JP2013207040A - 圧電／電歪膜型素子 - Google Patents

Abstract

【課題】所謂「厚膜法」を用いて容易に作製された圧電体層を備えた圧電／電歪膜型素子であって、圧電体層の側面の下部電極に接触する周縁部にて応力が集中し難く、且つ、圧電体層内を流れるリーク電流を抑制できるものを提供すること。
【解決手段】この圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上に順に積層された下部電極２０、圧電体層３０、及び上部電極４０を備え、上方からみた形状が長手方向を有する。圧電体層を構成する圧電材料の粒子の平均粒径が０．５〜５．０μｍの範囲にあり、圧電体層の側面は、前記範囲の平均粒径を有する圧電材料の複数の粒子が集合してなる焼結面である。圧電体層における「厚さ方向且つ長手方向に垂直な方向」の断面の形状の輪郭を近似した仮想線で表される形状が、「下部電極側に対応する下底が上部電極側に対応する上底より長く、且つ、下底の端点にある角の大きさが３０〜８５°の台形」である。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電／電歪膜型素子に関し、特に、圧電体層が所謂「厚膜法」で作製されたものに係る。

従来より、支持体の上に設けられた平板状の下部電極と、前記下部電極の上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層の上に前記下部電極と平行に向かい合うように設けられた平板状の上部電極と、を備えた積層体である圧電／電歪膜型素子が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような圧電／電歪膜型素子は、例えば、インクジェットプリンタのインクジェットヘッド（支持体内部の圧力室内に貯留された液体を微粒子化して吐出する部分）の駆動源として広く使用されている。上記文献に記載の圧電／電歪膜型素子の圧電体層は、スパッタ法、ＣＶＤ法等の所謂「薄膜法」を用いて作製されている（特許文献１の段落００１９等を参照）。

特開２０１０−２１９１５３号公報

一般に、このような圧電／電歪膜型素子に要求される特性のうちで重要なものとして、以下の２つの特性がある。第１の特性は、「圧電／電歪膜型素子の駆動時にて、圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部にて応力が集中し難いこと」である。この応力集中が顕著になると、圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離する事態が発生し易い。圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離すると、圧電／電歪膜型素子の駆動効率が低下するなどの問題が発生し得る。

第２の特性は、「上部・下部電極間への電圧印加時にて、圧電体層内を流れるリーク電流を抑制すること」である。前記リーク電流が多いと、圧電／電歪膜型素子の駆動効率が低下するなどの問題が発生し得る。

本発明者は、スピンコート法等の所謂「厚膜法」を用いて、上記第１、第２の特性を共に確保し得る圧電体層を容易に作製することに成功した。ここにいう「厚膜法」とは、作製・合成された粉末（スラリー）を基板上にて膜状に成形し、得られた成形体を焼成して焼結膜を得る方法を指す。

本発明に係る圧電／電歪膜型素子は、スピンコート法等の所謂「厚膜法」を用いて容易に作製された圧電体層を備えたものであり、その構成上の特徴は、以下のようである。即ち、この圧電／電歪膜型素子は、上方からみた形状が長手方向を有する。

また、前記圧電体層は焼成体であり、前記圧電体層を構成する圧電材料の粒子の平均粒径が０．５〜５．０μｍの範囲にある。圧電材料の粒子の平均粒径がこの範囲にあるのは、圧電体層が所謂「厚膜法」を用いて作製されたことに基づく。圧電体層が所謂「薄膜法」を用いて作製された場合、前記粒子の平均粒径は、この範囲内の値に対して著しく小さい値となる。

また、前記圧電体層の側面は、前記範囲の平均粒径を有する圧電材料の複数の粒子が集合してなる焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）である。これによれば、例えば、ドライエッチング等によるプラズマダメージ、ブラスト加工等による機械的な加工ダメージ、或いは、ウェットエッチング等による化学的な加工ダメージを受けた状態にある圧電体層の側面と比べて、圧電体層の側面を介して水蒸気などの「リーク電流を助長し得る物質」が圧電体層内に侵入し難くなる。従って、上記第２の特性が確保され得る。

また、前記圧電体層における厚さ方向且つ前記長手方向に垂直な方向の断面の形状の輪郭を仮想線で近似した場合、この仮想線で表される形状が、「前記下部電極との界面に対応する下底が前記上部電極との界面に対応する上底より長く、且つ、前記下底の端点にある角の大きさが３０〜８５°の台形」となる。この台形の高さ（Ｌ６）は、１〜２０μｍである。

