JPWO2010122707A1 - 圧電体薄膜とその製造方法、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 - Google Patents

圧電体薄膜とその製造方法、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 Download PDF

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Abstract

非鉛強誘電材料を含む圧電体薄膜であって、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と同レベルの高い圧電性能を示す圧電体薄膜とその製造方法とを提供する。本発明の圧電体薄膜は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と、を具備し、前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜がこの順に積層されている。

Description

本発明は、圧電体層を備える圧電体薄膜とその製造方法に関する。さらに、本発明は、当該圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッドと当該ヘッドを用いて画像を形成する方法、当該圧電体薄膜を備える角速度センサと当該センサを用いて角速度を測定する方法ならびに当該圧電体薄膜を備える圧電発電素子と当該素子を用いた発電方法に関する。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3、０＜ｘ＜１）は、大きな電荷を蓄えることができる代表的な強誘電材料である。ＰＺＴは、コンデンサおよび薄膜メモリに使用されている。ＰＺＴは、強誘電性に基づく焦電性および圧電性を有する。ＰＺＴは高い圧電性能を有する。組成の調整または元素の添加によって、ＰＺＴの機械的品質係数Ｑｍは容易に制御され得る。これらが、センサ、アクチュエータ、超音波モータ、フィルタ回路および発振子へのＰＺＴの応用を可能にしている。
しかし、ＰＺＴは多量の鉛を含む。近年、廃棄物からの鉛の溶出による、生態系および環境への深刻な被害が懸念されている。このため、国際的にも鉛の使用の制限が進められている。従って、ＰＺＴとは異なり、鉛を含有しない強誘電材料（非鉛強誘電材料）が求められている。
現在開発が進められている非鉛（lead-free）強誘電材料の一例が、ビスマス（Ｂｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）およびチタン（Ｔｉ）からなるペロブスカイト型複合酸化物［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）1-yＢａy］ＴｉＯ3である。特許文献１および非特許文献１は、バリウム量ｙ（＝［Ｂａ／（Ｂｉ＋Ｎａ＋Ｂａ）］）が５〜１０％である場合に、当該強誘電材料が、およそ１２５ｐＣ／Ｎの圧電定数ｄ33を有し、高い圧電性能を有することを開示している。ただし、当該強誘電体材料の圧電性能は、ＰＺＴの圧電性能より低い。
特許文献２、非特許文献２、および非特許文献３は、特定の方向に配向した（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の作製を開示している。配向により（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の分極軸を揃えることによって、当該膜が有する残留分極および圧電性能のような強誘電特性の向上が期待される。
しかし、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3バルクとは異なり、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3薄膜は、リーク電流を生じる。非特許文献１は、厚み１ｍｍの（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3ディスクであって、およそ１％の誘電損失ｔａｎδを有するディスクを開示する。これに対して、非特許文献３は、ｋＨｚ以下の低周波領域における（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ3薄膜の誘電損失が２０％に届くことを開示する。リーク電流が多い（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の強誘電特性は著しく劣化する。このため、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜のリーク電流を抑えることが必要とされる。
特許文献３は、ニオブ酸系化合物（（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ3）により構成された圧電体層と基板との間にＮａＮｂＯ3膜が挟まれた圧電体薄膜を開示する。
特公平4-60073号公報 特開2007-266346号公報 特開2007-019302号公報
T. Takenaka et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 9B, (1991), pp. 2236-2239 H. W. Cheng et al., Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004), pp. 2319-2321 Z. H. Zhou et al., Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004), pp. 804-806
本発明の目的は、非鉛強誘電材料を含み、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を有する非鉛圧電体薄膜およびその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、当該非鉛圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子を提供することである。本発明のさらに他の目的は、当該インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、当該角速度センサを用いて角速度を測定する方法および当該圧電発電素子を用いた発電方法を提供することである。
本発明者らは、
・下地層の組成および結晶構造に拘わらず、当該下地層の上に形成したＬａＮｉＯ3膜が（００１）配向を有すること、および
・当該ＬａＮｉＯ3膜上にＮａＮｂＯ3により構成される界面層を形成し、さらに、当該界面層上に圧電体層として（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成することによって、高い結晶性、高い（００１）配向性、低い誘電損失、および高い圧電性能を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が得られること、を見出した。本発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
本発明の圧電体薄膜は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と、を具備する。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜は、この順に積層されている。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を形成する工程、前記ＬａＮｉＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜を形成する工程、および、前記ＮａＮｂＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成して、前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜がこの順に積層された圧電体薄膜を得る工程、を包含する。
本発明のインクジェットヘッドは、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜に接合された振動層と、インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備える。前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合されている。前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。
インクジェットヘッドを用いて画像を形成する本発明の方法は、前記インクジェットヘッドを準備する工程、および下記の工程Ａを包含する。ここで、前記インクジェットヘッドは、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜に接合された振動層と、インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備える。前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合されている。前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記工程Ａは、前記第１の電極および前記第２の電極を介して前記圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、前記圧力室の容積が変化するように前記振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により前記圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程、である。
本発明の角速度センサは、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、前記振動部を発振させる駆動電圧を前記圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を測定するためのセンス電極とを含む電極群により構成されている。
角速度センサを用いて角速度を測定する本発明の方法は、前記角速度センサを準備する工程、ならびに、下記の工程Ｂおよび工程Ｃを包含する。ここで、前記角速度センサは、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されている。前記工程Ｂは、駆動電圧を、前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる他方の電極と前記駆動電極とを介して前記圧電体層に印加することにより、前記振動部を発振させる工程、である。前記工程Ｃは、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を、前記他方の電極と前記センス電極とを介して測定することで前記加わった角速度の値を測定する工程、である。
本発明の圧電発電素子は、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。
圧電発電素子を用いた本発明の発電方法は、前記圧電発電素子を準備する工程、および、下記の工程Ｄを包含する。ここで、前記圧電発電素子は、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記工程Ｄは、前記振動部に振動を与えることにより、前記第１の電極および前記第２の電極との間に電位差を生じさせる工程、である。
本発明は、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を示す非鉛圧電体薄膜を実現する。
本発明は、当該非鉛圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子と、これらを用いて画像を形成する方法、角速度を測定する方法および発電方法とを実現する。本発明のインクジェットヘッドは、優れたインク吐出特性を有する。当該インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法は、高い精度および表現性を有する。本発明の角速度センサは、優れたセンサ感度を有する。当該角速度センサを用いて角速度を測定する方法は、優れた角速度の測定感度を有する。本発明の圧電発電素子は、優れた発電特性を有する。当該圧電発電素子を用いた発電方法は、優れた発電効率を有する。
図１Ａは、本発明の圧電体薄膜の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の圧電体薄膜の別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の圧電体薄膜のまた別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の圧電体薄膜のさらに別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｅは、本発明の圧電体薄膜の、さらにまた別の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明のインクジェットヘッドの一例を模式的に示す、部分的に当該インクジェットヘッドの断面が示された斜視図である。 図３は、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を模式的に示す、部分的に当該要部の断面が示された分解斜視図である。 図４Ａは、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部の一例を模式的に示す断面図である。 図４Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部の別の一例を模式的に示す断面図である。 図５Ａは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、圧電体層を含む積層体の形成工程を模式的に示す断面図である。 図５Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、後に圧力室部材となる部材の形成工程を模式的に示す断面図である。 図５Ｃは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、接着層を形成する工程を模式的に示す断面図である。 図６Ａは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、図５Ａに示す工程で形成した積層体と図５Ｂに示す工程で形成した部材とを接合する工程を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図６Ａに示す工程に続く工程（中間層のエッチング工程）を模式的に示す断面図である。 図７Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図６Ｂに示す工程に続く工程（下地基板の除去工程）を模式的に示す断面図である。 図７Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図７Ａに示す工程に続く工程（個別電極層の形成工程）を模式的に示す断面図である。 図８Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図７Ｂに示す工程に続く工程（圧電体層の微細加工工程）を模式的に示す断面図である。 図８Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図８Ａに示す工程に続く工程（基板の切断工程）を模式的に示す断面図である。 図９Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、インク流路部材およびノズル板の準備工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、インク流路部材とノズル板との接合工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｃは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、アクチュエータ部と圧力室部材との接合体と、インク流路部材とノズル板との接合体との接合工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｄは、図５Ａ〜図９Ｃに示す工程によって得たインクジェットヘッドを模式的に示す断面図である。 図１０は、圧力室部材とする基板上に、アクチュエータ部とする積層体を配置した一例を模式的に示す平面図である。 図１１は、本発明のインクジェットヘッドの別の一例を模式的に示す断面図である。 図１２Ａは、図１１に示すインクジェットの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図１２Ｂは、図１１に示すインクジェットの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図１３Ａは、本発明の角速度センサの一例を模式的に示す斜視図である。 図１３Ｂは、本発明の角速度センサの別の一例を模式的に示す斜視図である。 図１４Ａは、図１３Ａに示す角速度センサにおける断面Ｅ１を示す断面図である。 図１４Ｂは、図１３Ｂに示す角速度センサにおける断面Ｅ２を示す断面図である。 図１５Ａは、本発明の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。 図１５Ｂは、本発明の圧電発電素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。 図１６Ａは、図１５Ａに示す圧電発電素子における断面Ｆ１を示す断面図である。 図１６Ｂは、図１５Ｂに示す圧電発電素子における断面Ｆ２を示す断面図である。 図１７は、実施例および比較例１として作製した圧電体薄膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。 図１８は、実施例および比較例１として作製した圧電体薄膜のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す図である。 図１９は、比較例１として作製した圧電体薄膜の構造を模式的に示す断面図である。 図２０は、比較例２として作製した圧電体薄膜の構造を模式的に示す断面図である。 図２１は、比較例２として作製した圧電体薄膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では、同一の部材に同一の符号を与える。これにより、重複する説明が省略され得る。
［圧電体薄膜、圧電体薄膜の製造方法］
図１Ａは、本発明による圧電体薄膜の一形態を示す。図１Ａに示される圧電体薄膜１ａは、積層構造１６ａを有する。積層構造１６ａは、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１３〜１５は互いに接する。当該（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、圧電体層である。当該（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、小さいリーク電流とともに、高い結晶性および高い（００１）配向性を有する。このため、圧電体薄膜１ａは、鉛を含有しないにも拘わらず、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を有する。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、（００１）の面方位を表面に有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。当該結晶構造の格子定数は０．３８４ｎｍ（擬立方晶）である。このため、ＬａＮｉＯ3膜１３は、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する良好な格子整合性を有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、当該膜の下地層の組成および結晶構造に拘わらず、（００１）配向を有する。例えば、大きく異なる格子定数（０．５４３ｎｍ）を有するＳｉ単結晶基板の上に、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。ステンレスなどの金属からなる基板、ガラスなどの非晶質材料からなる基板、およびセラミクス基板の上にも、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、Ｌａを置換する希土類元素である。
ＬａＮｉＯ3は酸化物導電体である。ＬａＮｉＯ3膜１３は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。ＬａＮｉＯ3膜１３は、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、およびエアロゾル堆積法（ＡＤ法）のような薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法によれば、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成される。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、（００１）の面方位を表面に有する。ＮａＮｂＯ3膜１４は、界面層である。ＮａＮｂＯ3膜１４は、ＬａＮｉＯ3膜１３と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との間に挟まれている。ＮａＮｂＯ3膜１４は、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５を形成するために必要とされる。
