成した。つまり、この比較例１は、第１実施例の構成（図１）から金属酸化物膜１８としてのＩｒ−Ｏ膜を省略した形態となっている。
Ｉｒ膜（７０ｎｍ）の中間電極を形成後、この中間電極の上に直接２層目のＰＺＴ膜を形成した。形成条件は１層目と同じ条件にて、２μｍ厚を目標として形成した。
しかしながら、成膜後に装置からサンプルを取り出したところ、２層目のＰＺＴ膜が剥離した状態であった。これは２層目のＰＺＴ薄膜の形成時にＩｒ電極が酸化されたり、１層目のＰＺＴ薄膜からの圧電材料成分Ｐｂの拡散の影響を受けてＩｒ電極が変質して体積変化があり、ＰＺＴ薄膜がＩｒ電極（中間電極）から剥離したものと考えられた。
このＩｒ膜による中間電極をＰｔに変更した形態、さらには、密着層としてＴｉやＴｉＷを形成した上にＩｒ電極（又はＰｔ電極）を形成した形態についても作製を試みたが、上記同様に２層目の圧電体膜の剥離が生じた。また、上記比較例１における中間電極としてのＩｒ膜の膜厚を５０ｎｍ、１２０ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍと変えて、同様のサンプル作製をおこなったが、いずれも、２層目の圧電体膜の剥離が生じた。
＜中間層（中間電極）の厚みと剥離の関係について＞
本実施形態による中間層の厚みと剥離の関係について調べたところ、図７に示す表のような結果になった。表中の実施例Ａ〜Ｅにおける中間層は、第１実施例で説明した金属酸化物膜１８と金属膜２０を含む層である。中間層は、例えば、図１で説明したように、ＩｒＯｘとＩｒの組み合わせであってもよいし、ＴｉＯ２のような絶縁体とＩｒのような金属膜との組み合わせであってもよい。ここでは、図１〜図４で例示した膜構成において中間層の厚みを変えて実験を行った。図７の表における実施例Ａ〜Ｄに示したように、中間層の厚みが薄ければ（２００ｎｍ未満であれば）、剥離の懸念はない。しかし、中間層の厚みが極端に薄くなると、例えば、５０ｎｍ未満の場合には、電極として抵抗値が高くなったり、下層の（１層目）のＰＺＴからの拡散反応のブロック性が低下するなど、問題となりうる。
その一方、同表中の比較例に示すように、中間層の厚みが２５０ｎｍ以上になったものについて、上部圧電体（２層目）の剥離が発生した。これは、熱膨張係数差等による応力によって剥離したものと推察される。実施例Ｅに示したように、中間層の厚みが２００ｎｍの場合に一部剥離した状態が観察されたが、実用上許容できる場合も有りうると考えられる。中間層の厚みとして２００ｎｍが許容できるレベルの境界（上限）となる。
以上の点から中間層の厚みは５０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下が好ましい。より好ましくは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満であり、さらに好ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
上記の説明では、中間層の「厚み」をパラメータとして評価したが、剥離の有無に関して、実際は応力が主要因である。表に示した厚みを有する中間層の応力値を算出したところ、２００ｎｍのもので５００ＭＰａ程度であった。すなわち、中間層の好ましい条件として、厚みと応力値から関係を考えると、中間層の応力値と厚みの積（応力×厚み）が１００Ｎ／ｍ２以下であることが好ましい。なお、中間層の応力値はゼロ（零）であっても構わない。
応力値と厚みの積は、材料に依存しない一般的な指標となる。拡散反応による剥離を防止した構成（拡散ブロック層としての金属酸化物膜を含む中間層を介して圧電体膜を積層する構成）を採用するとともに、熱膨張係数差による応力に起因する剥離を抑止する観点から、中間層の応力値と厚みの積が１００Ｎ／ｍ２未満であることがより好ましく、７５Ｎ／ｍ２以下であることがより好ましい。なお、中間層の応力値と厚みの積は小さい値であるほど（０に近い値であるほど）、熱膨張係数差による応力の影響が小さいと言えるため、中間層の応力値と厚みの積に関して好ましい下限値を規定する意義は乏しい。
＜第２実施例＞
図８は、第２実施例によって得られたデバイスの構成図である。図８中、図６に示した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第２実施例では、第１実施例と同様なデバイス７０を作成した。第２実施例では、１層目の圧電体（符号７４）にＮｂドープＰＺＴを適用し、２層目の圧電体（符号７６）に真性ＰＺＴ７６を適用した。つまり、符号７４で示したＮｂドープＰＺＴは、図６の符号４４と同等の組成であり、図８中符号７６で示した真性ＰＺＴは、図６の符号３４と同等の組成である。第１実施例と同様に、真性ＰＺＴ（符号７６）について分極処理を行い、図８の白抜き矢印で示すような分極状態を得た。すなわち、１層目の圧電体（符号７４）の分極方向は上向き、２層目の圧電体（符号７６）の分極方向は下向きである。
こうして得られたデバイス７０に関して、下部電極３２と上部電極４６を接地電位とし、中間電極４０に−９Ｖを印加したところ、変位として約８１ｎｍが得られた。
＜比較例２＞
比較例２のデバイスとして、第１実施例と同様のデバイス構造において、１層目の圧電体と２層目の圧電体をともにＮｂドープＰＺＴのみで形成した。そして、１層目の圧電体の分極方向と２層目の圧電体の分極方向とを同一方向（ここでは、ともに上向き）とした。
この比較例２のデバイスについて、駆動電圧の印加方法に関し、分極方向から最適な方向を選び、下部電極に＋９Ｖ、中間電極を接地、上部電極に−９Ｖを印加した。その結果、変位としては９６ｎｍが得られた。しかし、駆動電圧の絶対値として１８Ｖであり、第１実施例や第２実施例よりも大きな値となった。また、この比較例２の場合、正負の電圧出力に対応したドライバが必要であり、高価なものとなる。さらには、上下の電極が接地電位でないため、基板への電流リークや、上部電極への絶縁保護などの必要があり、構成が煩雑である。