一般に、圧電体層の厚さ方向の断面形状が矩形の場合、圧電体層の側面が下部電極の上面に対して垂直であることに起因して、圧電／電歪膜型素子の駆動時にて、圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部にて応力が集中し易い。これに対し、上記構成のように、圧電体層の断面形状が「下部電極側に拡がる台形」である場合、圧電体層の側面が下部電極の上面に対して裾が拡がるように傾斜していること等によって、前記周縁部にて応力が集中し難くなる。従って、上記第１の特性が確保され得る。

加えて、上記特徴（下底が上底より長く、且つ、下底の端点にある角の大きさが３０〜８５°であり、且つ、高さが１〜２０μｍ）を有する台形を断面形状に有する圧電体層の側面、及び上面は、研磨等によって仕上げることは非常に困難である。即ち、本発明に係る圧電／電歪膜型素子の圧電体層は、焼成後において何等かの追加の仕上げ加工が施されていない。換言すれば、本発明に係る圧電／電歪膜型素子の圧電体層の表面（側面、上面、及び下面）の全域が、焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）である。

以上、本発明に係る圧電／電歪膜型素子は、所謂「厚膜法」を用いて容易に作製された圧電体層を備えたものであり、本発明に係る圧電／電歪膜型素子によれば、上記第１、第２の特性を共に確保することができる。

本発明に係る圧電／電歪膜型素子においては、前記圧電体層の側面の下端部に位置し且つ前記下部電極に接触する圧電材料の複数の粒子のうち、前記長手方向に垂直な方向の幅（Ｌ７）に対する高さ（Ｌ８）の割合であるアスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）が３／４以下（より好ましくは２／３以下）となるものが半分以上存在することが好適である。

アスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）が３／４以下（より好ましくは２／３以下）となる圧電材料の粒子は、そうでない粒子と比べて、下部電極との密着性が高い。従って、上記構成によれば、「圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部」と下部電極との密着性が高くなり、圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離する事態がより一層発生し難くなる。

支持体の上面の複数個所にそれぞれ設けられた本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子の平面図である。 図１に示した圧電／電歪膜型素子の２−２断面図である。 図１、図２に示した圧電／電歪膜型素子の製造過程の前半を示す工程図である。 図１、図２に示した圧電／電歪膜型素子の製造過程の後半を示す工程図である。 図１、図２に示した圧電体層の詳細を示す主要断面図である。 図５に示した圧電体層の断面形状の輪郭を近似した仮想線で表される台形を示した図である。 図５に示した圧電体層の側面を顕微鏡で観察して得られた画像である。 図５に示した「圧電体層の側面の下端部に位置し且つ下部電極に接触する圧電材料の粒子」の第１の主要断面図である。 図５に示した「圧電体層の側面の下端部に位置し且つ下部電極に接触する圧電材料の粒子」の第２の主要断面図である。 比較例に係る圧電／電歪膜型素子の製造過程の前半を示す工程図である。 比較例に係る圧電／電歪膜型素子の製造過程の後半を示す工程図である。

（構成）
以下、本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子の構成について図面を参照しながら説明する。図１、図２に示すように、本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上面の複数個所に所定の間隔を置いて整列するように、それぞれ設けられている。各圧電／電歪膜型素子１０は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動源として使用される。

図１に示すように、各圧電／電歪膜型素子１０を上方（ｚ軸正方向）からみた平面形状は、長手方向（ｙ軸方向）を有する長方形である。図２は、圧電／電歪膜型素子１０の、厚さ方向（ｚ軸方向）、且つ「長手方向に垂直な方向」（ｘ軸方向、以下、「短手方向」と呼ぶこともある）に沿う断面を示す。以下、説明の便宜上、厚さ方向（ｚ軸方向）且つ短手方向（ｘ軸方向）に沿う断面（即ち、ｘ−ｚ平面に沿う断面）を「基準断面」と呼ぶ。

図２に示すように、各圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上面（平面）に設けられた下部電極２０と、下部電極２０の上に設けられた圧電体層３０と、圧電体層３０の上に下部電極と平行に向かい合うように設けられた上部電極４０と、を備える。圧電／電歪膜型素子１０の長さ（ｙ軸方向）Ｌ１は５００〜５０００μｍであり、幅（ｘ軸方向）Ｌ２は３０〜５００μｍであり、高さ（ｚ軸方向）Ｌ３は１〜２０μｍである。

