JPWO2002029129A1 - 圧電薄膜及びその製造方法、並びにその圧電薄膜を備えた圧電素子、並びにその圧電素子を用いたインクジェットヘッド、並びにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置 - Google Patents
圧電薄膜及びその製造方法、並びにその圧電薄膜を備えた圧電素子、並びにその圧電素子を用いたインクジェットヘッド、並びにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置 Download PDFInfo
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Abstract
大きな圧電変位を得ることのできる圧電薄膜である。この圧電薄膜の化学組成はＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記される。この圧電薄膜の結晶構造は、構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域（２４）と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域（２５）の混合体からなる。この圧電薄膜の構成によれば、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域（２４）によって結晶内の残留圧縮応力を緩和することができるので、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能となる。
Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、マイクロポンプ、マイクロスピーカー、インクジエツトヘツド等に利用される圧電薄膜及びその製造方法、並びにその圧電薄膜を備えた圧電素子、並びにその圧電薄膜を用いたインクジェットヘッド、並びにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
圧電材料は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。圧電材料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型の結晶構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下、『ＰＺＴ』と記す）がある。特にペロブスカイト型の正方晶系結晶構造を有するＰＺＴの場合には、ｃ軸方向（〈００１〉軸方向）に最も大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向いている。従って、自発分極Ｐｓもでたらめに配列している。
【０００３】
ところで、近年の電子機器の小型化に伴なって、圧電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。そして、その要求を満たすために、圧電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薄膜の形態で使用されるようになりつつあり、圧電素子に対する薄膜化の研究開発が盛んになってきた。例えば、ＰＺＴの場合、自発分極Ｐｓはｃ軸方向を向いているので、薄膜化しても高い圧電特性を実現するためには、ＰＺＴ薄膜を構成する結晶のｃ軸を基板表面に対して垂直方向に揃える必要がある。そして、これを実現するために、従来においては、結晶方位（１００）面が表面に出るように切り出した岩塩型結晶構造の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶の基板を用い、その表面に対して垂直方向にｃ軸（〈００１〉軸）配向したＰＺＴ薄膜を６００〜７００℃の温度で形成していた（例えば、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．６５， Ｎｏ．４ （１５ Ｆｅｂ． １９８９） ｐｐ．１６６６−１６７０、特開平１０−２０９５１７号公報）。
【０００４】
しかし、ＭｇＯ単結晶基板の熱膨張係数は１２０×１０−７／ｄｅｇであり、ＰＺＴの熱膨張係数は５６×１０−７／ｄｅｇであるため、ＭｇＯ単結晶基板上にＰＺＴ薄膜を形成すると、６００〜７００℃の形成温度から室温まで冷却する過程において両者の熱膨張係数の差によりＰＺＴ薄膜に大きな圧縮応力がかかることになる。そのため、ＰＺＴ薄膜は、全体が大きく縮んだ状態となり、電気エネルギーによって大きく伸び縮みする性質、すなわち、高い圧電特性が得られないことになる。たとえエッチングによってＭｇＯ単結晶基板を取り除いたとしても、室温付近では結晶内の各イオンの拡散が起こらないために、ＰＺＴ薄膜に圧縮応力が残留し完全に緩和されることはないので、大きな圧電変位を得ることができないという問題がある。
【０００５】
（発明の開示）
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、大きな圧電変位を得ることのできる圧電薄膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、高性能な圧電素子、インクジェットヘッド、及びインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る圧電薄膜の構成は、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなることを特徴とする。
【０００８】
イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域は、結晶内の残留圧縮応力を、柔らかいコイルバネのように自ら変形することによって吸収することができる。従って、前記本発明の圧電薄膜の構成によれば、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域によって結晶内の残留圧縮応力を緩和することができ、その結果、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能となる。
【０００９】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１０】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００１１】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００１２】
本発明に係る圧電薄膜の製造方法は、基板上に、チタン酸ランタン鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、ｃ軸が前記基板表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型の結晶からなる膜厚が０．００５〜０．０５μｍの極薄の第１の層を形成し、前記第１の層の上に、酸化鉛が過剰のチタン酸ジルコン酸鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１４】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００１５】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の構成は、一対の電極の間に、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１７】
前記本発明の圧電素子の構成によれば、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な前記本発明の圧電薄膜を備えているので、高性能な圧電素子を実現することができる。