＜分極方向と駆動電圧のまとめ＞
図９は、第１実施例、第２実施例及び比較例２についての分極方法と駆動電圧をまとめた図表である。同表において「実施例１」は第１実施例を表し、「実施例２」は第２実施例を表し、「比較例」は比較例２を表す。「圧電体１」は１層目の圧電体膜を表し、「圧電体２」は２層目の圧電体膜を表している。また、同表において「変位／電位」は、変位量を駆動電圧の絶対値で割ったものであり、単位電圧あたりの変位効率を示す。図９から明らかなように、比較例２に比べて、第１実施例及び第２実施例の方が効率よく駆動できていることがわかる。
また、第１実施例や第２実施例の場合、正又は負のいずれか一方の極性の電圧出力に対応したドライバで駆動できるため、比較例２と比べて安価なものとなる。さらに、第１実施例及び第２実施例の場合、上下の電極が接地電位となるため、基板への電流リークや、上部電極への絶縁保護などの対策を省略或いは簡略化することが可能である。
＜液体吐出ヘッドへの適用例＞
図１０は、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す図である。ここでは、第１実施例で説明したデバイス構成（図６）を吐出エネルギー発生素子として採用したインクジェットヘッドを例示するが、第２実施例で説明したデバイス構成（図８）を採用してもよい。
図１０において、図６に示した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１０に示したインクジェットヘッド１５０は、図６で説明した積層構造体のＳｉ層３０１の底面にノズルプレート１５２が接合されている。ノズルプレート１５２には、インク（液体）の吐出口としてのノズル孔１５４が形成されている。符号４８で示した空間（圧力室）にインクが充填され、圧電駆動によって振動板（Ｓｉ層３０３）が撓み変形し、圧力室４８の容積が変化することによって、圧力が変動し、ノズル孔１５４からインク滴が吐出される。すなわち、図６で説明した積層構造体は、図１０のインクジェットヘッド１５０において、ノズルから液体を吐出させるエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子として動作する。
なお、図１０には示されていないが、Ｓｉ層３０１には、圧力室４８にインクを供給するためのインク供給流路（共通流路や個別供給路など）が形成される。また、図１０では、Ｓｉ層３０１の下面に直接ノズルプレート１５２を接合した例を示したが、Ｓｉ層３０１とノズルプレート１５２の間に、他の流路構造が形成された流路プレートが積層されてもよい。
図１０では１つのノズル孔１５４とこれに連通する圧力室４８及びその圧力室４８に対応した吐出エネルギー発生素子を含んだ吐出機構の要素を示しているが、インクジェットヘッド１５０には、同様の構成を有する吐出機構（液滴吐出素子）が複数設けられている。
ノズルプレート１５２の吐出面（ノズル面）における複数のノズル孔１５４の配列形態は特に限定されない。例えば、複数のノズルが一列に並んだ一次元配列、複数のノズルが２列に並んだ千鳥配列、或いは３列以上のノズル列が組み合わされて２次元配列された形態など、様々なノズル配列があり得る。
下部電極３２と上部電極４６は、駆動回路（駆動ＩＣ）１６０のグランド端子に接続され、接地電位とされる。中間電極４０は、駆動回路１６０の駆動電圧出力端子に接続され、ドライブ電極として機能する。駆動回路１６０は、電極間に挟まれた圧電体膜（符号３４，４４）を変形させる駆動用の電力（駆動電圧）を供給する手段である。
この構成によれば、駆動信号としてプラス電圧のみによる駆動制御が可能である。したがって、比較例２に比べて、駆動回路１６０を簡略化でき、低コストで耐久性、信頼性の高いインクジェットシステムを実現できる。
なお、図１０のインクジェットヘッド１５０において、第１実施例のデバイスに代えて第２実施例のデバイスを適用した形態とした場合には、駆動信号としてマイナス電圧のみによる駆動制御が可能である。
＜作用効果＞
上記説明したように、本発明の実施形態によれば、圧電体薄膜を積層構造体として用いることができるので、圧電体薄膜材料を使った圧電体素子の実効的な性能向上を達成できる。
圧電体素子については、比較的低電圧の駆動電圧の印加によって大きな変位を得ることができる。また、駆動電圧の低下によって駆動回路を含む制御回路の負担が軽減され、低コスト化、省電力化、耐久性向上等を実現することができる。
＜変形例＞
上述の第１実施例及び第２実施例では、キャビティ構造を有するダイアフラム型の圧電アクチュエータを説明したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、カンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータに適用することもできる。
＜他の応用例１＞
上記の実施形態では、インクジェットヘッドへの適用を例に説明したが、本発明の適用範囲はこの例に限定されない。例えば、電子回路の配線パターンを描画する配線描画装置、各種デバイスの製造装置、吐出用の機能性液体として樹脂液を用いるレジスト印刷装置、カラーフィルター製造装置、マテリアルデポジション用の材料を用いて微細構造物を形成する微細構造物形成装置など、液状機能性材料を用いて様々な形状やパターンを描画する液体吐出ヘッド及びこれを用いた液体吐出装置（システム）に広く適用できる。
＜他の応用例２＞