支持体Ｓは、電気的絶縁材料（例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２））で構成された焼成体である。支持体Ｓの内部における、各圧電／電歪膜型素子１０に対応する位置には、圧力室Ｓ１がそれぞれ形成されている。各圧力室Ｓ１の下部には、圧力室Ｓ１と連通し且つ下方に開口する吐出ノズルＳ２がそれぞれ形成されている。各圧力室Ｓ１の上部には、振動膜Ｓ３がそれぞれ形成されている。各振動膜Ｓ３は、厚さ（ｚ軸方向）が１〜１０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。

下部電極２０は、導電材料（例えば、白金（Ｐｔ））で構成された薄い平板上の焼成体である。各下部電極２０は、対応する振動膜Ｓ３の上面に、上方からみて下部電極２０の全体が対応する振動膜Ｓ３の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各下部電極２０は、厚さ（ｚ軸方向）が０．１〜１０．０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。

圧電体層３０は、圧電材料（例えば、圧電性ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ））で構成された焼成体である。各圧電体層３０は、対応する下部電極２０の上面に、上方からみて圧電体層３０の全体が対応する下部電極２０の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各圧電体層３０は、基準断面の形状が台形であり且つ長手方向（ｙ方向）に延びる薄板状を呈している。即ち、各圧電体層３０の側面は、下部電極２０の上面に対して裾が拡がるように傾斜している。圧電体層３０の詳細については後に詳述する。

上部電極４０は、導電材料（例えば、金（Ａｕ））で構成された薄い平板上の焼成体である。各上部電極２０は、対応する圧電体層３０の上面に、上方からみて上部電極４０の全体が対応する圧電体層３０の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各上部電極４０は、厚さ（ｚ軸方向）が０．０１〜１．０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。

以下、図１、図２に示すインクジェットヘッドの作動について簡単に説明する。支持体Ｓ内の各圧力室Ｓ１には液体（インク）が充填されている。圧電／電歪膜型素子１０の上部・下部電極２０、４０間に所定のパターンで電圧を印加すると、圧電体層３０が前記所定のパターンに応じて（主として）ｘ−ｙ平面方向において伸縮する。この圧電体層３０の伸縮に起因して対応する振動膜Ｓ３が厚さ方向（ｚ軸方向）に振動する。この振動膜Ｓ３の振動に起因して、対応する圧力室Ｓ１内に貯留された液体が、前記所定のパターンに応じて、微粒子化されて対応するノズルＳ２から吐出される。

（製造方法）
次に、上述した圧電／電歪膜型素子１０の製造方法について図３、図４を参照しながら説明する。

先ず、図３（ａ）に示すように、図１、図２に示した支持体Ｓが周知の手法を利用して作製される。具体的には、例えば、対応するそれぞれのパターンが打ち抜かれた複数枚のＺｒＯ_２テープが準備され、これらが積層される。この積層体が焼成されることによって支持体Ｓが作製され得る。

次いで、図３（ｂ）に示すように、支持体Ｓの上面における「複数の圧力室Ｓ１の上方に対応するそれぞれの位置」に、下部電極２０が周知の手法を利用してそれぞれ形成される。具体的には、例えば、支持体Ｓの上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、フォトレジスト膜が形成される。このフォトレジスト膜が、フォトリソグラフィによって、それぞれの下部電極２０をパターニングするためのマスク形状にパターニングされる。次いで、このマスク形状にパターニングされたフォトレジスト膜の上に、例えば、下部電極２０用の「Ｐｔ粉末を含むスラリー」がスピンコート法などで塗布される。成膜方法は、後述する圧電体層の焼成温度に対して十分な耐熱性がある限りにおいて特に限定されるものではなく、めっき法やスパッタリングでも良い。これにより、それぞれの下部電極２０用の成形体がパターニングされる。その後、フォトレジスト膜が除去され、前記成形体が焼成されることによって、それぞれの下部電極２０が形成される。焼成温度は８００〜１４００℃であり、焼成時間は０．５〜５．０時間である。