【００１８】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００２０】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００２１】
本発明に係るインクジェットヘッドは、一対の電極間に前記本発明の圧電薄膜を備えた圧電素子からなるアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部の変位によってインク液に圧力を加える圧力室部品と、前記圧力室部品にインク液を供給するインク液流路部品と、インク液を押し出すノズル板とが接着されたインク吐出素子と、前記インク吐出素子を駆動する駆動電源素子とから構成されていることを特徴とする。このインクジェットヘッドの構成によれば、アクチュエータ部が大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電素子を用いて作製されているため、インク液の吐出能力が高い。また、このようにインク液の吐出能力が高いため、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができるので、インク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることができる。
【００２２】
また、本発明に係るインクジェット式記録装置の構成は、前記本発明のインクジェットヘッドと、前記のインクジェットヘッドを記録媒体の幅方向に移送するインクジェットヘッド移送手段と、前記インクジェットヘッドの移送方向に対して略垂直方向に前記記録媒体を移送する記録媒体移送手段とを備えたことを特徴とする。このインクジェット式記録装置の構成によれば、インク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることのできるインクジェットヘッドを用いて構成することにより、記録媒体に対する記録のばらつきを小さくすることができるので、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００２３】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における圧電素子を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の圧電素子１０は、長さが８００μｍ、厚さが４．１μｍのＴ字型の平板形状に形成されている。圧電素子１０の一端部１０ａ（長さ３００μｍ）は、他の部分１０ｂ（長さ５００μｍ）と比べて幅広に形成されている。すなわち、圧電素子１０の一端部１０ａの幅は５００μｍであり、圧電素子１０の他の部分１０ｂの幅は５０μｍである。圧電素子１０は、その一端部１０ａが導電性接着剤（銀ペースト）７によって導電性支持基板（ステンレス基板）４に固定され、これにより片持ち梁が構成されている。
【００２５】
圧電素子１０は、厚さ０．１μｍの白金製下部電極１と、下部電極１の上に設けられた厚さ２．５μｍの圧電薄膜２と、圧電薄膜２の上に設けられた厚さ１．５μｍのアルミニウム製上部電極３とにより構成されている。下部電極１と電気的に導通している導電性支持基板４には、リード線５が接続されている。また、上部電極３には、圧電素子１０の一端部１０ａに位置してリード線６が接続されている。そして、リード線５、６を介して圧電素子１０の下部電極１と上部電極３との間に電圧を印加すると、圧電薄膜２は図１のｘ方向に伸びる。圧電薄膜２の伸びの変化量ΔＬ（ｍ）は、印加電圧をＥ（Ｖ）、圧電薄膜２の厚さをｔ（ｍ）、圧電薄膜２の長さをＬ（ｍ）、圧電薄膜２の圧電定数をｄ３１（ｐｍ／Ｖ）として、下記（数１）によって表記される。
［数１］
ΔＬ＝ｄ３１×Ｌ×Ｅ／ｔ
ここで、膜厚の薄い下部電極１と接合している圧電薄膜２の下側部分はｘ方向へ伸びるが、膜厚の厚い上部電極３と接合している圧電薄膜２の上側部分は、膜厚の厚い上部電極３によってその伸び変位が抑制される。その結果、導電性支持基板４に固定された一端部１０ａ（端子側）と反対側の圧電素子１０の先端が図１の＋ｚ軸方向に変位する。従って、電圧の印加と除去を一定周波数で繰り返すと、圧電素子１０の先端が所定の変位幅でｚ軸方向に上下運動する。そして、印加電圧と圧電素子１０の先端の変位幅の大きさの関係を測定することにより、圧電薄膜２の変位特性を評価することができる。
【００２６】
次に、圧電素子１０の製造方法について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態における圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【００２７】
まず、図２（ａ）に示すように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板２０上にスパッタリング法によって白金（Ｐｔ）からなる下部電極１を形成し、次いで、下部電極１上にスパッタリング法によって圧電薄膜２を形成した。この圧電薄膜２の製造方法については、後で詳細に説明する。ここで、単結晶基板２０は、結晶方位（１００）面が表面に出るように切り出されており、その厚みは０．３ｍｍ、表面サイズは２０ｍｍ×１０ｍｍである。また、下部電極１は、その厚みが０．１μｍであり、（１００）面が表面となっている。また、圧電薄膜２の厚みは２．５μｍである。次いで、圧電薄膜２上にスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）からなる厚み１．５μｍの上部電極３を形成した。これにより、単結晶基板２０と下部電極１と圧電薄膜２と上部電極３とからなる積層体２６が得られた。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、積層体２６を、接着剤（アクリル樹脂）２１を用いてガラス基板２２に貼り合わせた。ここで、ガラス基板２２は上部電極３と対向配置されており、また、ガラス基板２２と上部電極３との間にも接着剤２１が介在した状態となっている。
【００２９】
次いで、単結晶基板２０をリン酸水溶液を用いて除去し、その後、図２（ｃ）に示すように、下部電極１上にＴ字型（図１参照）のフォトレジストパターン２３を形成した。
【００３０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、ドライエッチング法によって下部電極１と圧電薄膜２と上部電極３を図１に示す圧電素子１０の形状と寸法に加工した。
【００３１】
次いで、図２（ｅ）に示すように、下部電極１の一端部（図１の圧電素子１０の一端部１０ａを参照）を導電性接着剤７によって導電性支持基板４に固定した。
【００３２】
次いで、図２（ｆ）に示すように、接着剤２１とガラス基板２２を有機溶剤（エチルアルコール）を用いて溶解除去し、図１に示すように、下部電極１と電気的に導通している導電性支持基板４にリード線５を取り付けると共に、上部電極３にリード線６を取り付けた。
【００３３】
圧電薄膜２は、以下のようにして作製した。
【００３４】
すなわち、まず、（１００）面が表面となっている白金（Ｐｔ）からなる下部電極１が形成された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板２０を、ＲＦマグネトロンスパッタ装置のチャンバーの中で予め５６０℃の温度に加熱保持し、チタン酸ランタン鉛（Ｐｂ０．９２（Ｌａ０．０８Ｔｉ）Ｏ３）のターゲットを用いて、下部電極１上に、ｃ軸（〈００１〉軸）が表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型結晶構造でランタンを含有するチタン酸鉛からなる膜厚０．０２μｍの極薄の薄膜を形成した。この場合、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、３００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリングを行った。尚、この極薄の薄膜の膜厚は０．００５〜０．０５μｍの範囲にあるのが望ましい。