上述の実施形態では、アクチュエータ用途の圧電体素子を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、センサ用途や発電用途など、様々な用途の圧電体素子についても本発明を適用できる。
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
＜開示する発明の各種態様＞
上記に詳述した実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書では以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
（第１態様）：基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上に積層して形成された第１の圧電体膜と、前記第１の圧電体膜の上に積層して形成された金属酸化物膜と、前記金属酸化物膜の上に積層して形成された金属膜と、前記金属膜の上に積層して形成された第２の圧電体膜と、前記第２の圧電体膜の上に積層して形成された第２の電極と、を備え、前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向とが異なることを特徴とする圧電体素子。
この態様によれば、基板上に基板面に近い側から、第１の電極、第１の圧電体膜、金属酸化物、金属膜、第２の圧電体膜、第２の電極が順に積層して形成された積層構造体を有する。金属酸化物膜は拡散ブロック層として機能し、圧電体膜から金属膜への酸素原子や圧電体材料成分の拡散が抑止される。これにより、拡散反応に起因する金属膜の構造変化や密着性の低下が防止され、強固な密着性を持つ圧電体膜の積層構造体を得ることができる。
また、金属膜は中間電極として利用することができ、第１の電極と第２の電極とを接地電位とし、中間電極に駆動電圧を印加する構成を採用できる。このような構成は駆動回路（ドライバ）の負担が少なく、低電圧の駆動電圧の印加によって大きな変位を得ることができる。
さらに、分極の異なる圧電体が中間電極を挟んで積層された構造であり、分極の異なる圧電体が直接接していない構造のため、分極の異なる圧電体が直接接した構成（特許文献４）の場合に界面の分極状態が不安定になり、圧電体の分極状態の安定性が悪いという問題も回避される。また、圧電体が脱分極した際に、中間電極を利用して再分極が容易であるという利点もある。
なお、用語の解釈に際し、「Ａの上にＢを積層する」という表現は、Ａに接してＢをＡ上に直接積層する場合に限らず、ＡとＢの間に他の１又は複数の層を介在させ、Ａの上に１又は複数の層を介してＢを積層する場合も有りうる。
圧電体膜の上に金属酸化物膜と金属膜とが積層して形成され、さらにその上に圧電体膜が積層されるという構造が繰り返され、３層以上の圧電体膜が積層される構造もあり得る。この場合、最上層の圧電体膜を「第２の圧電体膜」と解釈してもよいし、２層目以上におけるいずれか一つの層の圧電体膜を「第２の圧電体膜」と解釈することもできる。
（第２態様）：第１態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜との間に介在する前記金属酸化物膜及び前記金属膜からなる中間層の応力値と厚みの積が１００Ｎ／ｍ２未満であることが好ましい。
かかる第２態様は、圧電体膜と中間層との熱膨張係数差による応力に起因する剥離が抑制される点でより好ましい態様である。
（第３態様）：第１態様又は第２態様に記載の圧電体素子において、中間層の厚みが５０ｎｍ以上２５０ｎｍ未満であることが好ましい。
中間層による拡散ブロック性、並びに、圧電体膜と中間層との熱膨張係数差による応力に起因する剥離抑制の観点から、中間層の厚みを５０ｎｍ以上２５０ｎｍ未満の範囲とする構成が好ましい。
（第４態様）：第１態様から第３態様のいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記金属酸化物膜は、白金族の酸化物を含む構成とすることができる。
金属酸化物膜として、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕなどの白金族の酸化物を用いることができる。
（第５態様）：第１態様から第４態様のいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記金属膜は、白金族の金属を含む構成とすることができる。
金属膜には、各種の金属材料を用いることができるが、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの白金族の金属を好適に用いることができる。なお、第１の電極、第２の電極についても、これら白金族の金属を用いることができる。また、第１の電極、第２の電極には、銅族の金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）を用いることができる。
（第６態様）：第１態様から第５態様のいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の電極及び前記第２の電極は、共に接地電位に維持され、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜との間に設けられた前記金属膜を含んで構成される中間電極は、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を変形させるための駆動電圧が印加されるドライブ電極として用いることができる。
かかる態様によれば、正又は負のいずれかの極性の電圧による駆動制御が可能であり、安価な駆動回路を用いることができる。また、第１の電極及び第２の電極が接地電位となるため、基板への電流リークや上部の電極への絶縁保護などの対策を省略或いは簡略化できる。