次に、図３（ｃ）に示すように、複数の下部電極２０が形成された支持体Ｓの上面に「圧電体粉末を含むスラリー」がスピンコート法等によって塗布されて、圧電体層３０用の膜３０ｇが形成される。なお、符号の末尾の「ｇ」は「焼成の前の状態」を表す。膜３０ｇの厚さは、後述する「本焼成」の後において圧電体層３０（焼成体）として要求される厚さとなるように調整される。「圧電体粉末を含むスラリー」には、例えば、圧電体粉末としてＰＺＴ＋Ｂｉ（Ｎｉ２／３Ｎｂ１／３）Ｏ_３、焼結助剤としてＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３の粉末、その他、分散剤、有機バインダ等が含まれる。粉末の粒子径は０．１５μｍ程度である。膜３０ｇの形成後、膜３０ｇに対して脱脂処理が行われる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、膜３０ｇが仮焼成される（膜３０ｇ→膜３０ｇ’）。この仮焼成は、膜３０ｇ’が「密度が理論値の９０％となり、且つ、液相成分（焼結助剤）が膜内の全域に亘って残存している状態」となるまで行われる。具体的には、例えば、焼成温度は８００℃であり、焼成時間は５分である。

次に、図４（ａ）に示すように、膜３０ｇ’の上面における「複数の圧電体層３０に対応するそれぞれの位置」に、保護膜Ｒが周知の手法を利用して形成される。保護膜Ｒは、後述するウェットエッチングを行う際にマスクとして機能する膜である。従って、各保護膜Ｒは、上方からみて保護膜Ｒの形状が対応する圧電体層３０の上面の形状と一致するように形成される。保護膜Ｒとしては、具体的には、例えば、フォトレジスト膜が使用される。即ち、仮焼成後の膜３０ｇ’の上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、保護膜Ｒが形成される。この保護膜Ｒが、フォトリソグラフィによって、図４（ａ）に示すように、それぞれの圧電体層３０の上面の形状と同形のマスク形状にパターニングされる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、ＰＺＴ用のエッチング液を利用して膜３０ｇ’に対してウェットエッチングが行われて、膜３０ｇ’が、対応する圧電体層３０の形状にパターニングされる。このとき、図４（ｂ）に示すように、隣接する保護膜Ｒ，Ｒ間において、膜３０ｇ’がエッチングにより除去されるｘ軸方向の範囲が、下方（ｚ軸負方向）にいくほど狭くなる。換言すれば、各圧電体層３０の側面（即ち、下部電極２０の上面に対して裾が拡がるように傾斜する面）に対応するテーパー面が自然に形成される。

これは、以下の理由に基づく。即ち、図３（ｄ）に示した仮焼成が完了した段階では、上述したように、液相成分（焼結助剤）が膜３０ｇ’内の全域に亘って残存している。このとき、膜３０ｇ’内の液相成分は、重力の作用等によって、下方（ｚ軸負方向）にいくほどより多く分布する。ここで、一般に、液相成分はエッチングレート（エッチングによって膜を除去していく速度）を低くするように働く。このことは、膜３０ｇ’のウェットエッチングの際、膜３０ｇ’の下方にいくほどエッチングレートが低くなることを意味する。この結果、上記のテーパー面が自然に形成される。このテーパー角度は、仮焼成温度、エッチング条件等を調整することによって、３０〜８５°の範囲内で制御され得る。なお、このテーパー角度が３０°未満である場合、保護膜Ｒと膜３０ｇ’との界面のエッチングが進むことに起因して保護膜Ｒが剥れ易い傾向がある。一方、テーパー角度を８５°より大きくするためには、仮焼成温度を高くする、或いは、エッチングの速度を早くする必要がある。しかしながら、前者を選択・実行すれば、圧電体層の側面を焼結面にすることが困難となり、後者を選択・実行すれば、圧電体層のパターンの直線性が失われる傾向がある。膜３０ｇ’のウェットエッチングの完了後、それぞれの保護膜Ｒが除去されるとともに、膜３０ｇ’に対して脱脂処理が行われる。

続いて、図４（ｃ）に示すように、膜３０ｇ’が本焼成されて、それぞれの圧電体層３０が形成（完成）される。焼成温度は１０００℃であり、焼成時間は２時間である。即ち、本焼成時の焼成温度は仮焼成時の焼成温度より高く、本焼成時の焼成時間も仮焼成時の焼成時間より長い。本焼成完了時点では、液相成分は全て蒸発により消失している。