高い結晶性、高い配向性、および小さいリーク電流を有する圧電体層の形成のために好適な界面層の組成を、圧電体層および界面層が有する格子定数の類似性または組成の類似性に基づいて予測することは困難である。即ち、圧電体層の格子定数または組成に類似する格子定数または組成を有する界面層を単に設けることによって、上記の望ましい圧電体層は得られない。この理由は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3のような多元系複合酸化物を構成する各元素（酸素を除く）が異なる蒸気圧を有するため、良好な結晶性および良好な配向性を有する、当該複合酸化物により構成される薄膜を形成することが一般に困難であるからである。本発明者らは、ＮａＮｂＯ3膜１４の上に設けられた（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が、高い結晶性、高い配向性、および小さいリーク電流を有することを見出した。
ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは限定されない。当該厚みが数格子単位（約２ｎｍ）以上であれば、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が形成され得る。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。サイトＡの主成分はＮａ、サイトＢの主成分はＮｂである。ＮａＮｂＯ3膜１４は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、Ｎａを置換するＫまたはＬｉであり得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３とＮａＮｂＯ3膜１４との間には、必要に応じて、（００１）配向膜がさらに挟まれ得る。（００１）配向膜は、例えば、Ｐｔ膜およびＳｒＲｕＯ3膜である。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。ＮａＮｂＯ3膜１４は、（００１）配向を有する限り、例えば、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、およびＡＤ法のような薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＬａＮｉＯ3膜１３の上に、スパッタリング法により、ＮａＮｂＯ3膜１４が形成される。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3により構成される膜である。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（００１）の面方位を表面に有する。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは限定されない。当該厚みは、例えば、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が薄くても、当該膜が低い誘電損失および高い圧電性能を有する。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。サイトＡおよびサイトＢは、単独または複数の元素の配置に応じて、それぞれ２価および４価の平均価数を有する。サイトＡはＢｉ、ＮａおよびＢａである。サイトＢはＴｉである。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、サイトＡにおけるＮａを置換するＬｉおよびＫならびにＢａを置換するＳｒおよびＣａであり得る。当該不純物は、典型的には、サイトＢにおけるＴｉを置換するＺｒであり得る。その他の当該不純物は、例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、ＮｂおよびＴａであり得る。いくかの不純物は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の結晶性および圧電性能を向上し得る。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（００１）配向を有する限り、例えば、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＡＤ法のような他の薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＮａＮｂＯ3膜１４の上にスパッタリング法により（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が形成される。
図１Ｂは、本発明による圧電体薄膜の別の一形態を示す。図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂは、積層構造１６ｂを有する。積層構造１６ｂでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに金属電極膜１２が加えられている。積層構造１６ｂでは、ＬａＮｉＯ3膜１３が当該金属電極膜１２上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｂは、金属電極膜１２と、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１２〜１５は互いに接する。
金属電極膜１２の材料の例は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）のような金属；酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ3）のような酸化物導電体である。金属電極膜１２は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。金属電極膜１２は低い電気抵抗および高い耐熱性を有することが好ましい。そのため、金属電極膜１２はＰｔ膜であることが好ましい。当該Ｐｔ膜は、（１１１）配向を有し得る。
即ち、本発明の圧電体薄膜は、Ｐｔ膜をさらに備え得る。ＬａＮｉＯ3膜１３が当該Ｐｔ膜上に形成され得る。
金属電極膜１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３とともに、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。換言すれば、当該電極層は、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２から構成される積層体である。
図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂは、金属電極膜１２上に、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５を順に形成することにより、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＬａＮｉＯ3膜１３を金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２上に形成し得る。こうして、図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂが製造され得る。
図１Ｃは、本発明による圧電体薄膜のまた別の一形態を示す。図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃは、積層構造１６ｃを有する。積層構造１６ｃでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに導電膜１７がさらに加えられている。当該導電膜１７は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｃは、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、導電膜１７とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１３〜１５および１７は互いに接する。圧電体薄膜１ｃでは、ＮａＮｂＯ3膜１４および導電膜１７の間に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が挟まれている。ＬａＮｉＯ3膜１３および導電膜１７は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
導電膜１７は、導電性を有する材料により構成される。当該材料の例は、低い電気抵抗を有する金属である。当該材料は、ＮｉＯ、ＲｕＯ2、ＩｒＯ3、ＳｒＲｕＯ3、およびＬａＮｉＯ3のような酸化物導電体であり得る。導電膜１７は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。導電膜１７と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との間に、両者の密着性を向上させる密着層が配置され得る。密着層の材料の例は、チタン（Ｔｉ）である。当該材料は、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、またはこれらの化合物であり得る。密着層は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。密着層は、導電膜１７と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との密着性に応じて、省略され得る。
図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃは、ＬａＮｉＯ3膜１３上に、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成することにより、製造され得る。導電膜１７は、例えば、スパッタリング法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、およびＡＤ法のような薄膜形成手法により形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に導電膜１７を形成する工程をさらに包含し得る。こうして、図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃが製造され得る。
図１Ｄは、本発明による圧電体薄膜のさらに別の一形態を示す。図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄは、積層構造１６ｄを有する。積層構造１６ｄでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに金属電極膜１２および導電膜１７がさらに加えられている。積層構造１６ｄでは、ＬａＮｉＯ3膜１３が当該金属電極膜１２上に形成されている。導電膜１７が（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｄは、金属電極膜１２と、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、導電膜１７とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１２〜１５および１７は互いに接する。
圧電体薄膜１ｄの金属電極膜１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３とともに、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。換言すれば、当該電極層は、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２の積層体である。圧電体薄膜１ｄでは、さらに、ＬａＮｉＯ3膜１３（あるいはＬａＮｉＯ3膜１３を具備する当該電極層）と導電膜１７の間に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が挟まれている。ＬａＮｉＯ3膜（あるいはＬａＮｉＯ3膜を具備する当該電極層）および導電膜１７は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｎａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄは、金属電極膜１２上にＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成して、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、ＬａＮｉＯ3膜１３を金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２上に形成する工程を包含し得る。さらに、当該方法は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に導電膜１７を形成する工程をさらに包含し得る。こうして、図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄが製造され得る。
本発明の圧電体薄膜は、図１Ｅに示すように、基板１１をさらに備え得る。ＬａＮｉＯ3膜１３は当該基板上に形成される。ＬａＮｉＯ3膜１３は、基板１１とＮａＮｂＯ3膜１４との間に挟まれている。
図１Ｅに示される圧電体薄膜１ｅでは、図１Ｄに示される積層構造１６ｄが基板１１上に形成されている。
基板１１は、シリコン（Ｓｉ）基板であり得る。Ｓｉ単結晶基板が好ましい。
基板１１と積層構造１６ｄとの間（より具体的には、基板１１とＬａＮｉＯ3膜１３との間）に、両者の密着性を向上させる密着層が配置され得る。ただし、密着層は導電性を必要とする。密着層の材料の例は、Ｔｉである。当該材料は、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒまたはこれらの化合物であり得る。密着層は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。密着層は、基板１１と積層構造１６ｄとの密着性に応じて、省略され得る。
図１Ｅに示す圧電体薄膜１ｅは、基板１１上に、金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成して、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、ＬａＮｉＯ3膜１３を基板１１上に形成する工程を包含し得る。
図１Ａ〜図１Ｄに示される圧電体薄膜１ａ〜１ｄは、下地基板を用いて製造され得る。具体的には、当該圧電体薄膜１ａ〜１ｄは、下地基板上に積層構造１６ａ〜１６ｄを形成した後、当該下地基板を除去することによって製造され得る。当該下地基板は、エッチングのような公知の手法により除去され得る。
図１Ｅに示される圧電体薄膜１ｅも、下地基板を用いて製造され得る。下地基板が基板１１を兼ねる具体的な別の形態では、下地基板上に積層構造１６ｄを形成した後、当該下地基板を除去し、さらに、別途準備した基板１１上に積層構造１６ｄを配置することによって、当該圧電体薄膜１ｅは製造され得る。
下地基板は、ＭｇＯのようなＮａＣｌ型構造を有する酸化物基板；ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、およびＮｄＧａＯ3のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板；Ａｌ2Ｏ3のようなコランダム型構造を有する酸化物基板；ＭｇＡｌ2Ｏ4のようなスピネル型構造を有する酸化物基板；ＴｉＯ2のようなルチル型構造を有する酸化物基板；および、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｔａ）Ｏ3、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板；であり得る。下地基板は、ガラス基板；アルミナのようなセラミクス基板；および、ステンレスのような金属基板；の表面に、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する酸化物薄膜を積層することによって形成され得る。この場合、当該酸化物薄膜の表面に、金属電極膜１２またはＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。酸化物薄膜の例は、ＭｇＯ薄膜、ＮｉＯ薄膜、および酸化コバルト（ＣｏＯ）薄膜である。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、上述したように、下地基板上に、直接あるいは金属電極膜１２のような他の膜を介して、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成する工程を包含し得る。下地基板は基板１１を兼ね得る。下地基板は除去された後、他の基板は配置され得る。このとき、当該他の基板は、金属電極膜１２またはＬａＮｉＯ3膜１３に接するように配置され得る。当該他の基板は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に接するように配置され得る。後者によれば、当該他の基板上に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４およびＬａＮｉＯ3膜１３がこの順に積層された、圧電体薄膜が得られる。
［インクジェットヘッド］
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図２〜図１２Ｂを参照しながら説明する。
図２は、本発明のインクジェットヘッドの一形態を示す。図３は、図２に示されるインクジェットヘッド１００における、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を示す分解図である。
図２および図３における符号Ａは、圧力室部材を指し示す。圧力室部材Ａは、その厚み方向（図の上下方向）に貫通する貫通孔１０１を具備する。図３に示される貫通孔１０１は、圧力室部材Ａの厚み方向に切断された当該貫通孔１０１の一部である。符号Ｂは、圧電体薄膜および振動層を具備するアクチュエータ部を指し示す。符号Ｃは、共通液室１０５およびインク流路１０７を具備するインク流路部材Ｃを指し示す。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃは、圧力室部材Ａがアクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃに挟まれるように、互いに接合している。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃが互いに接合した状態で、貫通孔１０１は、共通液室１０５から供給されたインクを収容する圧力室１０２を形成する。
アクチュエータ部Ｂが具備する圧電体薄膜および振動層は、平面視において圧力室１０２と重複する。図２および図３における符号１０３は、圧電体薄膜の一部である個別電極層を指し示す。図２に示されるように、インクジェットヘッド１００は、平面視においてジグザグ状に配置された２以上の個別電極層１０３を、即ち、圧電体薄膜を、具備する。
インク流路部材Ｃは、平面視においてストライプ状に配置された２以上の共通液室１０５を具備する。１つの共通液室１０５は、平面視において２以上の圧力室１０２と重複する。共通液室１０５は、インクジェットヘッド１００におけるインク供給方向（図２における矢印方向）に伸びている。インク流路部材Ｃは、共通液室１０５内のインクを圧力室１０２に供給する供給口１０６と、圧力室１０２内のインクをノズル孔１０８から吐出するインク流路１０７とを具備する。通常、１つの供給孔１０６および１つのノズル孔１０８が、１つの圧力室１０２に対応付けられている。ノズル孔１０８は、ノズル板Ｄに形成されている。ノズル板Ｄは、圧力室部材Ａとともにインク流路部材Ｃを挟むように、インク流路部材Ｃに接合している。
図２における符号ＥはＩＣチップを指し示す。ＩＣチップＥは、アクチュエータ部Ｂの表面に露出する個別電極層１０３に、ボンディングワイヤＢＷを介して電気的に接続されている。図２を明瞭にするために、一部のボンディングワイヤＢＷのみが図２に示される。
図４Ａおよび図４Ｂは、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂを含む要部の構成を示す。図４Ａおよび図４Ｂは、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂにおける、インク供給方向（図２における矢印方向）に直交する断面を示す。アクチュエータ部Ｂは、第１の電極（個別電極層１０３）および第２の電極（共通電極層１１２）に挟まれた圧電体層１５を有する圧電体薄膜１０４（１０４ａ〜１０４ｄ）を具備する。１つの個別電極層１０３は、１つの圧電体薄膜１０４ａ〜１０４ｄに対応付けられている。共通電極層１１２は、圧電体薄膜１０４ａ〜１０４ｄに共通する電極である。
図４Ａに示される圧電体薄膜１０４は、図１Ｃに示される積層構造１６ｃを有する。当該構造は、個別電極層１０３であるＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および共通電極層１１２である導電膜１７を、ＬａＮｉＯ3膜１３側から、この順に具備する。
図４Ｂに示される圧電体薄膜１０４は、図１Ｄに示される積層構造１６ｄを有する。当該構造は、個別電極層１０３である金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２およびＬａＮｉＯ3膜１３、ならびにＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および共通電極層１１２である導電膜１７を、金属電極膜１２側からこの順に有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、金属電極膜１２上に形成されている。
図４Ａおよび図４Ｂに示される圧電体薄膜１０４において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７は、基本的に、その好ましい形態を含め、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