【００３５】
次いで、基板温度を６００℃にし、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３）に酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で５０％過剰に加えて調合したターゲットを用いて、前記極薄の薄膜の上に化学組成がＰｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記される膜厚２．５μｍの圧電薄膜２を形成した。この場合、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、６００Ｗの高周波電力を印加して２時間スパッタリングを行った。尚、加えられる酸化鉛（ＰｂＯ）の量は、モル比で２０〜６０％であるのが望ましい。
【００３６】
Ｘ線回折法によって解析した結果、圧電薄膜２は、正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜（ｃ軸のみが表面に垂直な方向を向いた構造の薄膜）であることが分かった。
【００３７】
また、Ｘ線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、圧電薄膜２の陽イオンの組成比はＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．５０：０．５３：０．４７であり、Ｐｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記できる化学組成になっていることが分かった。また、圧電薄膜２と白金薄膜（下部電極１）の界面近傍をＸ線マイクロアナライザーによって分析した結果、白金薄膜（下部電極１）の表面近傍に微量のランタンが存在していることが分かった。
【００３８】
また、圧電薄膜２の表面に垂直な方向から電子線を入射させて電子線回折パターンを解析した結果、ペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すことが分かった。
【００３９】
さらに、透過型電子顕微鏡による圧電薄膜断面の解析結果を加味すると、本実施の形態の圧電薄膜２の断面構造は、図３に模式的に示す構造になっていることが分かった。すなわち、図３に示すように、本実施の形態の圧電薄膜２は、酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４と、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５とにより構成されている。このような圧電薄膜２の構成によれば、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４によって、従来問題となっていた結晶内の残留圧縮応力を緩和することができる。尚、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５の柱状結晶の直径は１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが望ましい。
【００４０】
上記のようにして作製した圧電素子１０の下部電極１と上部電極３との間にリード線５、６を介して±２０Ｖの三角波電圧を印加し、圧電素子１０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を測定した。図４に、周波数１０Ｈｚの電圧を印加した場合の圧電素子１０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を示す。図４に示すように、±２０Ｖの電圧を印加した場合、圧電素子１０の先端は最大で±３２μｍ変位している。
【００４１】
化学組成の異なるスパッタターゲットを用いて圧電薄膜の組成と厚みの異なる圧電素子を作製し、上記と同様にしてそれぞれの先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を測定した。尚、このときの下部電極１と上部電極３の材料と厚みは、上記圧電素子１０の場合と同じである。下記（表１）に、その結果を示す。
【００４２】
【表１】
上記（表１）から明らかなように、圧電薄膜の化学組成をＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａで表記したとき、鉛の過剰モル比ａが０．２以上０．６以下の場合に大きな変位量が得られ、また、ジルコンの組成モル比ｘが０．５０以上０．６２以下の場合に大きな変位量が得られることが分かる。また、圧電薄膜の厚みが１．７μｍ以上の場合に大きな変位量が得られることが分かる。しかし、圧電薄膜の厚みが７μｍを超えると、圧電薄膜の形成時に表面の凹凸が大きくなり、上部電極３を平坦に形成することが困難となり、その結果、変位量のばらつきの小さい圧電素子を安定して作製することが困難になることが分かった。
【００４３】
比較例として、従来の圧電薄膜である化学組成がＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３で表記できる薄膜を用いて、その他の構成が図１と同じ圧電素子を作製して、印加電圧と先端変位量との関係を測定した。その結果を図５に示す。図５に示すように、±２０Ｖの電圧を印加したとき、この圧電素子の先端の変位量は最大±１５μｍであり、本実施の形態の圧電素子の場合よりも小さかった。尚、この結果は、上記（表１）のＮｏ．２０に従来例として挙げられている。
【００４４】
以上のように、本実施の形態の圧電薄膜によれば、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４と、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５とにより構成されることにより、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４によって結晶内の残留圧縮応力を緩和することができるので、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能となる。
【００４５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の圧電薄膜を用いたインクジェットヘッドについて説明する。
【００４６】
図６は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドを示す概略構成図である。図６に示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド２０１は、１０個が列になって並んで配置された同形状のインク吐出素子２０２と、それぞれのインク吐出素子２０２の電極と連結され、それらのインク吐出素子２０２を駆動する駆動電源素子２０３とより構成されている。
【００４７】
図７は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図である。図７に示すインク吐出素子２０２において、Ａは圧力室部品であって、この圧力室部品Ａには圧力室用開口部３１が形成されている。Ｂは圧力室用開口部３１の上端開口面（大きさ：短軸が２００μｍ、長軸が４００μｍの楕円形状）を覆うように配置されたアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部３１の下端開口面を覆うように配置されたインク液流路部品である。すなわち、圧力室部品Ａの圧力室用開口部３１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂとインク液流路部品Ｃとにより区画され、これにより圧力室３２（厚さ０．２ｍｍ）が形成されている。尚、アクチュエータ部Ｂには、圧力室３２の上方に位置して個別電極３３が配置されている。また、インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ、複数個のインク吐出素子２０２の各圧力室３２間で共用される共通液室３５と、この共通液室３５を圧力室３２に連通する供給口３６と、圧力室３２内のインク液が流出するインク流路３７とが形成されている。Ｄはノズル板であって、このノズル板Ｄにはインク流路３７に連通するノズル孔３８（直径３０μｍ）が穿設されている。以上の部品Ａ〜Ｄが接着剤によって接着されて、インク吐出素子２０２が得られる。尚、図６において、駆動電源素子２０３は、ボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子２０２の各個別電極３３に電圧を供給する。