そして、図４（ｄ）に示すように、各圧電体層３０の上面に、上部電極４０が周知の手法を利用してそれぞれ形成される。具体的には、例えば、各圧電体層３０の上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、フォトレジスト膜がそれぞれ形成される。各フォトレジスト膜が、フォトリソグラフィによって、対応する上部電極４０をパターニングするためのマスク形状にパターニングされる。次いで、マスク形状にパターニングされた各フォトレジスト膜の上に、上部電極４０用の例えば「Ａｕ粉末を含むスラリー」がスピンコート法などで塗布される。上部電極４０の形成に用いる材料や方法は、上部電極の機能が十分に達成され得る範囲内であれば特に限定されるものではない。即ち、材料としてＡｕ以外の金属が使用され得、スラリーとして「レジネートのような有機金属化合物」が使用され得、形成方法として、めっき法やスパッタリングが使用されてもよい。これにより、それぞれの上部電極４０用の成形体がパターニングされる。その後、フォトレジスト膜が除去され、前記成形体が焼成されることによって、それぞれの上部電極４０が形成される。焼成温度は４００〜１０００℃であり、焼成時間は１分〜２時間である。

以上のようにして、図１、図２に示すように、複数の圧電／電歪膜型素子１０（焼成体）が支持体Ｓの上に形成される。以上のように、各圧電体層３０（焼成体）は、スピンコート法等の所謂「厚膜法」を用いて容易に作製され得る。

（圧電体層の特徴）
次に、上述の製造方法によって形成された圧電／電歪膜型素子１０の圧電体層３０（焼成体）の特徴について図５〜図９を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、図５〜図９では、圧電体層３０の上面に上部電極４０が形成されていない形態が表されている。

図５は、圧電／電歪膜型素子１０を長手方向（ｙ軸方向）の任意の位置で切断して得られる基準断面の一例である。図５から理解できるように、基準断面が台形形状となる圧電体層３０は、複数の圧電材料（ＰＺＴ）の粒子が集合してなる集合体であるといえる。また、上述のように、圧電／電歪膜型素子１０の製造過程において、圧電体層３０の本焼成の後には、圧電体層３０の表面には何等かの追加工が施されていない。換言すれば、圧電体層３０の表面（側面、上面、及び下面）の全域が、焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）であり、従って、複数の粒子に対応する部分が突出し隣接する粒子間が窪んだ凹凸面となっている。

圧電体層３０内に分布するＰＺＴ粒子の平均粒径は０．５〜５．０μｍである。なお、或る粒子の粒径とは、断面上で認識できるその粒子に対応する領域の面積と等しい面積を有する円の直径であると定義することができる。上述したＰＺＴ粒子の平均粒径の範囲は、例えば、圧電体層３０を長手方向（ｙ軸方向）の異なる位置で切断して得られる複数の基準断面を利用して得ることができる。例えば、上述したＰＺＴ粒子の平均粒径の範囲の下限値は、各基準断面から得られたそれぞれの平均粒径のうちの最小値であり、上述したＰＺＴ粒子の平均粒径の範囲の上限値は、各基準断面から得られたそれぞれの平均粒径のうちの最大値である。

図６は、図５に示した圧電体層３０の基準断面形状（台形状）の輪郭を細い二点鎖線で示し、その輪郭線（二点鎖線）を近似した仮想線（台形）を太い実線で示す。この仮想線は、例えば、以下のように得ることができる。即ち、上記の輪郭線（台形状）を、台形の上底、下底、及び２つの側辺に対応する４つの部分に分割し、各部分について、その部分に含まれる輪郭線上に位置する多数の点に基づいて、最小二乗法等を利用して近似直線をそれぞれ求める。このようにして得られた４つの近似直線を結ぶことによって、上記の仮想線（台形）が得られる。

このようにして得られた仮想線で表される台形について、下底の長さＬ４は３０〜５００μｍであり、上底の長さＬ５は２０〜３００μｍであり、高さＬ６は１〜２０μｍである。下底の端点にある角θの大きさは３０〜８５°である。上述したそれぞれの長さ、高さ、角度の範囲の下限値は、上述した複数の基準断面のそれぞれから得られた長さ、高さ、角度のそれぞれの最小値のうちの最小値、又は、前記それぞれの最小値の平均値であり、上述したそれぞれの長さ、高さ、角度の範囲の上限値は、上述した複数の基準断面のそれぞれから得られた長さ、高さ、角度のそれぞれの最大値のうちの最大値、又は、前記それぞれの最大値の平均値である。なお、上述したＬ４、Ｌ５、Ｌ６の範囲は、圧電／電歪膜型素子１０がインクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動源として使用される場合において、このインクジェットヘッドが微細なインク滴を適切に噴射するために、且つ、上記第１の特性（応力集中の抑制）を確保するために要求される好適な範囲である。圧電／電歪膜型素子１０が他の用途に使用される場合には、上述したＬ４、Ｌ５、Ｌ６の範囲は上述の範囲の限りではなく、その用途に適した範囲とされ得る。