（第７態様）：第６態様に記載の圧電体素子において、前記中間電極に前記駆動電圧が印加されることにより、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜には、それぞれの分極方向と同じ方向の電界が印加させる構成が好ましい。
分極方向と同じ方向の電界を与えることにより、大きな変位を得ることができる。
（第８態様）：第１態様から第７態様のいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜は、気相成長法によって形成されたものとすることができる。
スパッタ法に代表される気相成長法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。また、金属膜上には圧電体膜を成長させ易く、良好な成膜が可能である。
（第９態様）：第８態様に記載の圧電体素子において、前記気相成長法がスパッタ法であって、加熱成膜して結晶化させる方法とすることができる。
この態様によれば、金属酸化物膜が拡散ブロック層として機能するため、加熱成膜の際に下層の圧電体膜からの材料成分等が金属膜に拡散することを防止することができ、密着性の高い圧電体薄膜の積層構造体を得ることができる。
（第１０態様）：第１態様から第９態様のいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜はペロブスカイト型の酸化物で構成されることが好ましい。
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、アクチュエータ、センサ、発電デバイスなど、各種用途に用いることができる。
（第１１態様）：第１態様から第１０態様のうちいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜の組成と前記第２の圧電体膜の組成とが異なる構成とすることができる。
用途や必要な特性（性能）に対応して適切な組成の圧電体膜を組み合わせることができる。
（第１２態様）：第１態様から第１１態様のうちいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち少なくとも一方は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ等として好ましいものである。
（第１３態様）：第１２態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち一方は、前記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であり、他方は下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物である構成とすることができる。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、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，Ｓｂ，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サイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
（第１４態様）：第１態様から第１３態様のうちいずれか１項に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち少なくとも一方は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にＮｂが添加された材料により構成されるものとすることができる。
ＮｂドープしたＰＺＴは、良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ等として好ましいものである。
（第１５態様）：第１４態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち一方は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にＮｂが添加された材料により構成され、他方はＮｂが添加されていない材料で構成されているものとすることができる。
ＮbドープＰＺＴは成膜直後から分極状態が一方向に決まっており、逆方向に分極し難く、Ｎｂが添加されていない真性ＰＺＴであれば分極方向を後処理にて比較的自由に選ぶことが可能である。一度に２つの方向の分極処理を行うのは困難であるが、本構成であれば、最少の分極処理でデバイス化が図れるためプロセスが簡便となる。
（第１６態様）：第１５態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち、Ｎｂが添加されたＰＺＴにより構成される方の圧電体膜の分極方向が、前記基板側から前記第２の電極側に向かう方向であるものとすることができる。
成膜時の分極状態をそのまま利用できる場合、別途の分極処理は不要である。
（第１７態様）：第１５態様又は第１６態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち、前記Ｎｂが添加されていない材料で構成される方の圧電体膜が真性ＰＺＴであるものとすることができる。
真性ＰＺＴに対して、分極処理を行うことにより、分極方向を変更することができる。
（第１８態様）：第１態様から第１７態様に記載の圧電体素子において、前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向は、膜の厚さ方向と平行であり、かつ、互いに逆向きの方向であるものとすることができる。