【００４８】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成について、図８を参照しながら説明する。図８は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子のアクチュエータ部を示す図７のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図８に示すように、アクチュエータ部Ｂは、上方に位置する厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）薄膜からなる個別電極３３と、この個別電極３３の直下に位置する厚さ３．０μｍの圧電薄膜４１と、この圧電薄膜４１の圧電効果によって変位し振動する振動板を兼ねた共通電極４４とを有している。ここで、圧電薄膜４１の材料としては、化学組成がＰｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記される圧電材料が用いられている。また、振動板を兼ねた共通電極４４は、導電性物質であるクロム（Ｃｒ）薄膜（厚さ３．５μｍ）からなり、各インク吐出素子２０２のそれぞれの圧力室３２間で共用されている。さらに、アクチュエータ部Ｂは、振動板を兼ねた共通電極４４と各圧電薄膜４１との間に配置され、両者の密着を強固にする密着層４３を有している。この密着層４３は、チタン（Ｔｉ）の薄膜（厚さ０．０５μｍ）からなる。また、個別電極３３が上部表面に形成された圧電薄膜４１の周囲には、この圧電薄膜４１と同じ膜厚のポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜４２によって覆われており、個別電極３３のリード線形状部分は、この電気絶縁有機膜４２の上部に形成されている。尚、電気絶縁有機膜４２は印刷法によって形成し、その他の薄膜はスパッタリング法によって形成した。
【００４９】
以上のように構成されたインクジェットヘッド２０１においては、駆動電源素子２０３からボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子２０２の各個別電極３３に電圧が供給され、圧電薄膜４１の圧電効果によって共通電極４４が変位し振動することにより、共通液室３５内のインク液が供給口３６、圧力室３２、インク流路３７を経由してノズル孔３８から吐出される。この場合、インクジェットヘッド２０１は、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電薄膜４１を用いて作製されているため、インク液の吐出能力が高い。また、このようにインク液の吐出能力が高いために、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができるので、複数個のインク吐出素子２０２間のインク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることができる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置について説明する。
【００５１】
図９は本発明の第３の実施の形態におけるインクジェット式記録装置の全体を示す概略斜視図である。図９に示すように、本実施の形態のインクジェット式記録装置５１は、圧電薄膜の圧電効果を利用して記録を行う本実施の形態のインクジェットヘッド２０１を備えており、インクジェットヘッド２０１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体５２に着弾させることにより、記録媒体５２に記録を行うことができる。インクジェットヘッド２０１は、主走査方向（図９のＸ方向）に沿って配置されたキャリッジ軸５３に摺動可能に取り付けられたキャリッジ５４に搭載されている。そして、キャリッジ５４がキャリッジ軸５３に沿って往復動することにより、インクジェットヘッド２０１は主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置５１は、記録媒体５２をインクジェットヘッド２０１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（記録媒体移送手段）５５を備えている。
【００５２】
以上のように、複数個のインク吐出素子間のインク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることのできる上記第２の実施の形態のインクジェットヘッド２０１を用いてインクジェット式記録装置を構成することにより、紙等の記録媒体５２に対する記録のばらつきを小さくすることができるので、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００５３】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明によれば、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電薄膜を実現することができるので、インク液の吐出能力の向上が要求されるインクジェットヘッドに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子を示す斜視図
【図２】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子の製造方法を示す工程図
【図３】
本発明の第１の実施の形態における圧電薄膜の断面構造を示す模式図
【図４】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子の特性図
【図５】
本発明の第１の実施の形態における従来の圧電素子を用いた場合の特性図
【図６】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドを示す概略構成図
【図７】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図
【図８】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子のアクチュエータ部を示す図７のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面
【図９】
本発明の第３の実施の形態におけるインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置の全体を示す概略斜視図
（技術分野）
本発明は、マイクロポンプ、マイクロスピーカー、インクジエツトヘツド等に利用される圧電薄膜及びその製造方法、並びにその圧電薄膜を備えた圧電素子、並びにその圧電薄膜を用いたインクジェットヘッド、並びにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