共通電極層１１２である導電膜１７は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ膜であり得る。当該導電性材料は、Ｔｉが好ましい。なぜなら、Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対して高い密着性を有し、圧電体層と共通電極層との密着層として良好に機能し得るからである。
第１の電極および第２の電極の間に印加される電圧が圧電体層１５の変形を誘起し得る限り、第１の電極および第２の電極のいずれもが個別電極層であり得る。すなわち、本発明のインクジェットにおける圧電体薄膜は、共通電極層１１２、ＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および個別電極層１０３を、この順に具備し得る。この場合、第１の電極である共通電極層１１２はＬａＮｉＯ3膜１３からなる。あるいは、共通電極層１１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３と金属電極膜１２との積層体からなり、当該圧電体薄膜においてＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４と接するように配置される。個別電極層１０３は、導電膜１７からなる。
個別電極層１０３は０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。個別電極層１０３が金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。共通電極層１１２は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
アクチュエータ部Ｂは、振動層１１１をさらに具備する。振動層１１１は、圧電体薄膜１０４の共通電極層１１２に接合している。振動層１１１は、圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形に応じて、振動層１１１の膜厚方向に変位する。個別電極層１０３および共通電極層１１２を介する圧電体層１５への電圧の印加が、圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形をもたらす。
圧力室部材Ａは、中間層１１３および接着層１１４を介して振動層１１１に接合している。圧力室部材Ａおよび圧電体薄膜１０４が、振動層１１１を間に挟んでいる。
（１）圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形に応じて振動層１１１が変位し、 （２）振動層１１１の変位に応じて圧力室１０２の容積が変化し、かつ、 （３）圧力室１０２の容積の変化に応じて圧力室１０２内のインクが吐出し得る限り、振動層１１１の構成、圧電体薄膜１０４と振動層１１１との間の接合の状態、ならびに振動層１１１と圧力室部材Ａとの間の接合の状態は、限定されない。図４Ａおよび図４Ｂでは、振動層１１１は圧力室１０２の壁面を構成している。
振動層１１１を構成する材料は、例えば、Ｃｒである。当該材料は、Ｎｉ、アルミニウム（Ａｌ）、Ｔａ、タングステン（Ｗ）、シリコン、あるいはこれらの元素の酸化物、窒化物（例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）であり得る。振動層１１１の厚みは、２μｍ以上５μｍ以下が好ましい。
接着層１１４を構成する材料は、例えば、接着剤または粘着剤である。当業者は、接着剤および粘着剤の種類を適切に選択し得る。
中間層（縦壁）１１３は、圧力室部材Ａが接着層１１４を介して振動層１１１に接合する際に、圧力室１０２に露出する振動層１１１の一部分に接着層１１４が付着することを防ぐ。当該一部分に付着した接着剤は、振動層１１１の変位を妨げる。中間層１１３を構成する材料は、インクジェットヘッド１００の機能が維持される限り、限定されない。中間層１１３の材料は、例えば、Ｔｉである。中間層１１３は、省略され得る。
圧力室部材Ａは、隣り合う圧力室１０２間に区画壁１０２ａを有する。
図２に示されるインクジェットヘッド１００を製造する方法の一例を、図５Ａ〜図１０を参照しながら説明する。
最初に、図５Ａに示されるように、下地基板１２０の上に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜（界面層）１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜（圧電体層）１５、導電膜１７、振動層１１１および中間層１１３をこの順に形成して、積層体１３２を得る。各層（膜）を形成する薄膜形成手法は特に限定されない。当該手法の例は、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＡＤ法、スパッタリング法である。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
積層体１３２の形成とは別に、後に圧力室部材Ａとなる部材を形成する。この部材は、例えば、Ｓｉ基板（好ましくはＳｉ単結晶基板）を微細加工して形成し得る。Ｓｉ基板のサイズは、下地基板１２０のサイズよりも大きいことが好ましい（図１０参照。図１０における符号１３０が、Ｓｉ基板。符号１３０は、Ｓｉ基板以外の他の基板であり得る）。より具体的には、図５Ｂに示されるように、複数の貫通孔１０１が基板１３０に形成される。貫通孔１０１は、この部材が、別途形成したアクチュエータ部およびインク流路部材に接合した後、圧力室１０２として機能する。図５Ｂでは、１つの貫通孔群が４つの貫通孔１０１から構成される。基板１３０は、複数の当該貫通孔群を具備する。第１区画壁１０２ａは、１つの貫通孔群に属する隣接する２つの貫通孔１０１を区分する。隣接する２つの貫通孔群を、第２区画壁１０２ｂが区分する。第２区画壁１０２ｂは、第１区画壁１０２ａが有する幅の２倍以上の幅を有することが好ましい。貫通孔１０１は公知の微細加工手法により、基板１３０に設けられ得る。当該手法は、例えば、パターニングとエッチングとの組み合わせであり得る。エッチングは、ケミカルエッチングまたはドライエッチングであり得る。貫通孔１０１の形状は、望まれる圧力室１０２の形状に対応付けられ得る。以下、第１区画壁１０２ａおよび第２区画壁１０２ｂを、まとめて区画壁１０２と呼ぶ。
次に、図５Ｃに示されるように、区画壁１０２の上に接着層１１４を形成する。接着層１１４の形成方法は限定されない。当該方法は、例えば、電着法であり得る。
その後、図６Ａに示されるように、基板１３０は積層体１３２に接合する。当該接合によって、中間層１１３が基板１３０および積層体１３２の間に挟まれる。基板１３０のサイズが下地基板１２０のサイズよりも大きい場合、図１０に示されるように、複数の積層体１３２（図１０に示される例では１４の積層体。図１０では、積層体１３２が具備する下地基板１２０が見えている）が基板１３０に接合し得る。図６Ａでは、基板１３０に２つの積層体１３２が接合する。図６Ａでは、２つの積層体１３２の中心は、第２区画壁１０２ｂの延長線上に位置する。基板１３０の積層体１３２への接合により、導電膜１７は共通電極層１１２となる。
接着層１１４が熱硬化性の接着剤により構成される場合、基板１３０が積層体１３２に接合した後、熱を加えて接着層１１４を完全に硬化させることが好ましい。接合時に貫通孔１０１にはみ出した接着層１１４は、プラズマ処理によって除去され得る。
次に、図６Ｂに示されるように、区画壁１０２をマスクとして用いて中間層１１３をエッチングする。当該エッチングは、貫通孔１０１の断面の形状に合致させるように行う。これにより、振動層１１１が貫通孔１０１に露出する。当該エッチングによって、中間層１１３は、平面視において区画壁１０２と同一の形状に変化する。中間層１１３は、区画壁１０２および接着層１１４とともに、縦壁を構成する。このようにして、基板１３０、中間層１１３および接着層１１４を具備する圧力室部材Ａが形成される。
図５Ｂ〜図６Ｂに示される例では、貫通孔１０１が形成された基板１３０が、圧電体層１５を含む積層体１３２に接合する。この手順に代えて、貫通孔１０１を具備しない基板１３０が積層体１３２に接合し、そして当該基板１３０に貫通孔１０１を形成して振動層１１１を露出させることによっても、圧力室部材Ａは形成され得る。
その後、図７Ａに示されるように、下地基板１２０が、例えば、エッチングにより除去される。
次に、図７Ｂに示されるように、フォトリソグラフィとエッチングとを組み合わせた微細加工によって、金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３は、２以上の個別電極層１０３に変化する。各個別電極層１０３は、平面視において、個々の貫通孔１０１に対応付けられる。
その後、図８Ａに示されるように、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が微細加工される。微細加工したＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、いずれも、平面視において個別電極層１０３の形状と同一の形状を有する。当該微細加工では、平面視における各層（膜）の中心が貫通孔１０１の中心に高い精度で一致することが好ましい。このようにして、個別電極層１０３（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および共通電極層１１２（導電膜１７）から構成される圧電体薄膜１０４と、振動層１１１とを備えるアクチュエータ部Ｂが形成される。
次に、図８Ｂに示されるように、共通電極層１１２、振動層１１１および基板１３０を、第２区画壁１０２ｂごとに切断して、２以上の部材１３３を得る。１つの部材１３３は、アクチュエータ部Ｂと、２以上の貫通孔１０１を有する圧力室部材Ａとを具備している。アクチュエータ部Ｂは圧力室部材Ａに接合している。
上述した各手順とは別に、図９Ａに示されるように、共通液室１０５、供給口１０６およびインク流路１０７を具備するインク流路部材Ｃと、ノズル孔１０８を具備するノズル板Ｄとが準備される。
次に、図９Ｂに示されるように、インク流路部材Ｃの主面に垂直な方向から見てインク流路１０７がノズル孔１０８に重複するように、インク流路部材Ｃをノズル板Ｄに接合して接合体を得る。インク流路１０７に、ノズル孔１０８の全体が露出することが好ましい。両部材の接合方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。
その後、図９Ｃに示されるように、部材１３３は、図９Ｂに示される工程で準備した接合体に接合する。より具体的には、圧力室部材Ａにおけるアクチュエータ部Ｂ側とは反対側の面が、インク流路部材Ｃにおけるノズル板Ｄ側とは反対側の面に接合する。接合時にはアライメント調整が行われ、当該接合によって貫通孔１０１を圧力室１０２として機能させる。接合方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。このようにして、図９Ｄ（図２）に示されるインクジェットヘッド１００が得られる。
当業者は、金属電極膜１２を具備しない圧電体薄膜１０４を備えるインクジェットヘッドを、図５Ａ〜図１０に示される方法を応用して製造し得る。
図１１は、本発明の他のインクジェットヘッドを示す。図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、図２〜図４に示されるインクジェットヘッド１００と比較して、簡易な構造を有する。具体的には、インクジェットヘッド１００からインク流路部材Ｃが除去されている。
図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、以下の（１）〜（６）を除き、図２〜図４に示されるインクジェットヘッド１００と同一である：（１）インク流路部材Ｃがなく、そしてノズル孔１０８を具備するノズル板Ｄが、直接、圧力室部材Ａに接合している；（２）中間層１１３がなく、そして振動層１１１が、直接、圧力室部材Ａに接合している；（３）振動層１１１と共通電極層１１２との間に密着層１４２が配置されており、当該密着層１４２がこれらの間の密着性を向上させている；（４）共通電極層１１２が、金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である；（５）個別電極層１０３が導電膜１７である；（６）共通電極層１１２側から、共通電極層１１２（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および個別電極層１０３（導電膜１７）が順に積層されている。
共通電極層１１２は、第１の電極として機能する。個別電極層１０３は、第２の電極として機能する。密着層１４２を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。
図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、例えば、図１２Ａおよび図１２Ｂに示される方法によって製造され得る。最初に、図１２Ａに示されるように、基板１３０の一方の主面に、振動層１１１、密着層１４２、共通電極層１１２（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、この順に形成する。各層（膜）の形成手法は、上述したとおりである。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
この実施形態では、基板１３０がＳｉである場合、当該基板の表面を酸化することによって、二酸化シリコンにより構成される振動層１１１を形成し得る。このとき、振動層１１１の厚みは、０．５〜１０μｍであり得る。
次に、図１２Ｂに示されるように、基板１３０において圧力室１０２が形成される位置に貫通孔１０１が形成される。次に、基板１３０の主面に垂直な方向から見て、貫通孔１０１の中心が、導電膜１７、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５およびＮａＮｂＯ3膜１４の各層の中心に一致するように、これらの層に微細加工が施される。当該微細加工によって、導電膜１７が個別電極層１０３に変化する。貫通孔１０１の形成および各層の微細加工には、パターニングとエッチングとを組み合わせた公知の微細加工手法が用いられ得る。パターニングには、レジストのスピンコートが用いられ得る。エッチングはドライエッチングが好ましい。貫通孔１０１の形成には異方性ドライエッチングが好ましい。ドライエッチングでは、フッ素原子を含む有機ガスとアルゴンとの混合ガスが使用され得る。異方性ドライエッチングでは、当該混合ガスが、さらに六フッ化硫黄ガスを含み得る。
最後に、基板１３０は、別途形成しておいたノズル孔１０８を有するノズル板と接合し、図１１に示されるインクジェットヘッド１４１を得る。接合時には、アライメント調整が行われ、これらの接合によって貫通孔１０１を圧力室１０２として機能させる。接合する方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。ノズル孔１０８は、リソグラフィー法、レーザー加工法、放電加工法のような微細加工手法により、ノズル板に形成し得る。
［インクジェットヘッドを用いた画像形成方法］
本発明の画像を形成する方法は、上述した本発明のインクジェットヘッドにおいて、第１および第２の電極（すなわち、個別電極層および共通電極層）を介して圧電体層に電圧を印加し、圧電効果により振動層を当該層の膜厚方向に変位させて圧力室の容積を変化させる工程、ならびに当該変位により圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程を含有する。
紙のような画像形成対象物とインクジェットヘッドとの間の相対位置を変化させながら、圧電体層に印加する電圧を変化させてインクジェットヘッドからのインクの吐出タイミングおよび吐出量を制御することによって、対象物の表面に画像が形成される。本明細書において用いられる用語「画像」は、文字を含む。換言すれば、本発明の画像を形成する方法により、紙のような印刷対象物に、文字、絵、図形などが印刷される。当該方法では、高い表現力を有する印刷をなし得る。
［角速度センサ］
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の角速度センサの一例を示す。図１４Ａは、図１３Ａに示される角速度センサ２１ａの断面Ｅ１を示す。図１４Ｂは、図１３Ｂに示される角速度センサ２１ｂの断面Ｅ２を示す。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂは、いわゆる音叉型角速度センサである。これは車両用ナビゲーション装置およびデジタルスチルカメラの手ぶれ補正センサに使用され得る。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂは、振動部２００ｂを有する基板２００と、振動部２００ｂに接合された圧電体薄膜２０８とを備える。
基板２００は、固定部２００ａと、固定部２００ａから所定の方向に伸びた一対のアーム（振動部２００ｂ）とを具備する。振動部２００ｂが延びる方向は、角速度センサ２１が測定する角速度の回転中心軸Ｌが延びる方向と同一である。具体的には、当該方向は、図１３Ａ、１３ＢではＹ方向である。基板２００の厚み方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＺ方向）から見て、基板２００は２本のアーム（振動部２００ｂ）を有する音叉の形状を有している。
基板２００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板２００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板２００の厚みは、角速度センサ２１ａ、２１ｂとしての機能が発現できる限り、限定されない。より具体的には、基板２００の厚みは０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である。固定部２００ａの厚みは、振動部２００ｂの厚みと異なり得る。
圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂに接合している。圧電体薄膜２０８は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、界面層であるＮａＮｂＯ3膜１４と、第１の電極２０２および第２の電極２０５と、を備える。圧電体層１５は、第１の電極２０２および第２の電極２０５の間に挟まれている。圧電体薄膜２０８は、第１の電極２０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。
図１３Ａおよび図１４Ａに示される圧電体薄膜２０８では、第１の電極２０２は、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である。ＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４に接する。当該圧電体薄膜２０８は、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１３Ａおよび図１４Ａに示される圧電体薄膜２０８は、第２の電極２０５を導電膜１７と考えて、図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄと同一である。
図１３Ｂおよび図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８では、第１の電極２０２は、ＬａＮｉＯ3膜１３である。当該圧電体薄膜２０８は、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１３Ｂおよび図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８は、第２の電極２０５を導電膜１７と考えて、図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃと同一である。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、その好ましい形態を含め、基本的に、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
第２の電極２０５を構成する材料は限定されず、例えば、Ｃｕである。Ｃｕ電極は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する高い密着性を有することから、好ましい。第２の電極２０５は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ電極膜またはＡｕ電極膜であり得る。密着層を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に対する高い密着性を有する。
第２の電極２０５は、駆動電極２０６およびセンス電極２０７を含む電極群を具備する。駆動電極２０６は、振動部２００ｂを発振させる駆動電圧を圧電体層１５に印加する。センス電極２０７は、振動部２００ｂに加わった角速度によって振動部２００ｂに生じた変形を測定する。振動部２００ｂの発振方向は、通常、その幅方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＸ方向）である。より具体的には、図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、一対の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する両端部に、振動部２００ｂの長さ方向（図１３Ａ、１３ＢのＹ方向）に沿って設けられている。１本の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する一方の端部に設けられ得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、センス電極２０７は、振動部２００ｂの長さ方向に沿って設けられており、かつ一対の駆動電極２０６の間に挟まれている。複数のセンス電極２０７が、振動部２００ｂ上に設けられ得る。センス電極２０７によって測定される振動部２００ｂの変形は、通常、その厚み方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＺ方向）の撓みである。