また、圧電体層３０の側面の上端部に位置する圧電材料の粒子の全てについて、それぞれ、その粒子の最頂部（最も位置が高い部分）を含む基準断面を得たものとする。この場合、各基準断面について、その基準断面に基づいて得られた仮想線で表される台形の高さＬ６に対する、その上底と「前記粒子の最頂部」との間の距離Ｈ（上底から上方に向けて突出する高さ、図６を参照）の割合（高さ比（Ｈ／Ｌ６））は、０．１以下となる。

ここで、「高さ比」について付言する。「高さ比（Ｈ／Ｌ６）が０．１以下となる台形」を基準断面に有する圧電体層（焼成体）を実現できるのは、圧電体層が上述の製法（ＰＺＴ膜の形成→仮焼成→エッチング→本焼成）によって作製されたことに基づく。即ち、例えば、スクリーン印刷法（厚膜法の一種）（ＰＺＴ膜のパターンを形成→焼成）を用いて基準断面が台形の圧電体層を作製しようとしても、所謂「印刷ダレ」に起因して圧電体層の上面が山型となる現象、或いは、所謂「サドル現象」に起因して圧電体層の上面の端部に比較的大きなエッジが形成される現象が発生し易い。この結果、「高さ比（Ｈ／Ｌ６）が０．１以下となる台形」を基準断面に有する圧電体層（焼成体）を実現することができない。

図７は、圧電体層３０の側面の周囲を顕微鏡で５０００倍に拡大して観察した結果得られた画像の一例である。図７から理解できるように、圧電体層３０の側面（上面も同様）は、上述のように、複数のＰＺＴ粒子に対応する部分が突出し隣接するＰＺＴ粒子間が窪んだ凹凸面（焼結面）となっている。

以下、図７において、圧電体層３０の側面における下部電極２０に接触する周縁部に着目する。「圧電体層３０の側面の下端部に位置し且つ下部電極２０に接触する圧電材料の粒子」の全てについて、それぞれ、その粒子の最頂部（最も位置が高い部分）を含む基準断面を得たものとする。この場合、図５、図８、図９の微細なドットで示した部分に示すように、前記粒子には、下側が平らに潰れた形状（ハーフカット形状）の「タイプＡ」（図８を参照）と、前記ハーフカット形状の粒子とその上に位置する粒子とが結合して得られたような形状の「タイプＢ」（図９を参照）と、断面がほぼ円形の「タイプＣ」（図５を参照）と、が存在することが判明した。

「タイプＡ」と「タイプＢ」と「タイプＣ」のうちで、特に「タイプＡ」の粒子は、下部電極２０に対する密着性が高いといえる。タイプＡの幅Ｌ７（ｘ軸方向の長さ）に対する高さＬ８の割合（アスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）、図８を参照）は、２／３以下である。一方、タイプＢのアスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）（図９を参照）は、２／３より大きく且つ３／４以下である。なお、タイプＣのアスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）（図５を参照）は、３／４より大きい。

「タイプＡ」、「タイプＢ」、「タイプＣ」の長手方向（ｙ軸方向）における分布の様子は、図７に示す通りである。図７においてＡ〜Ｃの区別が記載されていない粒子は「タイプＣ」の粒子である。図７から理解できるように、「タイプＡ」の粒子が、「圧電体層３０の側面の下端部に位置し且つ下部電極２０に接触する圧電材料の粒子」のうちの半分以上を占め、「タイプＡ」と「タイプＢ」の粒子が８割以上を占めている。ここで、「タイプＡ」及び「タイプＢ」は、「タイプＣ」と比べて、扁平である（アスペクト比が小さい）。よって、「タイプＡ」及び「タイプＢ」は、「タイプＣ」と比べて、下部電極２０に対する接合面積が広く、この結果、下部電極２０と強固に接合される。従って、「圧電体層３０の側面における下部電極に接触する周縁部」と下部電極２０との密着性は極めて高いといえる。