圧電材料は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。圧電材料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型の結晶構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下、『ＰＺＴ』と記す）がある。特にペロブスカイト型の正方晶系結晶構造を有するＰＺＴの場合には、ｃ軸方向（〈００１〉軸方向）に最も大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向いている。従って、自発分極Ｐｓもでたらめに配列している。
【０００３】
ところで、近年の電子機器の小型化に伴なって、圧電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。そして、その要求を満たすために、圧電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薄膜の形態で使用されるようになりつつあり、圧電素子に対する薄膜化の研究開発が盛んになってきた。例えば、ＰＺＴの場合、自発分極Ｐｓはｃ軸方向を向いているので、薄膜化しても高い圧電特性を実現するためには、ＰＺＴ薄膜を構成する結晶のｃ軸を基板表面に対して垂直方向に揃える必要がある。そして、これを実現するために、従来においては、結晶方位（１００）面が表面に出るように切り出した岩塩型結晶構造の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶の基板を用い、その表面に対して垂直方向にｃ軸（〈００１〉軸）配向したＰＺＴ薄膜を６００〜７００℃の温度で形成していた（例えば、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．６５， Ｎｏ．４ （１５ Ｆｅｂ． １９８９） ｐｐ．１６６６−１６７０、特開平１０−２０９５１７号公報）。
【０００４】
しかし、ＭｇＯ単結晶基板の熱膨張係数は１２０×１０−７／ｄｅｇであり、ＰＺＴの熱膨張係数は５６×１０−７／ｄｅｇであるため、ＭｇＯ単結晶基板上にＰＺＴ薄膜を形成すると、６００〜７００℃の形成温度から室温まで冷却する過程において両者の熱膨張係数の差によりＰＺＴ薄膜に大きな圧縮応力がかかることになる。そのため、ＰＺＴ薄膜は、全体が大きく縮んだ状態となり、電気エネルギーによって大きく伸び縮みする性質、すなわち、高い圧電特性が得られないことになる。たとえエッチングによってＭｇＯ単結晶基板を取り除いたとしても、室温付近では結晶内の各イオンの拡散が起こらないために、ＰＺＴ薄膜に圧縮応力が残留し完全に緩和されることはないので、大きな圧電変位を得ることができないという問題がある。
【０００５】
（発明の開示）
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、大きな圧電変位を得ることのできる圧電薄膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、高性能な圧電素子、インクジェットヘッド、及びインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る圧電薄膜の構成は、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなることを特徴とする。
【０００８】
イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域は、結晶内の残留圧縮応力を、柔らかいコイルバネのように自ら変形することによって吸収することができる。従って、前記本発明の圧電薄膜の構成によれば、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域によって結晶内の残留圧縮応力を緩和することができ、その結果、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能となる。
【０００９】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１０】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００１１】
また、前記本発明の圧電薄膜の構成においては、表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００１２】
本発明に係る圧電薄膜の製造方法は、基板上に、チタン酸ランタン鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、ｃ軸が前記基板表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型の結晶からなる膜厚が０．００５〜０．０５μｍの極薄の第１の層を形成し、前記第１の層の上に、酸化鉛が過剰のチタン酸ジルコン酸鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１４】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００１５】
また、前記本発明の圧電薄膜の製造方法においては、前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の構成は、一対の電極の間に、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を備えたことを特徴とする。
【００１７】
前記本発明の圧電素子の構成によれば、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な前記本発明の圧電薄膜を備えているので、高性能な圧電素子を実現することができる。
【００１８】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜であるのが好ましい。
【００２０】
また、前記本発明の圧電素子の構成においては、前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すのが好ましい。
【００２１】
本発明に係るインクジェットヘッドは、一対の電極間に前記本発明の圧電薄膜を備えた圧電素子からなるアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部の変位によってインク液に圧力を加える圧力室部品と、前記圧力室部品にインク液を供給するインク液流路部品と、インク液を押し出すノズル板とが接着されたインク吐出素子と、前記インク吐出素子を駆動する駆動電源素子とから構成されていることを特徴とする。このインクジェットヘッドの構成によれば、アクチュエータ部が大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電素子を用いて作製されているため、インク液の吐出能力が高い。また、このようにインク液の吐出能力が高いため、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができるので、インク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることができる。
【００２２】