（第１９態様）：液体を吐出するための吐出口としてのノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室に対応して設けられ、前記ノズルから液体を吐出させるエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子として動作する第１態様から第１８態様のいずれか１項に記載の圧電体素子と、を備えた液体吐出ヘッド。
この態様によれば、吐出効率のよい液体吐出ヘッドを実現することができる。また、駆動回路の負担が少なく、安価な回路構成とすることができる。
（第２０態様）：基板上に第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記第１の電極の上に第１の圧電体膜を積層して形成する第１の圧電体膜形成工程と、前記第１の圧電体膜の上に金属酸化物膜を積層して形成する金属酸化物膜形成工程と、前記金属酸化物膜の上に金属膜を積層して形成する金属膜形成工程と、前記金属膜の上に第２の圧電体膜を積層して形成する第２の圧電体膜形成工程と、前記第２の圧電体膜の上に第２の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向とを異ならせる分極処理工程と、を含む圧電体素子の製造方法。
この態様によれば、拡散反応に起因する金属膜の構造変化や密着性の低下が防止され、強固な密着性を持つ圧電体膜の積層構造体を得ることができる。
（第２１態様）：第２０態様に記載の圧電体素子の製造方法において、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜は、気相成長法によって形成されることが好ましい。
１０…圧電体素子、１２…基材、１４…第１の電極、１６…第１の圧電体膜、１８…金属酸化物膜、２０…金属膜、２２…第２の圧電体膜、２４…第２の電極、２６…中間層、３０…ＳＯＩ基板、３２…下部電極、３４…ＰＺＴ薄膜、３６…Ｉｒ−Ｏ膜、３８…Ｉｒ膜、４０…中間電極、４４…ＰＺＴ薄膜、４６…上部電極、４８…圧力室、５０…デバイス、７０…デバイス、１５０…インクジェットヘッド、１５２…ノズルプレート、１５４…ノズル孔、１６０…駆動回路

Claims (21)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第１の電極と、
    前記第１の電極の上に積層して形成された第１の圧電体膜と、
    前記第１の圧電体膜の上に積層して形成された金属酸化物膜と、
    前記金属酸化物膜の上に積層して形成された金属膜と、
    前記金属膜の上に積層して形成された第２の圧電体膜と、
    前記第２の圧電体膜の上に積層して形成された第２の電極と、
    を備え、
    前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向とが異なることを特徴とする圧電体素子。
  2. 前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜との間に介在する前記金属酸化物膜及び前記金属膜からなる中間層の応力値と厚みの積が１００Ｎ／ｍ２未満であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子。
  3. 前記中間層の厚みが５０ｎｍ以上２５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電体素子。
  4. 前記金属酸化物膜は、白金族の酸化物を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  5. 前記金属膜は、白金族の金属を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  6. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、共に接地電位に維持され、前記第１の圧電体膜と前記第２の圧電体膜との間に設けられた前記金属膜を含んで構成される中間電極は、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜を変形させるための駆動電圧が印加されるドライブ電極として用いられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  7. 前記中間電極に前記駆動電圧が印加されることにより、前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜には、それぞれの分極方向と同じ方向の電界が印加させることを特徴とする請求項６に記載の圧電体素子。
  8. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜は、気相成長法によって形成されたものであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  9. 前記気相成長法がスパッタ法であって、加熱成膜して結晶化させる方法であることを特徴とする請求項８に記載の圧電体素子。
  10. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜はペロブスカイト型の酸化物で構成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  11. 前記第１の圧電体膜の組成と前記第２の圧電体膜の組成とが異なることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  12. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち少なくとも一方は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の圧電体素子。
    Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
    （式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
    Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
    ０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
    ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
  13. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち一方は、前記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であり、他方は下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電体素子。
    一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
    （式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、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，Ｓｂ，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サイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
  14. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち少なくとも一方は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にＮｂが添加された材料により構成されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  15. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち一方は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にＮｂが添加された材料により構成され、他方はＮｂが添加されていない材料で構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の圧電体素子。
  16. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち、Ｎｂが添加されたＰＺＴにより構成される方の圧電体膜の分極方向が、前記基板側から前記第２の電極側に向かう方向であることを特徴とする請求項１５に記載の圧電体素子。
  17. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜のうち、前記Ｎｂが添加されていない材料で構成される方の圧電体膜が真性ＰＺＴであることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の圧電体素子。
  18. 前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向は、膜の厚さ方向と平行であり、かつ、互いに逆向きの方向であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の圧電体素子。
  19. 液体を吐出するための吐出口としてのノズルと、
    前記ノズルに連通する圧力室と、
    前記圧力室に対応して設けられ、前記ノズルから液体を吐出させるエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子として動作する請求項１から１８のいずれか１項に記載の圧電体素子と、
    を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  20. 基板上に第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、
    前記第１の電極の上に第１の圧電体膜を積層して形成する第１の圧電体膜形成工程と、
    前記第１の圧電体膜の上に金属酸化物膜を積層して形成する金属酸化物膜形成工程と、
    前記金属酸化物膜の上に金属膜を積層して形成する金属膜形成工程と、
    前記金属膜の上に第２の圧電体膜を積層して形成する第２の圧電体膜形成工程と、
    前記第２の圧電体膜の上に第２の電極を形成する第１の電極形成工程と、
    前記第１の圧電体膜の分極方向と前記第２の圧電体膜の分極方向とを異ならせる分極処理工程と、
    を含むことを特徴とする圧電体素子の製造方法。
  21. 前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜は、気相成長法によって形成されることを特徴とする請求項２０に記載の圧電体素子の製造方法。
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