（作用・効果）
以下、本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子１０の作用・効果について説明する。一般に、このような圧電／電歪膜型素子に要求される特性のうちで重要なものとして、
「圧電／電歪膜型素子の駆動時にて、圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部にて応力が集中し難いこと」（第１の特性）と、
「上部・下部電極間への電圧印加時にて、圧電体層内を流れるリーク電流を抑制すること」（第２の特性）と、がある。

先ず、第１の特性について検討する。一般に、圧電体層の基準断面の形状が矩形の場合、圧電体層の側面が下部電極の上面に対して垂直となる。このことに起因して、圧電／電歪膜型素子の駆動時にて、圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部にて応力が集中し易い。これに対し、上記実施形態では、圧電体層３０の基準断面の形状が「下部電極２０側に拡がる台形」となっている。即ち、圧電体層３０の側面が下部電極２０の上面に対して裾が拡がるように傾斜している。このことによって、前記周縁部にて応力が集中し難くなる。従って、上記実施形態では、上記第１の特性が確保され得る。

加えて、上記実施形態のように、「下底が上底より長く、且つ、下底の端点にある角θの大きさが３０〜８５°、且つ、高さＬ６が１〜２０μｍの台形」を基準断面の形状に有する圧電体層の側面、及び上面は、研磨等によって仕上げることは非常に困難である。即ち、上記実施形態に係る圧電体層３０は、焼成後において何等かの追加の仕上げ加工が施されていない。換言すれば、上記実施形態に係る圧電体３０の表面（側面、上面、及び下面）の全域が、焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）である。

次に、第２の特性について検討する。一般に、側面がドライエッチング等によるプラズマダメージ、ブラスト加工等による機械的な加工ダメージ、或いは、ウェットエッチング等による化学的な加工ダメージを受けた状態にある圧電体層の場合、その側面を介して水蒸気などの「リーク電流を助長し得る物質」が圧電体層内に侵入し易い。これに対し、上記実施形態では、圧電体層３０の側面は、０．５〜５．０μｍの範囲の平均粒径を有する圧電材料（ＰＺＴ）の複数の粒子が集合してなる焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）である。従って、圧電体層３０の側面を介して水蒸気などの「リーク電流を助長し得る物質」が圧電体層３０内に侵入し難くなる。従って、上記第２の特性が確保され得る。

なお、圧電体層３０を構成する圧電材料の粒子の平均粒径が０．５〜５．０μｍの範囲にあるのは、圧電体層３０がスピンコート法等の所謂「厚膜法」を用いて作製されたことに基づく。圧電体層が所謂「薄膜法」を用いて作製された場合、前記粒子の平均粒径は、この範囲内の値に対して著しく小さい値となる。

また、上記実施形態では、図７から理解できるように、下部電極２０との密着性が極めて高い「タイプＡ」の粒子（図８）が、「圧電体層３０の側面の下端部に位置し且つ下部電極２０に接触する圧電材料の粒子」のうちの半分以上を占めている。従って、「圧電体層３０の側面における下部電極に接触する周縁部」と下部電極２０との密着性は極めて高いといえる。

以下、上記実施形態に係る圧電／電歪膜型素子１０が上記第１、第２の特性を共に確保することができていることを確認した試験について簡単に説明する。この試験では、比較例として、図１０、図１１に示す製造工程を経て作製された圧電／電歪膜型素子が導入された。図３及び図４と、図１０及び図１１との比較から明らかなように、この比較例の製造工程は、仮焼成が行われない点、並びに、本焼成が上記実施形態の仮焼成の段階で実施される点のみが、上記実施形態の製造工程と異なる（図１０（ｄ）を参照）。

この結果、比較例では、本焼成後にウェットエッチングがなされることになる（図１１（ｂ）を参照）。従って、比較例では、液相成分（焼結助剤）が膜３０内の全域に亘って残存していない状態でウェットエッチングがなされるので、上述した「液相成分の存在によるエッチングレートの調整作用」が全く働かない。この結果、比較例では、圧電体層３０の側面が下部電極２０の上面に対して垂直となっている（図１１（ｂ）を参照）。即ち、圧電体層３０の基準断面の形状が矩形となっている。従って、上記実施形態では、比較例と比べて、上記第１の特性がより一層確保され得る。

加えて、比較例では、ウェットエッチングの後に焼成がなされない。従って、比較例では、完成後の圧電体層３０の側面は、焼結面とはなっておらず、ウェットエッチングによる加工ダメージを受けた状態に維持されている。従って、上記実施形態では、比較例と比べて、上記第２の特性がより一層確保され得る。