また、本発明に係るインクジェット式記録装置の構成は、前記本発明のインクジェットヘッドと、前記のインクジェットヘッドを記録媒体の幅方向に移送するインクジェットヘッド移送手段と、前記インクジェットヘッドの移送方向に対して略垂直方向に前記記録媒体を移送する記録媒体移送手段とを備えたことを特徴とする。このインクジェット式記録装置の構成によれば、インク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることのできるインクジェットヘッドを用いて構成することにより、記録媒体に対する記録のばらつきを小さくすることができるので、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００２３】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における圧電素子を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の圧電素子１０は、長さが８００μｍ、厚さが４．１μｍのＴ字型の平板形状に形成されている。圧電素子１０の一端部１０ａ（長さ３００μｍ）は、他の部分１０ｂ（長さ５００μｍ）と比べて幅広に形成されている。すなわち、圧電素子１０の一端部１０ａの幅は５００μｍであり、圧電素子１０の他の部分１０ｂの幅は５０μｍである。圧電素子１０は、その一端部１０ａが導電性接着剤（銀ペースト）７によって導電性支持基板（ステンレス基板）４に固定され、これにより片持ち梁が構成されている。
【００２５】
圧電素子１０は、厚さ０．１μｍの白金製下部電極１と、下部電極１の上に設けられた厚さ２．５μｍの圧電薄膜２と、圧電薄膜２の上に設けられた厚さ１．５μｍのアルミニウム製上部電極３とにより構成されている。下部電極１と電気的に導通している導電性支持基板４には、リード線５が接続されている。また、上部電極３には、圧電素子１０の一端部１０ａに位置してリード線６が接続されている。そして、リード線５、６を介して圧電素子１０の下部電極１と上部電極３との間に電圧を印加すると、圧電薄膜２は図１のｘ方向に伸びる。圧電薄膜２の伸びの変化量ΔＬ（ｍ）は、印加電圧をＥ（Ｖ）、圧電薄膜２の厚さをｔ（ｍ）、圧電薄膜２の長さをＬ（ｍ）、圧電薄膜２の圧電定数をｄ３１（ｐｍ／Ｖ）として、下記（数１）によって表記される。
［数１］
ΔＬ＝ｄ３１×Ｌ×Ｅ／ｔ
ここで、膜厚の薄い下部電極１と接合している圧電薄膜２の下側部分はｘ方向へ伸びるが、膜厚の厚い上部電極３と接合している圧電薄膜２の上側部分は、膜厚の厚い上部電極３によってその伸び変位が抑制される。その結果、導電性支持基板４に固定された一端部１０ａ（端子側）と反対側の圧電素子１０の先端が図１の＋ｚ軸方向に変位する。従って、電圧の印加と除去を一定周波数で繰り返すと、圧電素子１０の先端が所定の変位幅でｚ軸方向に上下運動する。そして、印加電圧と圧電素子１０の先端の変位幅の大きさの関係を測定することにより、圧電薄膜２の変位特性を評価することができる。
【００２６】
次に、圧電素子１０の製造方法について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態における圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【００２７】
まず、図２（ａ）に示すように、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板２０上にスパッタリング法によって白金（Ｐｔ）からなる下部電極１を形成し、次いで、下部電極１上にスパッタリング法によって圧電薄膜２を形成した。この圧電薄膜２の製造方法については、後で詳細に説明する。ここで、単結晶基板２０は、結晶方位（１００）面が表面に出るように切り出されており、その厚みは０．３ｍｍ、表面サイズは２０ｍｍ×１０ｍｍである。また、下部電極１は、その厚みが０．１μｍであり、（１００）面が表面となっている。また、圧電薄膜２の厚みは２．５μｍである。次いで、圧電薄膜２上にスパッタリング法によってアルミニウム（Ａｌ）からなる厚み１．５μｍの上部電極３を形成した。これにより、単結晶基板２０と下部電極１と圧電薄膜２と上部電極３とからなる積層体２６が得られた。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、積層体２６を、接着剤（アクリル樹脂）２１を用いてガラス基板２２に貼り合わせた。ここで、ガラス基板２２は上部電極３と対向配置されており、また、ガラス基板２２と上部電極３との間にも接着剤２１が介在した状態となっている。
【００２９】
次いで、単結晶基板２０をリン酸水溶液を用いて除去し、その後、図２（ｃ）に示すように、下部電極１上にＴ字型（図１参照）のフォトレジストパターン２３を形成した。
【００３０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、ドライエッチング法によって下部電極１と圧電薄膜２と上部電極３を図１に示す圧電素子１０の形状と寸法に加工した。
【００３１】
次いで、図２（ｅ）に示すように、下部電極１の一端部（図１の圧電素子１０の一端部１０ａを参照）を導電性接着剤７によって導電性支持基板４に固定した。
【００３２】
次いで、図２（ｆ）に示すように、接着剤２１とガラス基板２２を有機溶剤（エチルアルコール）を用いて溶解除去し、図１に示すように、下部電極１と電気的に導通している導電性支持基板４にリード線５を取り付けると共に、上部電極３にリード線６を取り付けた。
【００３３】
圧電薄膜２は、以下のようにして作製した。
【００３４】
すなわち、まず、（１００）面が表面となっている白金（Ｐｔ）からなる下部電極１が形成された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板２０を、ＲＦマグネトロンスパッタ装置のチャンバーの中で予め５６０℃の温度に加熱保持し、チタン酸ランタン鉛（Ｐｂ０．９２（Ｌａ０．０８Ｔｉ）Ｏ３）のターゲットを用いて、下部電極１上に、ｃ軸（〈００１〉軸）が表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型結晶構造でランタンを含有するチタン酸鉛からなる膜厚０．０２μｍの極薄の薄膜を形成した。この場合、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、３００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリングを行った。尚、この極薄の薄膜の膜厚は０．００５〜０．０５μｍの範囲にあるのが望ましい。
【００３５】
次いで、基板温度を６００℃にし、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３）に酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で５０％過剰に加えて調合したターゲットを用いて、前記極薄の薄膜の上に化学組成がＰｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記される膜厚２．５μｍの圧電薄膜２を形成した。この場合、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持し、６００Ｗの高周波電力を印加して２時間スパッタリングを行った。尚、加えられる酸化鉛（ＰｂＯ）の量は、モル比で２０〜６０％であるのが望ましい。
【００３６】
Ｘ線回折法によって解析した結果、圧電薄膜２は、正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜（ｃ軸のみが表面に垂直な方向を向いた構造の薄膜）であることが分かった。
【００３７】
また、Ｘ線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、圧電薄膜２の陽イオンの組成比はＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．５０：０．５３：０．４７であり、Ｐｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記できる化学組成になっていることが分かった。また、圧電薄膜２と白金薄膜（下部電極１）の界面近傍をＸ線マイクロアナライザーによって分析した結果、白金薄膜（下部電極１）の表面近傍に微量のランタンが存在していることが分かった。
【００３８】