本発明の角速度センサでは、第１の電極および第２の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成され得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂでは、第２の電極２０５が当該電極群により構成される。当該角速度センサとは異なり、第１の電極２０２が当該電極群により構成され得る。一例として、基板２００から見て、第２の電極２０５、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４および第１の電極２０２（第１の電極は、ＮａＮｂＯ3膜１４に接するＬａＮｉＯ3膜１３を具備する）が、この順に積層され得る。
接続端子２０２ａ、２０６ａおよび２０７ａが、第１の電極２０２の端部、駆動電極２０６の端部およびセンス電極２０７の端部に、それぞれ形成されている。各接続端子の形状および位置は限定されない。図１３Ａ、１３Ｂでは、接続端子は固定部２００ａ上に設けられている。
第１の電極２０２の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下が好ましい。第１の電極２０２が金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３の厚みは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。第２の電極２０５の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂおよび固定部２００ａの双方に接合している。しかし、圧電体薄膜２０８が振動部２００ｂを発振させることができ、かつ振動部２００ｂに生じた変形が圧電体薄膜２０８によって測定され得る限り、圧電体薄膜２０８の接合の状態は限定されない。例えば、圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂのみに接合され得る。
本発明の角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる振動部群を２以上有し得る。そのような角速度センサは、複数の回転中心軸に対する角速度を測定し得、２軸あるいは３軸の角速度センサとして機能し得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる１つの振動部群を有する。
本発明の角速度センサは、上述した本発明の圧電体薄膜の製造方法を応用して、例えば、以下のように製造され得る。ただし、以下に示される方法は、第１の電極２０２が金属電極膜１２を具備する場合の方法である。当業者は、第１の電極２０２が金属電極膜１２を具備しない場合についても、以下の方法を応用し得る。
最初に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、基板（例えばＳｉ基板）の表面に、この順に形成する。各層（膜）の形成には、上述した薄膜形成手法を適用し得る。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
次に、導電膜１７をパターニングにより微細加工して、駆動電極２０６およびセンス電極２０７により構成される第２の電極２０５を形成する。さらに、微細加工により、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２をパターニングする。そして、微細加工により基板をパターニングして、振動部２００ｂを形成する。このようにして、本発明の角速度センサが製造され得る。
微細加工の方法は、例えばドライエッチングである。
本発明の角速度センサは、下地基板を用いた転写を応用して製造され得る。具体的には、例えば、以下の方法を適用し得る。最初に、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、下地基板の表面に、この順に形成する。次に、形成された積層体を他の新たな基板に、当該基板と当該導電膜１７とが接するように、接合する。次に、下地基板を公知の方法により除去する。次に、各層（膜）を微細加工によりパターニングして、本発明の角速度センサが製造され得る。当該積層体および当該新たな基板は、例えば接着層を介して接合し得る。当該接着層の材料は、当該積層体が当該新たな基板に安定して接着する限り限定されない。より具体的には、アクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン系接着剤、およびポリイミド系接着剤が用いられ得る。このとき、接着層は０．２μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
［角速度センサによる角速度の測定方法］
本発明の角速度を測定する方法は、本発明の角速度センサを用いて、駆動電圧を圧電体層に印加して、基板の振動部を発振させる工程、および発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変形を測定することによって当該角速度の値を測定する工程、を有する。第１の電極および第２の電極のうち、駆動電極およびセンス電極として機能しない電極（他方の電極）と、駆動電極との間に駆動電圧が印加され、圧電体層に駆動電圧が印加される。他方の電極およびセンス電極が、角速度によって、発振中の振動部に生じた変形を測定する。
以下、図１３Ａ、１３Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂを用いた角速度の測定方法を説明する。振動部２００ｂの固有振動と共振する周波数の駆動電圧が、第１の電極２０２および駆動電極２０６を介して圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に印加され、振動部２００ｂを発振させる。印加された駆動電圧の波形に応じて圧電体層１５が変形し、当該層と接合されている振動部２００ｂが発振する。駆動電圧は、例えば、第１の電極２０２を接地し、かつ駆動電極２０６の電位を変化させることで印加され得る（換言すれば、駆動電圧は、第１の電極２０２と駆動電極２０６との間の電位差である）。角速度センサ２１ａ、２１ｂは、音叉の形状に配列された一対の振動部２００ｂを有する。通常、一対の振動部２００ｂのそれぞれが有する各駆動電極２０６に、正負が互いに逆である電圧をそれぞれ印加する。これにより、各振動部２００ｂを、互いに逆方向に振動するモード（図１３Ａ、１３Ｂに示される回転中心軸Ｌに対して対称的に振動するモード）で発振させることができる。図１３Ａ、１３Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂでは、振動部２００ｂはその幅方向（Ｘ方向）に発振する。一対の振動部２００ｂの一方のみを発振させることによっても角速度の測定は可能である。しかし、高精度の測定のためには、両方の振動部２００ｂを互いに逆方向に振動するモードで発振させることが好ましい。
振動部２００ｂが発振している角速度センサ２１ａ、２１ｂに対して、その回転中心軸Ｌに対する角速度ωが加わるとき、各振動部２００ｂは、コリオリ力によって厚み方向（Ｚ方向）に撓む。一対の振動部２００ｂが互いに逆方向に振動するモードで発振している場合、各振動部２００ｂは、互いに逆向きに、同じ変化量だけ撓むことになる。この撓みに応じて、振動部２００ｂに接合した圧電体層１５も撓み、第１の電極２０２とセンス電極２０７との間に、圧電体層１５の撓みに応じた、即ち、生じたコリオリ力に対応した電位差が生じる。この電位差の大きさを測定することで、角速度センサ２１ａ、２１ｂに加わった角速度ωを測定することができる。
コリオリ力Ｆｃと角速度ωとの間には以下の関係が成立する：
Ｆｃ＝２ｍｖω
ここで、ｖは、発振中の振動部２００ｂにおける発振方向の速度である。ｍは、振動部２００ｂの質量である。この式に示されているように、コリオリ力Ｆｃから角速度ωを算出し得る。
［圧電発電素子］
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１６Ａは、図１５Ａに示される圧電発電素子２２ａの断面Ｆ１を示す。図１６Ｂは、図１５Ｂに示される圧電発電素子２２ｂの断面Ｆ２を示す。圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、外部から与えられた機械的振動を電気エネルギーに変換する素子である。圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、車両および機械の動力振動および走行振動、ならびに歩行時に生じる振動、に包含される種々の振動から発電する自立的な電源装置に好適に適用される。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、振動部３００ｂを有する基板３００と、振動部３００ｂに接合された圧電体薄膜３０８とを具備する。
基板３００は、固定部３００ａと、固定部３００ａから所定の方向に伸びた梁により構成される振動部３００ｂと、を有する。固定部３００ａを構成する材料は、振動部３００ｂを構成する材料と同一であり得る。しかし、これらの材料は互いに異なり得る。互いに異なる材料により構成された固定部３００ａが、振動部３００ｂに接合され得る。
基板３００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板３００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板３００は、例えば、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の厚みを有する。固定部３００ａは振動部３００ｂの厚みと異なる厚みを有し得る。振動部３００ｂの厚みは、振動部３００ｂの共振周波数を変化させて効率的な発電が行えるように調整され得る。
錘荷重３０６が振動部３００ｂに接合している。錘荷重３０６は、振動部３００ｂの共振周波数を調整する。錘荷重３０６は、例えば、Ｎｉの蒸着薄膜である。錘荷重３０６の材料、形状および質量ならびに錘荷重３０６が接合される位置は、求められる振動部３００ｂの共振周波数に応じて調整され得る。錘荷重は省略され得る。振動部３００ｂの共振周波数が調整されない場合には、錘荷重は不要である。
圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂに接合している。圧電体薄膜３０８は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、ＮａＮｂＯ3膜１４と、第１の電極３０２および第２の電極３０５と、を備える。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、第１の電極３０２および第２の電極３０５の間に挟まれている。圧電体薄膜３０８は、第１の電極３０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。
図１５Ａおよび図１６Ａに示される圧電体薄膜３０８では、第１の電極３０２は、金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である。ＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４に接する。当該圧電体薄膜３０８は、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１５Ａおよび図１６Ａに示される圧電体薄膜３０８は、第２の電極３０５を導電膜１７と考えて、図１Ｄに示される積層構造１６ｄと同一である。
図１５Ｂおよび図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８では、第１の電極３０２は、ＬａＮｉＯ3膜１３である。当該圧電体薄膜３０８は、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１５Ｂおよび図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８は、第２の電極３０５を導電膜１７と考えて、図１Ｃに示される積層構造１６ｃと同一である。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、その好ましい形態を含め、基本的に、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
第２の電極３０５は、例えば、Ｃｕ電極膜であり得る。Ｃｕ電極は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する高い密着性を有することから、好ましい。第２の電極３０５は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ電極膜またはＡｕ電極膜であり得る。密着層を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に対する高い密着性を有する。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、第１の電極３０２の一部分が露出している。当該一部分は接続端子３０２ａとして機能し得る。
第１の電極３０２の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下が好ましい。第１の電極３０２が金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３の厚みは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。第２の電極３０５の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、振動部３００ｂを有する基板３００側から見て、第１の電極３０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層されている。これらの層の積層順序は逆であり得る。即ち、振動部を有する基板側から見て、第２の電極、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、ＮａＮｂＯ3膜および第１の電極（第１の電極は、当該ＮａＮｂＯ3膜に接するＬａＮｉＯ3膜を具備する）が、この順に積層され得る。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂおよび固定部３００ａの双方に接合し得る。圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂのみに接合し得る。
本発明の圧電発電素子では、複数の振動部３００ｂを有することで、発生する電力量を増大し得る。各振動部３００ｂが有する共振周波数を変化させることにより、広い周波数成分からなる機械的振動への対応が可能となる。
本発明の圧電発電素子は、上述した本発明の圧電体薄膜の製造方法を応用して、例えば、以下のように製造され得る。ただし、以下に示される方法は、第１の電極３０２が金属電極膜１２を具備する場合の方法である。当業者は、第１の電極３０２が金属電極膜１２を具備しない場合についても、以下の方法を応用し得る。
最初に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、基板（例えばＳｉ基板）の表面に、この順に形成する。各層（膜）の形成には、上述した薄膜形成手法を適用し得る。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
次に、導電膜１７をパターニングにより微細加工して、第２の電極３０５を形成する。さらに微細加工により、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２をパターニングする。ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２のパターニングにより、接続端子３０２ａが併せて形成される。そして、微細加工により基板をパターニングして、固定部３００ａおよび振動部３００ｂが形成される。このようにして、本発明の圧電発電素子が製造され得る。振動部３００ｂの共振周波数の調整が必要とされる場合は、公知の方法により、錘荷重３０６が振動部３００ｂに接合する。
微細加工の方法は、例えばドライエッチングである。
本発明の圧電発電素子は、下地基板を用いた転写を応用して製造され得る。具体的には、例えば、以下の方法を適用し得る。最初に、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、下地基板の表面に、この順に形成する。次に、形成された積層体を他の新たな基板に、当該基板と当該導電膜１７とが接するように、接合する。次に、下地基板を公知の方法により除去する。次に、各層（膜）を微細加工によりパターニングして、本発明の圧電発電素子が製造され得る。当該積層体および当該新たな基板は、例えば接着層を介して接合し得る。当該接着層の材料は、当該積層体が当該新たな基板に安定して接着する限り限定されない。より具体的には、アクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン系接着剤、およびポリイミド系接着剤が用いられ得る。このとき、接着層は０．２μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
［圧電発電素子を用いた発電方法］
上述した本発明の圧電発電素子に振動を与えることにより、第１の電極および第２の電極の間に電位差が生じ、第１の電極および第２の電極を介して電力が得られる。
外部から圧電発電素子２２ａ、２２ｂに機械的振動が与えられると、振動部３００ｂが、固定部３００ａに対して上下に撓む振動を始める。当該振動が、圧電効果による起電力を圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に生じる。このようにして、圧電体層１５を挟持する第１の電極３０２と第２の電極３０５との間に電位差が発生する。圧電体層１５が有する圧電性能が高いほど、第１および第２の電極間に発生する電位差は大きくなる。特に、振動部３００ｂの共振周波数が、外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近い場合、振動部３００ｂの振幅が大きくなることで発電特性が向上する。そのため、錘荷重３０６によって、振動部３００ｂの共振周波数が外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近くなるように調整されることが好ましい。
以下、実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。
（実施例）
実施例では、図１Ｅに示される圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、基板１１、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜（界面層）１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜（圧電体層）１５および導電膜１７を順に具備する。当該圧電体薄膜を、以下のように作製した。
（１００）の面方位を有するＳｉ単結晶基板の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（１１１）配向を有するＰｔ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。当該Ｐｔ層は、金属電極膜１２に対応する。ターゲットとして金属Ｐｔを用い、アルゴン（Ａｒ）ガスの雰囲気下にて、ＲＦ出力１５Ｗおよび基板温度３００℃の成膜条件で当該Ｐｔ層を形成した。当該Ｐｔ層を形成する前に、Ｔｉ層（厚み２．５ｎｍ）をＳｉ単結晶基板の表面に形成し、Ｓｉ単結晶基板とＰｔ層との間の密着性を向上させた。当該Ｔｉ層は、金属Ｐｔに代えて金属Ｔｉをターゲットとして用いたこと以外は、当該Ｐｔ層の形成方法と同じ方法により形成された。
次に、Ｐｔ層の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜（厚み２００ｎｍ）を形成した。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有するＬａＮｉＯ3を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が８０／２０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１００Ｗおよび基板温度３００℃の成膜条件下で当該ＬａＮｉＯ3膜１３を形成した。
次に、ＬａＮｉＯ3膜の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜（厚み１００ｎｍ）を形成した。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有するＮａＮｂＯ3を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が８０／２０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１００Ｗおよび基板温度６００℃の成膜条件下で当該ＮａＮｂＯ3膜１４を形成した。
次に、ＮａＮｂＯ3膜の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07膜（厚み２．７μｍ）を形成した。当該膜は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対応する。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有する［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が５０／５０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１７０Ｗおよび基板温度６５０℃の成膜条件下で当該膜１５を形成した。
形成した［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07膜（（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜）の結晶構造を、Ｘ線回折によって解析した。Ｘ線回折は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の上からＸ線を入射して行なわれた。図１７は、その結果を示す。以降の比較例においても、同一のＸ線回折が適用された。