なお、比較例では、「タイプＡ」の粒子（図８）が、「圧電体層３０の側面の下端部に位置し且つ下部電極２０に接触する圧電材料の粒子」のうちの半分未満を占めていることが別途確認されている。従って、比較例では、上記実施形態と比べて、「圧電体層３０の側面における下部電極に接触する周縁部」と下部電極２０との密着性は低いといえる。

＜第１の試験＞
上記第１の特性を検査するための第１の試験が、本発明の実施形態と比較例に対してそれぞれ行われた。この第１の試験に使用された本発明の実施形態及び比較例の各部分の材料、形状、サイズ等は、上述した実施形態のものと同じであった。第１の試験として、圧電／電歪膜型素子の上部・下部電極間に５０ボルトの電圧をパルス的に長時間（例えば、１００時間）に亘って印加する耐久試験（パルス耐久試験）が、本発明の実施形態の３００個、及び、比較例の３００個に対して実施された。

第１の試験の結果、比較例では、３００個のうち１１８個において、圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離する事態が発生していた。これに対し、本発明の実施形態では、３００個のうちで圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離する事態が発生していたものは一つもなかった。このように、本発明の実施形態は、比較例に対して、上記第１の特性がより一層確保されていることがわかる。

＜第２の試験＞
また、上記第２の特性を検査するための第２の試験が、本発明の実施形態と比較例に対してそれぞれ行われた。この第２の試験に使用された本発明の実施形態及び比較例の各部分の材料、形状、サイズ等も、上述した実施形態のものと同じであった。第２の試験として、圧電／電歪膜型素子の上部・下部電極間に１００ボルトの電圧を印加した状態において圧電体層内を流れるリーク電流を測定する試験（リーク電流試験）が、本発明の実施形態の３００個、及び、比較例の３００個に対して実行された。

第２の試験の結果、比較例では、リーク電流値が１０^−７〜１０^−５アンペアの範囲で分布していた。これに対し、本発明の実施形態では、リーク電流値が１０^−７アンペア程度に集中していた。このように、本発明の実施形態は、比較例に対して、上記第２の特性が確保されていることがわかる。

Ｓ…支持体、１０…圧電／電歪膜型素子、２０…下部電極、３０…圧電体層、４０…上部電極

Claims (4)

1. 支持体の上に設けられた平板状の下部電極と、
   前記下部電極の上に設けられた圧電体層と、
   前記圧電体層の上に前記下部電極と平行に向かい合うように設けられた平板状の上部電極と、
   を備えた積層体であり、上方からみた形状が長手方向を有する圧電／電歪膜型素子であって、
   前記圧電体層は焼成体であり、前記圧電体層を構成する圧電材料の粒子の平均粒径が０．５〜５．０μｍの範囲にあり、
   前記圧電体層の側面は、前記範囲の平均粒径を有する圧電材料の複数の粒子が集合してなる焼結面であり、
   前記圧電体層における厚さ方向且つ前記長手方向に垂直な方向の断面の形状の輪郭を近似した仮想線で表される形状が、前記下部電極との界面に対応する下底が前記上部電極との界面に対応する上底より長く、且つ、前記下底の端点にある角の大きさが３０〜８５°の台形である、圧電／電歪膜型素子。
2. 請求項１に記載の圧電／電歪膜型素子において、
   前記圧電体層の側面の下端部に位置し且つ前記下部電極に接触する圧電材料の複数の粒子のうち、前記長手方向に垂直な方向の幅（Ｌ７）に対する高さ（Ｌ８）の割合であるアスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）が３／４以下となるものが半分以上存在する、圧電／電歪膜型素子。
3. 請求項２に記載の圧電／電歪膜型素子において、
   前記アスペクト比（Ｌ８／Ｌ７）が２／３以下となるものが半分以上存在する、圧電／電歪膜型素子。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型素子において、
   前記圧電体層の側面の上端部に位置する圧電材料の粒子の全てについて、前記粒子の最頂部と、前記粒子を含むとともに前記圧電体層における厚さ方向且つ前記長手方向に垂直な方向の断面についての前記仮想線の一部である台形の上底と、の間の前記断面上での距離（Ｈ）の、前記台形の高さ（Ｌ６）に対する割合である高さ比（Ｈ／Ｌ６）が０．１以下である、圧電／電歪膜型素子。