また、圧電薄膜２の表面に垂直な方向から電子線を入射させて電子線回折パターンを解析した結果、ペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示すことが分かった。
【００３９】
さらに、透過型電子顕微鏡による圧電薄膜断面の解析結果を加味すると、本実施の形態の圧電薄膜２の断面構造は、図３に模式的に示す構造になっていることが分かった。すなわち、図３に示すように、本実施の形態の圧電薄膜２は、酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４と、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５とにより構成されている。このような圧電薄膜２の構成によれば、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４によって、従来問題となっていた結晶内の残留圧縮応力を緩和することができる。尚、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５の柱状結晶の直径は１５０〜４００ｎｍの範囲にあるのが望ましい。
【００４０】
上記のようにして作製した圧電素子１０の下部電極１と上部電極３との間にリード線５、６を介して±２０Ｖの三角波電圧を印加し、圧電素子１０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を測定した。図４に、周波数１０Ｈｚの電圧を印加した場合の圧電素子１０の先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を示す。図４に示すように、±２０Ｖの電圧を印加した場合、圧電素子１０の先端は最大で±３２μｍ変位している。
【００４１】
化学組成の異なるスパッタターゲットを用いて圧電薄膜の組成と厚みの異なる圧電素子を作製し、上記と同様にしてそれぞれの先端のｚ軸方向の上下運動の変位量を測定した。尚、このときの下部電極１と上部電極３の材料と厚みは、上記圧電素子１０の場合と同じである。下記（表１）に、その結果を示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
比較例として、従来の圧電薄膜である化学組成がＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３で表記できる薄膜を用いて、その他の構成が図１と同じ圧電素子を作製して、印加電圧と先端変位量との関係を測定した。その結果を図５に示す。図５に示すように、±２０Ｖの電圧を印加したとき、この圧電素子の先端の変位量は最大±１５μｍであり、本実施の形態の圧電素子の場合よりも小さかった。尚、この結果は、上記（表１）のＮｏ．２０に従来例として挙げられている。
【００４４】
以上のように、本実施の形態の圧電薄膜によれば、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４と、イオン欠陥のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域２５とにより構成されることにより、イオン欠陥のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域２４によって結晶内の残留圧縮応力を緩和することができるので、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能となる。
【００４５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の圧電薄膜を用いたインクジェットヘッドについて説明する。
【００４６】
図６は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドを示す概略構成図である。図６に示すように、本実施の形態のインクジェットヘッド２０１は、１０個が列になって並んで配置された同形状のインク吐出素子２０２と、それぞれのインク吐出素子２０２の電極と連結され、それらのインク吐出素子２０２を駆動する駆動電源素子２０３とより構成されている。
【００４７】
図７は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図である。図７に示すインク吐出素子２０２において、Ａは圧力室部品であって、この圧力室部品Ａには圧力室用開口部３１が形成されている。Ｂは圧力室用開口部３１の上端開口面（大きさ：短軸が２００μｍ、長軸が４００μｍの楕円形状）を覆うように配置されたアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部３１の下端開口面を覆うように配置されたインク液流路部品である。すなわち、圧力室部品Ａの圧力室用開口部３１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂとインク液流路部品Ｃとにより区画され、これにより圧力室３２（厚さ０．２ｍｍ）が形成されている。尚、アクチュエータ部Ｂには、圧力室３２の上方に位置して個別電極３３が配置されている。また、インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ、複数個のインク吐出素子２０２の各圧力室３２間で共用される共通液室３５と、この共通液室３５を圧力室３２に連通する供給口３６と、圧力室３２内のインク液が流出するインク流路３７とが形成されている。Ｄはノズル板であって、このノズル板Ｄにはインク流路３７に連通するノズル孔３８（直径３０μｍ）が穿設されている。以上の部品Ａ〜Ｄが接着剤によって接着されて、インク吐出素子２０２が得られる。尚、図６において、駆動電源素子２０３は、ボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子２０２の各個別電極３３に電圧を供給する。
【００４８】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成について、図８を参照しながら説明する。図８は本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子のアクチュエータ部を示す図７のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図８に示すように、アクチュエータ部Ｂは、上方に位置する厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）薄膜からなる個別電極３３と、この個別電極３３の直下に位置する厚さ３．０μｍの圧電薄膜４１と、この圧電薄膜４１の圧電効果によって変位し振動する振動板を兼ねた共通電極４４とを有している。ここで、圧電薄膜４１の材料としては、化学組成がＰｂ１．５０（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３．５で表記される圧電材料が用いられている。また、振動板を兼ねた共通電極４４は、導電性物質であるクロム（Ｃｒ）薄膜（厚さ３．５μｍ）からなり、各インク吐出素子２０２のそれぞれの圧力室３２間で共用されている。さらに、アクチュエータ部Ｂは、振動板を兼ねた共通電極４４と各圧電薄膜４１との間に配置され、両者の密着を強固にする密着層４３を有している。この密着層４３は、チタン（Ｔｉ）の薄膜（厚さ０．０５μｍ）からなる。また、個別電極３３が上部表面に形成された圧電薄膜４１の周囲には、この圧電薄膜４１と同じ膜厚のポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜４２によって覆われており、個別電極３３のリード線形状部分は、この電気絶縁有機膜４２の上部に形成されている。尚、電気絶縁有機膜４２は印刷法によって形成し、その他の薄膜はスパッタリング法によって形成した。
【００４９】