図１７は、Ｘ線回折プロファイルの結果を示す。Ｓｉ基板およびＰｔ層に由来する反射ピークを除き、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する反射ピークのみが観察された。当該（００１）反射ピークの強度は、３，６９２ｃｐｓであり、非常に強かった。図１７に示されるプロファイルは、実施例で作製された（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が極めて高い（００１）配向性を有することを意味する。
続いて、当該プロファイルにおける（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する（００１）反射ピークの半値幅を、ロッキングカーブ測定により求めた。ロッキングカーブ測定は、測定対象とする反射ピークの回折角２θに検出器（detector）を固定した状態で、試料へのＸ線の入射角ωをスキャンさせることによって行われた。測定された半値幅は、膜の主面に垂直な方向に対する結晶軸の傾きの程度に対応している。半値幅が小さいほど、結晶性が高い。測定された半値幅は２．８１°であり、非常に小さかった。これは、実施例で作製された（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が極めて高い結晶性を有することを意味する。以降の比較例においても、同一のロッキングカーブ測定が適用された。
次に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の表面に、蒸着により、Ａｕ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。当該Ａｕ層は、導電膜１７に対応する。このようにして、実施例の圧電体薄膜が作製された。
圧電体薄膜が具備するＰｔ層およびＡｕ層を用いて、当該圧電体薄膜の強誘電特性および圧電性能を評価した。図１８は、実施例の圧電体薄膜のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。図１８に示されるように、Ｐｔ層およびＡｕ層を介して圧電体層へ印加する電圧を増加させると、圧電体薄膜が良好な強誘電特性を現すことが確認された。インピーダンスアナライザを用いて１ｋＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）を測定した。当該圧電体薄膜のｔａｎδは４．３％であった。これは、当該圧電体薄膜のリーク電流が小さいことを意味する。
圧電体薄膜の圧電性能は、以下のように評価した。圧電体薄膜を幅２ｍｍに切り出して、カンチレバー状に加工した。次に、Ｐｔ層とＡｕ層との間に電位差を印加してカンチレバーを変位させて得られた変位量をレーザー変位計により測定した。次に、測定された変位量を圧電定数ｄ31に変換し、当該圧電定数ｄ31により圧電性能を評価した。実施例で作製した圧電体薄膜のｄ31は−９３ｐＣ／Ｎであった。
（比較例１）
比較例１では、図１９に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、ＮａＮｂＯ3膜１４を具備しないこと以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。すなわち、当該圧電体薄膜では、基板１１、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜３１、および導電膜１７が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、ＮａＮｂＯ3膜１４を形成しなかったこと以外は実施例と同様の手法により作製した。
図１７に示されるように、ＮａＮｂＯ3膜を具備しない比較例１においても、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する反射ピークが観察された。しかし、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜における他の結晶配向（１１０）に由来する反射ピークも観察された。上記（００１）反射ピークの強度は、２，６６１ｃｐｓであり、実施例におけるピーク強度（３，６９２ｃｐｓ）に比べて低かった。これは、比較例１の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が、実施例の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と比べてより劣った配向性を有することを意味する。
上記（００１）反射ピークの半値幅は２．８９°であり、実施例の半値幅よりも大きかった。これは、比較例１の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が、実施例の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と比べてより劣った配向性を有することを意味する。
次に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜３１の表面に、蒸着により、Ａｕ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。このようにして、比較例１の圧電体薄膜が作製された。
圧電体薄膜が具備するＰｔ層およびＡｕ層を用いて、当該圧電体薄膜の強誘電特性および圧電性能の評価を試みた。しかし、圧電体薄膜におけるリーク電流が非常に大きかったため、Ｐ−Ｅヒステリシス曲線を正確に測定することが困難であった（図１８参照）。当該圧電体薄膜のｔａｎδは４０％であった。比較例１の圧電体薄膜は、このような大きなリーク電流を有するため、比較例１の圧電体薄膜が有する正確な圧電定数ｄ31の値を求めることは困難であった。推定される圧電定数ｄ31は、およそ−４０ｐＣ／Ｎであった。
（比較例２）
比較例２では、図２０に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、ＬａＮｉＯ3膜１３を具備しない以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。当該圧電体薄膜では、基板１１、金属電極膜１２、ＮａＮｂＯ3膜４２、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１、および導電膜１７が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成しなかったこと以外は、実施例と同様の手法により作製した。
図２１は、Ｘ線回折による、当該ＮａＮｂＯ3膜４２の結晶構造の評価結果を示す。測定は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１を形成する前に実施した。図２１に示されるように、観察された反射ピークは、Ｐｔ層の（１１１）反射ピークおよび（１１１）面に配向したＮａＮｂＯ3膜４２の（１１１）反射ピークのみであった。即ち、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成することなく、（１１１）配向を有するＰｔ層上に形成したＮａＮｂＯ3膜は（１１１）配向を有していた。すなわち（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜のために必要とされる（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜は形成されなかった。
（１１１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成するためには適切ではない。即ち、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１は（００１）配向を有さず、高い圧電性能を有さないと考えられた。
以下の表１は、実施例および比較例１の評価結果を要約している。
Figure 2010122707
表１に示されるように、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜上に形成した（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が、高い（００１）配向性および高い結晶性を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を得るために有用であった。比較例１は、当該ＮａＮｂＯ3膜が用いられない場合、高い（００１）配向性および高い結晶性を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が得られないことを示す。比較例２は、当該ＮａＮｂＯ3膜を得るために、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜が必要とされることを示す。圧電体薄膜のリーク電流を反映する誘電損失の結果に関しても、同様である。
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3圧電体層が、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有するので、本発明の圧電体薄膜は、高い強誘電特性（例えば、低い誘電損失）および高い圧電性能を有する。本発明の圧電体薄膜は、従来の鉛系酸化物強誘電体に代わる圧電体薄膜として有用である。本発明の圧電体薄膜は、焦電センサ、圧電デバイスのような圧電体薄膜が使用されている分野に好適に使用され得る。その一例として、本発明のインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子が挙げられる。
本発明のインクジェットヘッドは、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、インクの吐出特性に優れる。当該インクジェットヘッドを用いた画像を形成する方法は、優れた画像の精度および表現性を有する。本発明の角速度センサは、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、高いセンサ感度を有する。当該角速度センサを用いた角速度を測定する方法は、優れた測定感度を有する。本発明の圧電発電素子は、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、優れた発電特性を有する。当該圧電発電素子を用いた本発明の発電方法は、優れた発電効率を有する。本発明に係るインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子ならびに画像形成方法、角速度の測定方法および発電方法は、様々な分野および用途に幅広く適用できる。
本発明は、圧電体層を備える圧電体薄膜とその製造方法に関する。さらに、本発明は、当該圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッドと当該ヘッドを用いて画像を形成する方法、当該圧電体薄膜を備える角速度センサと当該センサを用いて角速度を測定する方法ならびに当該圧電体薄膜を備える圧電発電素子と当該素子を用いた発電方法に関する。
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3、０＜ｘ＜１）は、大きな電荷を蓄えることができる代表的な強誘電材料である。ＰＺＴは、コンデンサおよび薄膜メモリに使用されている。ＰＺＴは、強誘電性に基づく焦電性および圧電性を有する。ＰＺＴは高い圧電性能を有する。組成の調整または元素の添加によって、ＰＺＴの機械的品質係数Ｑｍは容易に制御され得る。これらが、センサ、アクチュエータ、超音波モータ、フィルタ回路および発振子へのＰＺＴの応用を可能にしている。
しかし、ＰＺＴは多量の鉛を含む。近年、廃棄物からの鉛の溶出による、生態系および環境への深刻な被害が懸念されている。このため、国際的にも鉛の使用の制限が進められている。従って、ＰＺＴとは異なり、鉛を含有しない強誘電材料（非鉛強誘電材料）が求められている。
現在開発が進められている非鉛（lead-free）強誘電材料の一例が、ビスマス（Ｂｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、バリウム（Ｂａ）およびチタン（Ｔｉ）からなるペロブスカイト型複合酸化物［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）1-yＢａy］ＴｉＯ3である。特許文献１および非特許文献１は、バリウム量ｙ（＝［Ｂａ／（Ｂｉ＋Ｎａ＋Ｂａ）］）が５〜１０％である場合に、当該強誘電材料が、およそ１２５ｐＣ／Ｎの圧電定数ｄ33を有し、高い圧電性能を有することを開示している。ただし、当該強誘電体材料の圧電性能は、ＰＺＴの圧電性能より低い。
特許文献２、非特許文献２、および非特許文献３は、特定の方向に配向した（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の作製を開示している。配向により（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の分極軸を揃えることによって、当該膜が有する残留分極および圧電性能のような強誘電特性の向上が期待される。
しかし、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3バルクとは異なり、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3薄膜は、リーク電流を生じる。非特許文献１は、厚み１ｍｍの（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3ディスクであって、およそ１％の誘電損失ｔａｎδを有するディスクを開示する。これに対して、非特許文献３は、ｋＨｚ以下の低周波領域における（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ3薄膜の誘電損失が２０％に届くことを開示する。リーク電流が多い（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の強誘電特性は著しく劣化する。このため、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜のリーク電流を抑えることが必要とされる。
特許文献３は、ニオブ酸系化合物（（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）ＮｂＯ3）により構成された圧電体層と基板との間にＮａＮｂＯ3膜が挟まれた圧電体薄膜を開示する。
特公平4-60073号公報 特開2007-266346号公報 特開2007-019302号公報
T. Takenaka et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 9B, (1991), pp. 2236-2239 H. W. Cheng et al., Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004), pp. 2319-2321 Z. H. Zhou et al., Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004), pp. 804-806
本発明の目的は、非鉛強誘電材料を含み、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を有する非鉛圧電体薄膜およびその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、当該非鉛圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子を提供することである。本発明のさらに他の目的は、当該インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、当該角速度センサを用いて角速度を測定する方法および当該圧電発電素子を用いた発電方法を提供することである。
本発明者らは、
・下地層の組成および結晶構造に拘わらず、当該下地層の上に形成したＬａＮｉＯ3膜が（００１）配向を有すること、および
・当該ＬａＮｉＯ3膜上にＮａＮｂＯ3により構成される界面層を形成し、さらに、当該界面層上に圧電体層として（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成することによって、高い結晶性、高い（００１）配向性、低い誘電損失、および高い圧電性能を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が得られること、を見出した。本発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
本発明の圧電体薄膜は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と、を具備する。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜は、この順に積層されている。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を形成する工程、前記ＬａＮｉＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜を形成する工程、および、前記ＮａＮｂＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成して、前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜がこの順に積層された圧電体薄膜を得る工程、を包含する。
本発明のインクジェットヘッドは、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜に接合された振動層と、インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備える。前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合されている。前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。
インクジェットヘッドを用いて画像を形成する本発明の方法は、前記インクジェットヘッドを準備する工程、および下記の工程Ａを包含する。ここで、前記インクジェットヘッドは、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜に接合された振動層と、インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備える。前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合されている。前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記工程Ａは、前記第１の電極および前記第２の電極を介して前記圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、前記圧力室の容積が変化するように前記振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により前記圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程、である。
本発明の角速度センサは、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、前記振動部を発振させる駆動電圧を前記圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を測定するためのセンス電極とを含む電極群により構成されている。
角速度センサを用いて角速度を測定する本発明の方法は、前記角速度センサを準備する工程、ならびに、下記の工程Ｂおよび工程Ｃを包含する。ここで、前記角速度センサは、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されている。前記工程Ｂは、駆動電圧を、前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる他方の電極と前記駆動電極とを介して前記圧電体層に印加することにより、前記振動部を発振させる工程、である。前記工程Ｃは、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を、前記他方の電極と前記センス電極とを介して測定することで前記加わった角速度の値を測定する工程、である。
本発明の圧電発電素子は、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。
圧電発電素子を用いた本発明の発電方法は、前記圧電発電素子を準備する工程、および、下記の工程Ｄを包含する。ここで、前記圧電発電素子は、振動部を有する基板と、前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備える。前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備する。前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されている。前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれている。前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極は、この順に積層されている。前記工程Ｄは、前記振動部に振動を与えることにより、前記第１の電極および前記第２の電極との間に電位差を生じさせる工程、である。
本発明は、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を示す非鉛圧電体薄膜を実現する。
本発明は、当該非鉛圧電体薄膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子と、これらを用いて画像を形成する方法、角速度を測定する方法および発電方法とを実現する。本発明のインクジェットヘッドは、優れたインク吐出特性を有する。当該インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法は、高い精度および表現性を有する。本発明の角速度センサは、優れたセンサ感度を有する。当該角速度センサを用いて角速度を測定する方法は、優れた角速度の測定感度を有する。本発明の圧電発電素子は、優れた発電特性を有する。当該圧電発電素子を用いた発電方法は、優れた発電効率を有する。
図１Ａは、本発明の圧電体薄膜の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の圧電体薄膜の別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の圧電体薄膜のまた別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の圧電体薄膜のさらに別の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｅは、本発明の圧電体薄膜の、さらにまた別の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明のインクジェットヘッドの一例を模式的に示す、部分的に当該インクジェットヘッドの断面が示された斜視図である。 図３は、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を模式的に示す、部分的に当該要部の断面が示された分解斜視図である。 図４Ａは、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部の一例を模式的に示す断面図である。 図４Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部の別の一例を模式的に示す断面図である。 図５Ａは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、圧電体層を含む積層体の形成工程を模式的に示す断面図である。 図５Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、後に圧力室部材となる部材の形成工程を模式的に示す断面図である。 図５Ｃは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、接着層を形成する工程を模式的に示す断面図である。 図６Ａは、図２に示すインクジェットヘッドを製造する方法の一例における、図５Ａに示す工程で形成した積層体と図５Ｂに示す工程で形成した部材とを接合する工程を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図６Ａに示す工程に続く工程（中間層のエッチング工程）を模式的に示す断面図である。 図７Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図６Ｂに示す工程に続く工程（下地基板の除去工程）を模式的に示す断面図である。 図７Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図７Ａに示す工程に続く工程（個別電極層の形成工程）を模式的に示す断面図である。 図８Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図７Ｂに示す工程に続く工程（圧電体層の微細加工工程）を模式的に示す断面図である。 図８Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、図８Ａに示す工程に続く工程（基板の切断工程）を模式的に示す断面図である。 図９Ａは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、インク流路部材およびノズル板の準備工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｂは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、インク流路部材とノズル板との接合工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｃは、図２に示すインクジェットヘッドの製造方法の一例における、アクチュエータ部と圧力室部材との接合体と、インク流路部材とノズル板との接合体との接合工程を模式的に示す断面図である。 図９Ｄは、図５Ａ〜図９Ｃに示す工程によって得たインクジェットヘッドを模式的に示す断面図である。 図１０は、圧力室部材とする基板上に、アクチュエータ部とする積層体を配置した一例を模式的に示す平面図である。 図１１は、本発明のインクジェットヘッドの別の一例を模式的に示す断面図である。 図１２Ａは、図１１に示すインクジェットの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図１２Ｂは、図１１に示すインクジェットの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図１３Ａは、本発明の角速度センサの一例を模式的に示す斜視図である。 図１３Ｂは、本発明の角速度センサの別の一例を模式的に示す斜視図である。 図１４Ａは、図１３Ａに示す角速度センサにおける断面Ｅ１を示す断面図である。 図１４Ｂは、図１３Ｂに示す角速度センサにおける断面Ｅ２を示す断面図である。 図１５Ａは、本発明の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。 図１５Ｂは、本発明の圧電発電素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。 図１６Ａは、図１５Ａに示す圧電発電素子における断面Ｆ１を示す断面図である。 図１６Ｂは、図１５Ｂに示す圧電発電素子における断面Ｆ２を示す断面図である。 図１７は、実施例および比較例１として作製した圧電体薄膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。 図１８は、実施例および比較例１として作製した圧電体薄膜のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す図である。 図１９は、比較例１として作製した圧電体薄膜の構造を模式的に示す断面図である。 図２０は、比較例２として作製した圧電体薄膜の構造を模式的に示す断面図である。 図２１は、比較例２として作製した圧電体薄膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では、同一の部材に同一の符号を与える。これにより、重複する説明が省略され得る。
［圧電体薄膜、圧電体薄膜の製造方法］
図１Ａは、本発明による圧電体薄膜の一形態を示す。図１Ａに示される圧電体薄膜１ａは、積層構造１６ａを有する。積層構造１６ａは、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１３〜１５は互いに接する。当該（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、圧電体層である。当該（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、小さいリーク電流とともに、高い結晶性および高い（００１）配向性を有する。このため、圧電体薄膜１ａは、鉛を含有しないにも拘わらず、低い誘電損失およびＰＺＴと同一の高い圧電性能を有する。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、（００１）の面方位を表面に有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。当該結晶構造の格子定数は０．３８４ｎｍ（擬立方晶）である。このため、ＬａＮｉＯ3膜１３は、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する良好な格子整合性を有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、当該膜の下地層の組成および結晶構造に拘わらず、（００１）配向を有する。例えば、大きく異なる格子定数（０．５４３ｎｍ）を有するＳｉ単結晶基板の上に、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。ステンレスなどの金属からなる基板、ガラスなどの非晶質材料からなる基板、およびセラミクス基板の上にも、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、Ｌａを置換する希土類元素である。
ＬａＮｉＯ3は酸化物導電体である。ＬａＮｉＯ3膜１３は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。ＬａＮｉＯ3膜１３は、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、およびエアロゾル堆積法（ＡＤ法）のような薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法によれば、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３が形成される。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、（００１）の面方位を表面に有する。ＮａＮｂＯ3膜１４は、界面層である。ＮａＮｂＯ3膜１４は、ＬａＮｉＯ3膜１３と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との間に挟まれている。ＮａＮｂＯ3膜１４は、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５を形成するために必要とされる。
高い結晶性、高い配向性、および小さいリーク電流を有する圧電体層の形成のために好適な界面層の組成を、圧電体層および界面層が有する格子定数の類似性または組成の類似性に基づいて予測することは困難である。即ち、圧電体層の格子定数または組成に類似する格子定数または組成を有する界面層を単に設けることによって、上記の望ましい圧電体層は得られない。この理由は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3のような多元系複合酸化物を構成する各元素（酸素を除く）が異なる蒸気圧を有するため、良好な結晶性および良好な配向性を有する、当該複合酸化物により構成される薄膜を形成することが一般に困難であるからである。本発明者らは、ＮａＮｂＯ3膜１４の上に設けられた（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が、高い結晶性、高い配向性、および小さいリーク電流を有することを見出した。
ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは限定されない。当該厚みが数格子単位（約２ｎｍ）以上であれば、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が形成され得る。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。サイトＡの主成分はＮａ、サイトＢの主成分はＮｂである。ＮａＮｂＯ3膜１４は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、Ｎａを置換するＫまたはＬｉであり得る。
ＬａＮｉＯ3膜１３とＮａＮｂＯ3膜１４との間には、必要に応じて、（００１）配向膜がさらに挟まれ得る。（００１）配向膜は、例えば、Ｐｔ膜およびＳｒＲｕＯ3膜である。
ＮａＮｂＯ3膜１４は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。ＮａＮｂＯ3膜１４は、（００１）配向を有する限り、例えば、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、およびＡＤ法のような薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＬａＮｉＯ3膜１３の上に、スパッタリング法により、ＮａＮｂＯ3膜１４が形成される。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3により構成される膜である。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（００１）の面方位を表面に有する。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは限定されない。当該厚みは、例えば、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が薄くても、当該膜が低い誘電損失および高い圧電性能を有する。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、化学式ＡＢＯ3により表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する。サイトＡおよびサイトＢは、単独または複数の元素の配置に応じて、それぞれ２価および４価の平均価数を有する。サイトＡはＢｉ、ＮａおよびＢａである。サイトＢはＴｉである。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、サイトＡにおけるＮａを置換するＬｉおよびＫならびにＢａを置換するＳｒおよびＣａであり得る。当該不純物は、典型的には、サイトＢにおけるＴｉを置換するＺｒであり得る。その他の当該不純物は、例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、ＮｂおよびＴａであり得る。いくかの不純物は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の結晶性および圧電性能を向上し得る。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、（００１）配向を有する限り、例えば、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＡＤ法のような他の薄膜形成手法によっても形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＮａＮｂＯ3膜１４の上にスパッタリング法により（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が形成される。
図１Ｂは、本発明による圧電体薄膜の別の一形態を示す。図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂは、積層構造１６ｂを有する。積層構造１６ｂでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに金属電極膜１２が加えられている。積層構造１６ｂでは、ＬａＮｉＯ3膜１３が当該金属電極膜１２上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｂは、金属電極膜１２と、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１２〜１５は互いに接する。
金属電極膜１２の材料の例は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）のような金属；酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ3）のような酸化物導電体である。金属電極膜１２は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。金属電極膜１２は低い電気抵抗および高い耐熱性を有することが好ましい。そのため、金属電極膜１２はＰｔ膜であることが好ましい。当該Ｐｔ膜は、（１１１）配向を有し得る。
即ち、本発明の圧電体薄膜は、Ｐｔ膜をさらに備え得る。ＬａＮｉＯ3膜１３が当該Ｐｔ膜上に形成され得る。
金属電極膜１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３とともに、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。換言すれば、当該電極層は、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２から構成される積層体である。
図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂは、金属電極膜１２上に、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５を順に形成することにより、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法では、ＬａＮｉＯ3膜１３を金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２上に形成し得る。こうして、図１Ｂに示される圧電体薄膜１ｂが製造され得る。
図１Ｃは、本発明による圧電体薄膜のまた別の一形態を示す。図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃは、積層構造１６ｃを有する。積層構造１６ｃでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに導電膜１７がさらに加えられている。当該導電膜１７は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｃは、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、導電膜１７とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１３〜１５および１７は互いに接する。圧電体薄膜１ｃでは、ＮａＮｂＯ3膜１４および導電膜１７の間に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が挟まれている。ＬａＮｉＯ3膜１３および導電膜１７は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
導電膜１７は、導電性を有する材料により構成される。当該材料の例は、低い電気抵抗を有する金属である。当該材料は、ＮｉＯ、ＲｕＯ2、ＩｒＯ3、ＳｒＲｕＯ3、およびＬａＮｉＯ3のような酸化物導電体であり得る。導電膜１７は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。導電膜１７と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との間に、両者の密着性を向上させる密着層が配置され得る。密着層の材料の例は、チタン（Ｔｉ）である。当該材料は、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、またはこれらの化合物であり得る。密着層は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。密着層は、導電膜１７と（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５との密着性に応じて、省略され得る。
図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃは、ＬａＮｉＯ3膜１３上に、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成することにより、製造され得る。導電膜１７は、例えば、スパッタリング法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、およびＡＤ法のような薄膜形成手法により形成され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に導電膜１７を形成する工程をさらに包含し得る。こうして、図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃが製造され得る。
図１Ｄは、本発明による圧電体薄膜のさらに別の一形態を示す。図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄは、積層構造１６ｄを有する。積層構造１６ｄでは、図１Ａに示される積層構造１６ａに金属電極膜１２および導電膜１７がさらに加えられている。積層構造１６ｄでは、ＬａＮｉＯ3膜１３が当該金属電極膜１２上に形成されている。導電膜１７が（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に形成されている。具体的には、積層構造１６ｄは、金属電極膜１２と、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜１３と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜１４と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、導電膜１７とをこの順に有する。積層されたこれらの膜１２〜１５および１７は互いに接する。
圧電体薄膜１ｄの金属電極膜１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３とともに、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。換言すれば、当該電極層は、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２の積層体である。圧電体薄膜１ｄでは、さらに、ＬａＮｉＯ3膜１３（あるいはＬａＮｉＯ3膜１３を具備する当該電極層）と導電膜１７の間に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が挟まれている。ＬａＮｉＯ3膜（あるいはＬａＮｉＯ3膜を具備する当該電極層）および導電膜１７は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｎａ）ＴｉＯ3膜１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。