以上のように構成されたインクジェットヘッド２０１においては、駆動電源素子２０３からボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子２０２の各個別電極３３に電圧が供給され、圧電薄膜４１の圧電効果によって共通電極４４が変位し振動することにより、共通液室３５内のインク液が供給口３６、圧力室３２、インク流路３７を経由してノズル孔３８から吐出される。この場合、インクジェットヘッド２０１は、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電薄膜４１を用いて作製されているため、インク液の吐出能力が高い。また、このようにインク液の吐出能力が高いために、電源電圧の調整幅にマージンを大きくとることができるので、複数個のインク吐出素子２０２間のインク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることができる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置について説明する。
【００５１】
図９は本発明の第３の実施の形態におけるインクジェット式記録装置の全体を示す概略斜視図である。図９に示すように、本実施の形態のインクジェット式記録装置５１は、圧電薄膜の圧電効果を利用して記録を行う本実施の形態のインクジェットヘッド２０１を備えており、インクジェットヘッド２０１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体５２に着弾させることにより、記録媒体５２に記録を行うことができる。インクジェットヘッド２０１は、主走査方向（図９のＸ方向）に沿って配置されたキャリッジ軸５３に摺動可能に取り付けられたキャリッジ５４に搭載されている。そして、キャリッジ５４がキャリッジ軸５３に沿って往復動することにより、インクジェットヘッド２０１は主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置５１は、記録媒体５２をインクジェットヘッド２０１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（記録媒体移送手段）５５を備えている。
【００５２】
以上のように、複数個のインク吐出素子間のインク液の吐出のばらつきを容易にコントロールすることのできる上記第２の実施の形態のインクジェットヘッド２０１を用いてインクジェット式記録装置を構成することにより、紙等の記録媒体５２に対する記録のばらつきを小さくすることができるので、信頼性の高いインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００５３】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明によれば、大きな圧電変位（変位量）を得ることが可能な圧電薄膜を実現することができるので、インク液の吐出能力の向上が要求されるインクジェットヘッドに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子を示す斜視図
【図２】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子の製造方法を示す工程図
【図３】
本発明の第１の実施の形態における圧電薄膜の断面構造を示す模式図
【図４】
本発明の第１の実施の形態における圧電素子の特性図
【図５】
本発明の第１の実施の形態における従来の圧電素子を用いた場合の特性図
【図６】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドを示す概略構成図
【図７】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図
【図８】
本発明の第２の実施の形態におけるインクジェットヘッドに用いられるインク吐出素子のアクチュエータ部を示す図７のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面
【図９】
本発明の第３の実施の形態におけるインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置の全体を示す概略斜視図
Claims (14)
- 化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜。
- 前記のイオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にある請求項１に記載の圧電薄膜。
- Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜である請求項１に記載の圧電薄膜。
- 表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示す請求項１に記載の圧電薄膜。
- 基板上に、チタン酸ランタン鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、ｃ軸が前記基板表面に対して垂直方向に成長したペロブスカイト型の結晶からなる膜厚が０．００５〜０．０５μｍの極薄の第１の層を形成し、前記第１の層の上に、酸化鉛が過剰のチタン酸ジルコン酸鉛のターゲットを用いて、スパッタリング法により、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を形成する圧電薄膜の製造方法。
- 前記イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域の柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にある請求項５に記載の圧電薄膜の製造方法。
- 前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜である請求項５に記載の圧電薄膜の製造方法。
- 前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示す請求項５に記載の圧電薄膜の製造方法。
- 一対の電極の間に、化学組成がＰｂ１＋ａ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３＋ａ（但し、０．２≦ａ≦０．６、０．５０≦ｘ≦０．６２）で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域とからなる圧電薄膜を備えた圧電素子。
- 柱状結晶の直径が１５０〜４００ｎｍの範囲にある請求項９に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜が、Ｘ線回折的に正方晶系のペロブスカイト型の結晶構造を示し、かつ、ｃ軸方向に成長した薄膜である請求項９に記載の圧電素子。
- 前記圧電薄膜の表面に垂直な方向から電子線を入射させたときの電子線回折がペロブスカイト型単結晶のｃ面のスポットパターンを示す請求項９に記載の圧電素子。
- 一対の電極間に請求項１に記載の圧電薄膜を備えた圧電素子からなるアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部の変位によってインク液に圧力を加える圧力室部品と、前記圧力室部品にインク液を供給するインク液流路部品と、インク液を押し出すノズル板とが接着されたインク吐出素子と、前記インク吐出素子を駆動する駆動電源素子とによって構成されたインクジェットヘッド。
- 請求項１３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を記録媒体の幅方向に移送するインクジェットヘッド移送手段と、前記インクジェットヘッドの移送方向に対して略垂直方向に前記記録媒体を移送する記録媒体移送手段とを備えたインクジェット式記録装置。
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