図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄは、金属電極膜１２上にＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成して、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、ＬａＮｉＯ3膜１３を金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２上に形成する工程を包含し得る。さらに、当該方法は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５上に導電膜１７を形成する工程をさらに包含し得る。こうして、図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄが製造され得る。
本発明の圧電体薄膜は、図１Ｅに示すように、基板１１をさらに備え得る。ＬａＮｉＯ3膜１３は当該基板上に形成される。ＬａＮｉＯ3膜１３は、基板１１とＮａＮｂＯ3膜１４との間に挟まれている。
図１Ｅに示される圧電体薄膜１ｅでは、図１Ｄに示される積層構造１６ｄが基板１１上に形成されている。
基板１１は、シリコン（Ｓｉ）基板であり得る。Ｓｉ単結晶基板が好ましい。
基板１１と積層構造１６ｄとの間（より具体的には、基板１１とＬａＮｉＯ3膜１３との間）に、両者の密着性を向上させる密着層が配置され得る。ただし、密着層は導電性を必要とする。密着層の材料の例は、Ｔｉである。当該材料は、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒまたはこれらの化合物であり得る。密着層は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。密着層は、基板１１と積層構造１６ｄとの密着性に応じて、省略され得る。
図１Ｅに示す圧電体薄膜１ｅは、基板１１上に、金属電極膜（好ましくはＰｔ膜）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７を順に形成して、製造され得る。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、ＬａＮｉＯ3膜１３を基板１１上に形成する工程を包含し得る。
図１Ａ〜図１Ｄに示される圧電体薄膜１ａ〜１ｄは、下地基板を用いて製造され得る。具体的には、当該圧電体薄膜１ａ〜１ｄは、下地基板上に積層構造１６ａ〜１６ｄを形成した後、当該下地基板を除去することによって製造され得る。当該下地基板は、エッチングのような公知の手法により除去され得る。
図１Ｅに示される圧電体薄膜１ｅも、下地基板を用いて製造され得る。下地基板が基板１１を兼ねる具体的な別の形態では、下地基板上に積層構造１６ｄを形成した後、当該下地基板を除去し、さらに、別途準備した基板１１上に積層構造１６ｄを配置することによって、当該圧電体薄膜１ｅは製造され得る。
下地基板は、ＭｇＯのようなＮａＣｌ型構造を有する酸化物基板；ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、およびＮｄＧａＯ3のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板；Ａｌ2Ｏ3のようなコランダム型構造を有する酸化物基板；ＭｇＡｌ2Ｏ4のようなスピネル型構造を有する酸化物基板；ＴｉＯ2のようなルチル型構造を有する酸化物基板；および、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｔａ）Ｏ3、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板；であり得る。下地基板は、ガラス基板；アルミナのようなセラミクス基板；および、ステンレスのような金属基板；の表面に、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する酸化物薄膜を積層することによって形成され得る。この場合、当該酸化物薄膜の表面に、金属電極膜１２またはＬａＮｉＯ3膜１３が形成され得る。酸化物薄膜の例は、ＭｇＯ薄膜、ＮｉＯ薄膜、および酸化コバルト（ＣｏＯ）薄膜である。
圧電体薄膜を製造する本発明の方法は、上述したように、下地基板上に、直接あるいは金属電極膜１２のような他の膜を介して、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成する工程を包含し得る。下地基板は基板１１を兼ね得る。下地基板は除去された後、他の基板は配置され得る。このとき、当該他の基板は、金属電極膜１２またはＬａＮｉＯ3膜１３に接するように配置され得る。当該他の基板は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に接するように配置され得る。後者によれば、当該他の基板上に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４およびＬａＮｉＯ3膜１３がこの順に積層された、圧電体薄膜が得られる。
［インクジェットヘッド］
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図２〜図１２Ｂを参照しながら説明する。
図２は、本発明のインクジェットヘッドの一形態を示す。図３は、図２に示されるインクジェットヘッド１００における、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を示す分解図である。
図２および図３における符号Ａは、圧力室部材を指し示す。圧力室部材Ａは、その厚み方向（図の上下方向）に貫通する貫通孔１０１を具備する。図３に示される貫通孔１０１は、圧力室部材Ａの厚み方向に切断された当該貫通孔１０１の一部である。符号Ｂは、圧電体薄膜および振動層を具備するアクチュエータ部を指し示す。符号Ｃは、共通液室１０５およびインク流路１０７を具備するインク流路部材Ｃを指し示す。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃは、圧力室部材Ａがアクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃに挟まれるように、互いに接合している。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃが互いに接合した状態で、貫通孔１０１は、共通液室１０５から供給されたインクを収容する圧力室１０２を形成する。
アクチュエータ部Ｂが具備する圧電体薄膜および振動層は、平面視において圧力室１０２と重複する。図２および図３における符号１０３は、圧電体薄膜の一部である個別電極層を指し示す。図２に示されるように、インクジェットヘッド１００は、平面視においてジグザグ状に配置された２以上の個別電極層１０３を、即ち、圧電体薄膜を、具備する。
インク流路部材Ｃは、平面視においてストライプ状に配置された２以上の共通液室１０５を具備する。１つの共通液室１０５は、平面視において２以上の圧力室１０２と重複する。共通液室１０５は、インクジェットヘッド１００におけるインク供給方向（図２における矢印方向）に伸びている。インク流路部材Ｃは、共通液室１０５内のインクを圧力室１０２に供給する供給口１０６と、圧力室１０２内のインクをノズル孔１０８から吐出するインク流路１０７とを具備する。通常、１つの供給孔１０６および１つのノズル孔１０８が、１つの圧力室１０２に対応付けられている。ノズル孔１０８は、ノズル板Ｄに形成されている。ノズル板Ｄは、圧力室部材Ａとともにインク流路部材Ｃを挟むように、インク流路部材Ｃに接合している。
図２における符号ＥはＩＣチップを指し示す。ＩＣチップＥは、アクチュエータ部Ｂの表面に露出する個別電極層１０３に、ボンディングワイヤＢＷを介して電気的に接続されている。図２を明瞭にするために、一部のボンディングワイヤＢＷのみが図２に示される。
図４Ａおよび図４Ｂは、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂを含む要部の構成を示す。図４Ａおよび図４Ｂは、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂにおける、インク供給方向（図２における矢印方向）に直交する断面を示す。アクチュエータ部Ｂは、第１の電極（個別電極層１０３）および第２の電極（共通電極層１１２）に挟まれた圧電体層１５を有する圧電体薄膜１０４（１０４ａ〜１０４ｄ）を具備する。１つの個別電極層１０３は、１つの圧電体薄膜１０４ａ〜１０４ｄに対応付けられている。共通電極層１１２は、圧電体薄膜１０４ａ〜１０４ｄに共通する電極である。
図４Ａに示される圧電体薄膜１０４は、図１Ｃに示される積層構造１６ｃを有する。当該構造は、個別電極層１０３であるＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および共通電極層１１２である導電膜１７を、ＬａＮｉＯ3膜１３側から、この順に具備する。
図４Ｂに示される圧電体薄膜１０４は、図１Ｄに示される積層構造１６ｄを有する。当該構造は、個別電極層１０３である金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２およびＬａＮｉＯ3膜１３、ならびにＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および共通電極層１１２である導電膜１７を、金属電極膜１２側からこの順に有する。ＬａＮｉＯ3膜１３は、金属電極膜１２上に形成されている。
図４Ａおよび図４Ｂに示される圧電体薄膜１０４において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および導電膜１７は、基本的に、その好ましい形態を含め、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
共通電極層１１２である導電膜１７は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ膜であり得る。当該導電性材料は、Ｔｉが好ましい。なぜなら、Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対して高い密着性を有し、圧電体層と共通電極層との密着層として良好に機能し得るからである。
第１の電極および第２の電極の間に印加される電圧が圧電体層１５の変形を誘起し得る限り、第１の電極および第２の電極のいずれもが個別電極層であり得る。すなわち、本発明のインクジェットにおける圧電体薄膜は、共通電極層１１２、ＮａＮｂＯ3膜１４、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および個別電極層１０３を、この順に具備し得る。この場合、第１の電極である共通電極層１１２はＬａＮｉＯ3膜１３からなる。あるいは、共通電極層１１２は、ＬａＮｉＯ3膜１３と金属電極膜１２との積層体からなり、当該圧電体薄膜においてＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４と接するように配置される。個別電極層１０３は、導電膜１７からなる。
個別電極層１０３は０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。個別電極層１０３が金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。共通電極層１１２は０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
アクチュエータ部Ｂは、振動層１１１をさらに具備する。振動層１１１は、圧電体薄膜１０４の共通電極層１１２に接合している。振動層１１１は、圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形に応じて、振動層１１１の膜厚方向に変位する。個別電極層１０３および共通電極層１１２を介する圧電体層１５への電圧の印加が、圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形をもたらす。
圧力室部材Ａは、中間層１１３および接着層１１４を介して振動層１１１に接合している。圧力室部材Ａおよび圧電体薄膜１０４が、振動層１１１を間に挟んでいる。
（１）圧電効果による圧電体薄膜１０４の変形に応じて振動層１１１が変位し、 （２）振動層１１１の変位に応じて圧力室１０２の容積が変化し、かつ、 （３）圧力室１０２の容積の変化に応じて圧力室１０２内のインクが吐出し得る限り、振動層１１１の構成、圧電体薄膜１０４と振動層１１１との間の接合の状態、ならびに振動層１１１と圧力室部材Ａとの間の接合の状態は、限定されない。図４Ａおよび図４Ｂでは、振動層１１１は圧力室１０２の壁面を構成している。
振動層１１１を構成する材料は、例えば、Ｃｒである。当該材料は、Ｎｉ、アルミニウム（Ａｌ）、Ｔａ、タングステン（Ｗ）、シリコン、あるいはこれらの元素の酸化物、窒化物（例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）であり得る。振動層１１１の厚みは、２μｍ以上５μｍ以下が好ましい。
接着層１１４を構成する材料は、例えば、接着剤または粘着剤である。当業者は、接着剤および粘着剤の種類を適切に選択し得る。
中間層（縦壁）１１３は、圧力室部材Ａが接着層１１４を介して振動層１１１に接合する際に、圧力室１０２に露出する振動層１１１の一部分に接着層１１４が付着することを防ぐ。当該一部分に付着した接着剤は、振動層１１１の変位を妨げる。中間層１１３を構成する材料は、インクジェットヘッド１００の機能が維持される限り、限定されない。中間層１１３の材料は、例えば、Ｔｉである。中間層１１３は、省略され得る。
圧力室部材Ａは、隣り合う圧力室１０２間に区画壁１０２ａを有する。
図２に示されるインクジェットヘッド１００を製造する方法の一例を、図５Ａ〜図１０を参照しながら説明する。
最初に、図５Ａに示されるように、下地基板１２０の上に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜（界面層）１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜（圧電体層）１５、導電膜１７、振動層１１１および中間層１１３をこの順に形成して、積層体１３２を得る。各層（膜）を形成する薄膜形成手法は特に限定されない。当該手法の例は、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＡＤ法、スパッタリング法である。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
積層体１３２の形成とは別に、後に圧力室部材Ａとなる部材を形成する。この部材は、例えば、Ｓｉ基板（好ましくはＳｉ単結晶基板）を微細加工して形成し得る。Ｓｉ基板のサイズは、下地基板１２０のサイズよりも大きいことが好ましい（図１０参照。図１０における符号１３０が、Ｓｉ基板。符号１３０は、Ｓｉ基板以外の他の基板であり得る）。より具体的には、図５Ｂに示されるように、複数の貫通孔１０１が基板１３０に形成される。貫通孔１０１は、この部材が、別途形成したアクチュエータ部およびインク流路部材に接合した後、圧力室１０２として機能する。図５Ｂでは、１つの貫通孔群が４つの貫通孔１０１から構成される。基板１３０は、複数の当該貫通孔群を具備する。第１区画壁１０２ａは、１つの貫通孔群に属する隣接する２つの貫通孔１０１を区分する。隣接する２つの貫通孔群を、第２区画壁１０２ｂが区分する。第２区画壁１０２ｂは、第１区画壁１０２ａが有する幅の２倍以上の幅を有することが好ましい。貫通孔１０１は公知の微細加工手法により、基板１３０に設けられ得る。当該手法は、例えば、パターニングとエッチングとの組み合わせであり得る。エッチングは、ケミカルエッチングまたはドライエッチングであり得る。貫通孔１０１の形状は、望まれる圧力室１０２の形状に対応付けられ得る。以下、第１区画壁１０２ａおよび第２区画壁１０２ｂを、まとめて区画壁１０２と呼ぶ。
次に、図５Ｃに示されるように、区画壁１０２の上に接着層１１４を形成する。接着層１１４の形成方法は限定されない。当該方法は、例えば、電着法であり得る。
その後、図６Ａに示されるように、基板１３０は積層体１３２に接合する。当該接合によって、中間層１１３が基板１３０および積層体１３２の間に挟まれる。基板１３０のサイズが下地基板１２０のサイズよりも大きい場合、図１０に示されるように、複数の積層体１３２（図１０に示される例では１４の積層体。図１０では、積層体１３２が具備する下地基板１２０が見えている）が基板１３０に接合し得る。図６Ａでは、基板１３０に２つの積層体１３２が接合する。図６Ａでは、２つの積層体１３２の中心は、第２区画壁１０２ｂの延長線上に位置する。基板１３０の積層体１３２への接合により、導電膜１７は共通電極層１１２となる。
接着層１１４が熱硬化性の接着剤により構成される場合、基板１３０が積層体１３２に接合した後、熱を加えて接着層１１４を完全に硬化させることが好ましい。接合時に貫通孔１０１にはみ出した接着層１１４は、プラズマ処理によって除去され得る。
次に、図６Ｂに示されるように、区画壁１０２をマスクとして用いて中間層１１３をエッチングする。当該エッチングは、貫通孔１０１の断面の形状に合致させるように行う。これにより、振動層１１１が貫通孔１０１に露出する。当該エッチングによって、中間層１１３は、平面視において区画壁１０２と同一の形状に変化する。中間層１１３は、区画壁１０２および接着層１１４とともに、縦壁を構成する。このようにして、基板１３０、中間層１１３および接着層１１４を具備する圧力室部材Ａが形成される。
図５Ｂ〜図６Ｂに示される例では、貫通孔１０１が形成された基板１３０が、圧電体層１５を含む積層体１３２に接合する。この手順に代えて、貫通孔１０１を具備しない基板１３０が積層体１３２に接合し、そして当該基板１３０に貫通孔１０１を形成して振動層１１１を露出させることによっても、圧力室部材Ａは形成され得る。
その後、図７Ａに示されるように、下地基板１２０が、例えば、エッチングにより除去される。
次に、図７Ｂに示されるように、フォトリソグラフィとエッチングとを組み合わせた微細加工によって、金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３は、２以上の個別電極層１０３に変化する。各個別電極層１０３は、平面視において、個々の貫通孔１０１に対応付けられる。
その後、図８Ａに示されるように、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５が微細加工される。微細加工したＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、いずれも、平面視において個別電極層１０３の形状と同一の形状を有する。当該微細加工では、平面視における各層（膜）の中心が貫通孔１０１の中心に高い精度で一致することが好ましい。このようにして、個別電極層１０３（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、および共通電極層１１２（導電膜１７）から構成される圧電体薄膜１０４と、振動層１１１とを備えるアクチュエータ部Ｂが形成される。
次に、図８Ｂに示されるように、共通電極層１１２、振動層１１１および基板１３０を、第２区画壁１０２ｂごとに切断して、２以上の部材１３３を得る。１つの部材１３３は、アクチュエータ部Ｂと、２以上の貫通孔１０１を有する圧力室部材Ａとを具備している。アクチュエータ部Ｂは圧力室部材Ａに接合している。
上述した各手順とは別に、図９Ａに示されるように、共通液室１０５、供給口１０６およびインク流路１０７を具備するインク流路部材Ｃと、ノズル孔１０８を具備するノズル板Ｄとが準備される。
次に、図９Ｂに示されるように、インク流路部材Ｃの主面に垂直な方向から見てインク流路１０７がノズル孔１０８に重複するように、インク流路部材Ｃをノズル板Ｄに接合して接合体を得る。インク流路１０７に、ノズル孔１０８の全体が露出することが好ましい。両部材の接合方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。
その後、図９Ｃに示されるように、部材１３３は、図９Ｂに示される工程で準備した接合体に接合する。より具体的には、圧力室部材Ａにおけるアクチュエータ部Ｂ側とは反対側の面が、インク流路部材Ｃにおけるノズル板Ｄ側とは反対側の面に接合する。接合時にはアライメント調整が行われ、当該接合によって貫通孔１０１を圧力室１０２として機能させる。接合方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。このようにして、図９Ｄ（図２）に示されるインクジェットヘッド１００が得られる。
当業者は、金属電極膜１２を具備しない圧電体薄膜１０４を備えるインクジェットヘッドを、図５Ａ〜図１０に示される方法を応用して製造し得る。
図１１は、本発明の他のインクジェットヘッドを示す。図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、図２〜図４に示されるインクジェットヘッド１００と比較して、簡易な構造を有する。具体的には、インクジェットヘッド１００からインク流路部材Ｃが除去されている。
図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、以下の（１）〜（６）を除き、図２〜図４に示されるインクジェットヘッド１００と同一である：（１）インク流路部材Ｃがなく、そしてノズル孔１０８を具備するノズル板Ｄが、直接、圧力室部材Ａに接合している；（２）中間層１１３がなく、そして振動層１１１が、直接、圧力室部材Ａに接合している；（３）振動層１１１と共通電極層１１２との間に密着層１４２が配置されており、当該密着層１４２がこれらの間の密着性を向上させている；（４）共通電極層１１２が、金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である；（５）個別電極層１０３が導電膜１７である；（６）共通電極層１１２側から、共通電極層１１２（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および個別電極層１０３（導電膜１７）が順に積層されている。
共通電極層１１２は、第１の電極として機能する。個別電極層１０３は、第２の電極として機能する。密着層１４２を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。
図１１に示されるインクジェットヘッド１４１は、例えば、図１２Ａおよび図１２Ｂに示される方法によって製造され得る。最初に、図１２Ａに示されるように、基板１３０の一方の主面に、振動層１１１、密着層１４２、共通電極層１１２（金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３）、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、この順に形成する。各層（膜）の形成手法は、上述したとおりである。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
この実施形態では、基板１３０がＳｉである場合、当該基板の表面を酸化することによって、二酸化シリコンにより構成される振動層１１１を形成し得る。このとき、振動層１１１の厚みは、０．５〜１０μｍであり得る。
次に、図１２Ｂに示されるように、基板１３０において圧力室１０２が形成される位置に貫通孔１０１が形成される。次に、基板１３０の主面に垂直な方向から見て、貫通孔１０１の中心が、導電膜１７、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５およびＮａＮｂＯ3膜１４の各層の中心に一致するように、これらの層に微細加工が施される。当該微細加工によって、導電膜１７が個別電極層１０３に変化する。貫通孔１０１の形成および各層の微細加工には、パターニングとエッチングとを組み合わせた公知の微細加工手法が用いられ得る。パターニングには、レジストのスピンコートが用いられ得る。エッチングはドライエッチングが好ましい。貫通孔１０１の形成には異方性ドライエッチングが好ましい。ドライエッチングでは、フッ素原子を含む有機ガスとアルゴンとの混合ガスが使用され得る。異方性ドライエッチングでは、当該混合ガスが、さらに六フッ化硫黄ガスを含み得る。
最後に、基板１３０は、別途形成しておいたノズル孔１０８を有するノズル板と接合し、図１１に示されるインクジェットヘッド１４１を得る。接合時には、アライメント調整が行われ、これらの接合によって貫通孔１０１を圧力室１０２として機能させる。接合する方法は限定されず、例えば、接着剤が用いられ得る。ノズル孔１０８は、リソグラフィー法、レーザー加工法、放電加工法のような微細加工手法により、ノズル板に形成し得る。
［インクジェットヘッドを用いた画像形成方法］
本発明の画像を形成する方法は、上述した本発明のインクジェットヘッドにおいて、第１および第２の電極（すなわち、個別電極層および共通電極層）を介して圧電体層に電圧を印加し、圧電効果により振動層を当該層の膜厚方向に変位させて圧力室の容積を変化させる工程、ならびに当該変位により圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程を含有する。
紙のような画像形成対象物とインクジェットヘッドとの間の相対位置を変化させながら、圧電体層に印加する電圧を変化させてインクジェットヘッドからのインクの吐出タイミングおよび吐出量を制御することによって、対象物の表面に画像が形成される。本明細書において用いられる用語「画像」は、文字を含む。換言すれば、本発明の画像を形成する方法により、紙のような印刷対象物に、文字、絵、図形などが印刷される。当該方法では、高い表現力を有する印刷をなし得る。
［角速度センサ］
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の角速度センサの一例を示す。図１４Ａは、図１３Ａに示される角速度センサ２１ａの断面Ｅ１を示す。図１４Ｂは、図１３Ｂに示される角速度センサ２１ｂの断面Ｅ２を示す。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂは、いわゆる音叉型角速度センサである。これは車両用ナビゲーション装置およびデジタルスチルカメラの手ぶれ補正センサに使用され得る。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂは、振動部２００ｂを有する基板２００と、振動部２００ｂに接合された圧電体薄膜２０８とを備える。
基板２００は、固定部２００ａと、固定部２００ａから所定の方向に伸びた一対のアーム（振動部２００ｂ）とを具備する。振動部２００ｂが延びる方向は、角速度センサ２１が測定する角速度の回転中心軸Ｌが延びる方向と同一である。具体的には、当該方向は、図１３Ａ、１３ＢではＹ方向である。基板２００の厚み方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＺ方向）から見て、基板２００は２本のアーム（振動部２００ｂ）を有する音叉の形状を有している。
基板２００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板２００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板２００の厚みは、角速度センサ２１ａ、２１ｂとしての機能が発現できる限り、限定されない。より具体的には、基板２００の厚みは０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である。固定部２００ａの厚みは、振動部２００ｂの厚みと異なり得る。
圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂに接合している。圧電体薄膜２０８は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、界面層であるＮａＮｂＯ3膜１４と、第１の電極２０２および第２の電極２０５と、を備える。圧電体層１５は、第１の電極２０２および第２の電極２０５の間に挟まれている。圧電体薄膜２０８は、第１の電極２０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。
図１３Ａおよび図１４Ａに示される圧電体薄膜２０８では、第１の電極２０２は、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である。ＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４に接する。当該圧電体薄膜２０８は、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１３Ａおよび図１４Ａに示される圧電体薄膜２０８は、第２の電極２０５を導電膜１７と考えて、図１Ｄに示される圧電体薄膜１ｄと同一である。
図１３Ｂおよび図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８では、第１の電極２０２は、ＬａＮｉＯ3膜１３である。当該圧電体薄膜２０８は、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極２０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１３Ｂおよび図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８は、第２の電極２０５を導電膜１７と考えて、図１Ｃに示される圧電体薄膜１ｃと同一である。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される圧電体薄膜２０８において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、その好ましい形態を含め、基本的に、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
第２の電極２０５を構成する材料は限定されず、例えば、Ｃｕである。Ｃｕ電極は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する高い密着性を有することから、好ましい。第２の電極２０５は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ電極膜またはＡｕ電極膜であり得る。密着層を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に対する高い密着性を有する。
第２の電極２０５は、駆動電極２０６およびセンス電極２０７を含む電極群を具備する。駆動電極２０６は、振動部２００ｂを発振させる駆動電圧を圧電体層１５に印加する。センス電極２０７は、振動部２００ｂに加わった角速度によって振動部２００ｂに生じた変形を測定する。振動部２００ｂの発振方向は、通常、その幅方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＸ方向）である。より具体的には、図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、一対の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する両端部に、振動部２００ｂの長さ方向（図１３Ａ、１３ＢのＹ方向）に沿って設けられている。１本の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する一方の端部に設けられ得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、センス電極２０７は、振動部２００ｂの長さ方向に沿って設けられており、かつ一対の駆動電極２０６の間に挟まれている。複数のセンス電極２０７が、振動部２００ｂ上に設けられ得る。センス電極２０７によって測定される振動部２００ｂの変形は、通常、その厚み方向（図１３Ａ、１３ＢにおけるＺ方向）の撓みである。
本発明の角速度センサでは、第１の電極および第２の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成され得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂでは、第２の電極２０５が当該電極群により構成される。当該角速度センサとは異なり、第１の電極２０２が当該電極群により構成され得る。一例として、基板２００から見て、第２の電極２０５、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４および第１の電極２０２（第１の電極は、ＮａＮｂＯ3膜１４に接するＬａＮｉＯ3膜１３を具備する）が、この順に積層され得る。
接続端子２０２ａ、２０６ａおよび２０７ａが、第１の電極２０２の端部、駆動電極２０６の端部およびセンス電極２０７の端部に、それぞれ形成されている。各接続端子の形状および位置は限定されない。図１３Ａ、１３Ｂでは、接続端子は固定部２００ａ上に設けられている。
第１の電極２０２の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下が好ましい。第１の電極２０２が金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３の厚みは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。第２の電極２０５の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。
図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサでは、圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂおよび固定部２００ａの双方に接合している。しかし、圧電体薄膜２０８が振動部２００ｂを発振させることができ、かつ振動部２００ｂに生じた変形が圧電体薄膜２０８によって測定され得る限り、圧電体薄膜２０８の接合の状態は限定されない。例えば、圧電体薄膜２０８は、振動部２００ｂのみに接合され得る。
本発明の角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる振動部群を２以上有し得る。そのような角速度センサは、複数の回転中心軸に対する角速度を測定し得、２軸あるいは３軸の角速度センサとして機能し得る。図１３Ａ〜図１４Ｂに示される角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる１つの振動部群を有する。
本発明の角速度センサは、上述した本発明の圧電体薄膜の製造方法を応用して、例えば、以下のように製造され得る。ただし、以下に示される方法は、第１の電極２０２が金属電極膜１２を具備する場合の方法である。当業者は、第１の電極２０２が金属電極膜１２を具備しない場合についても、以下の方法を応用し得る。
最初に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、基板（例えばＳｉ基板）の表面に、この順に形成する。各層（膜）の形成には、上述した薄膜形成手法を適用し得る。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
次に、導電膜１７をパターニングにより微細加工して、駆動電極２０６およびセンス電極２０７により構成される第２の電極２０５を形成する。さらに、微細加工により、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２をパターニングする。そして、微細加工により基板をパターニングして、振動部２００ｂを形成する。このようにして、本発明の角速度センサが製造され得る。
微細加工の方法は、例えばドライエッチングである。
本発明の角速度センサは、下地基板を用いた転写を応用して製造され得る。具体的には、例えば、以下の方法を適用し得る。最初に、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、下地基板の表面に、この順に形成する。次に、形成された積層体を他の新たな基板に、当該基板と当該導電膜１７とが接するように、接合する。次に、下地基板を公知の方法により除去する。次に、各層（膜）を微細加工によりパターニングして、本発明の角速度センサが製造され得る。当該積層体および当該新たな基板は、例えば接着層を介して接合し得る。当該接着層の材料は、当該積層体が当該新たな基板に安定して接着する限り限定されない。より具体的には、アクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン系接着剤、およびポリイミド系接着剤が用いられ得る。このとき、接着層は０．２μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
［角速度センサによる角速度の測定方法］
本発明の角速度を測定する方法は、本発明の角速度センサを用いて、駆動電圧を圧電体層に印加して、基板の振動部を発振させる工程、および発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変形を測定することによって当該角速度の値を測定する工程、を有する。第１の電極および第２の電極のうち、駆動電極およびセンス電極として機能しない電極（他方の電極）と、駆動電極との間に駆動電圧が印加され、圧電体層に駆動電圧が印加される。他方の電極およびセンス電極が、角速度によって、発振中の振動部に生じた変形を測定する。
以下、図１３Ａ、１３Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂを用いた角速度の測定方法を説明する。振動部２００ｂの固有振動と共振する周波数の駆動電圧が、第１の電極２０２および駆動電極２０６を介して圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に印加され、振動部２００ｂを発振させる。印加された駆動電圧の波形に応じて圧電体層１５が変形し、当該層と接合されている振動部２００ｂが発振する。駆動電圧は、例えば、第１の電極２０２を接地し、かつ駆動電極２０６の電位を変化させることで印加され得る（換言すれば、駆動電圧は、第１の電極２０２と駆動電極２０６との間の電位差である）。角速度センサ２１ａ、２１ｂは、音叉の形状に配列された一対の振動部２００ｂを有する。通常、一対の振動部２００ｂのそれぞれが有する各駆動電極２０６に、正負が互いに逆である電圧をそれぞれ印加する。これにより、各振動部２００ｂを、互いに逆方向に振動するモード（図１３Ａ、１３Ｂに示される回転中心軸Ｌに対して対称的に振動するモード）で発振させることができる。図１３Ａ、１３Ｂに示される角速度センサ２１ａ、２１ｂでは、振動部２００ｂはその幅方向（Ｘ方向）に発振する。一対の振動部２００ｂの一方のみを発振させることによっても角速度の測定は可能である。しかし、高精度の測定のためには、両方の振動部２００ｂを互いに逆方向に振動するモードで発振させることが好ましい。
振動部２００ｂが発振している角速度センサ２１ａ、２１ｂに対して、その回転中心軸Ｌに対する角速度ωが加わるとき、各振動部２００ｂは、コリオリ力によって厚み方向（Ｚ方向）に撓む。一対の振動部２００ｂが互いに逆方向に振動するモードで発振している場合、各振動部２００ｂは、互いに逆向きに、同じ変化量だけ撓むことになる。この撓みに応じて、振動部２００ｂに接合した圧電体層１５も撓み、第１の電極２０２とセンス電極２０７との間に、圧電体層１５の撓みに応じた、即ち、生じたコリオリ力に対応した電位差が生じる。この電位差の大きさを測定することで、角速度センサ２１ａ、２１ｂに加わった角速度ωを測定することができる。
コリオリ力Ｆｃと角速度ωとの間には以下の関係が成立する：
Ｆｃ＝２ｍｖω
ここで、ｖは、発振中の振動部２００ｂにおける発振方向の速度である。ｍは、振動部２００ｂの質量である。この式に示されているように、コリオリ力Ｆｃから角速度ωを算出し得る。
［圧電発電素子］
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１６Ａは、図１５Ａに示される圧電発電素子２２ａの断面Ｆ１を示す。図１６Ｂは、図１５Ｂに示される圧電発電素子２２ｂの断面Ｆ２を示す。圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、外部から与えられた機械的振動を電気エネルギーに変換する素子である。圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、車両および機械の動力振動および走行振動、ならびに歩行時に生じる振動、に包含される種々の振動から発電する自立的な電源装置に好適に適用される。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子２２ａ、２２ｂは、振動部３００ｂを有する基板３００と、振動部３００ｂに接合された圧電体薄膜３０８とを具備する。
基板３００は、固定部３００ａと、固定部３００ａから所定の方向に伸びた梁により構成される振動部３００ｂと、を有する。固定部３００ａを構成する材料は、振動部３００ｂを構成する材料と同一であり得る。しかし、これらの材料は互いに異なり得る。互いに異なる材料により構成された固定部３００ａが、振動部３００ｂに接合され得る。
基板３００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板３００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板３００は、例えば、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の厚みを有する。固定部３００ａは振動部３００ｂの厚みと異なる厚みを有し得る。振動部３００ｂの厚みは、振動部３００ｂの共振周波数を変化させて効率的な発電が行えるように調整され得る。
錘荷重３０６が振動部３００ｂに接合している。錘荷重３０６は、振動部３００ｂの共振周波数を調整する。錘荷重３０６は、例えば、Ｎｉの蒸着薄膜である。錘荷重３０６の材料、形状および質量ならびに錘荷重３０６が接合される位置は、求められる振動部３００ｂの共振周波数に応じて調整され得る。錘荷重は省略され得る。振動部３００ｂの共振周波数が調整されない場合には、錘荷重は不要である。
圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂに接合している。圧電体薄膜３０８は、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５と、ＮａＮｂＯ3膜１４と、第１の電極３０２および第２の電極３０５と、を備える。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、第１の電極３０２および第２の電極３０５の間に挟まれている。圧電体薄膜３０８は、第１の電極３０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。
図１５Ａおよび図１６Ａに示される圧電体薄膜３０８では、第１の電極３０２は、金属電極膜１２およびＬａＮｉＯ3膜１３の積層体である。ＬａＮｉＯ3膜１３がＮａＮｂＯ3膜１４に接する。当該圧電体薄膜３０８は、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１５Ａおよび図１６Ａに示される圧電体薄膜３０８は、第２の電極３０５を導電膜１７と考えて、図１Ｄに示される積層構造１６ｄと同一である。
図１５Ｂおよび図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８では、第１の電極３０２は、ＬａＮｉＯ3膜１３である。当該圧電体薄膜３０８は、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層された積層構造を有する。すなわち、図１５Ｂおよび図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８は、第２の電極３０５を導電膜１７と考えて、図１Ｃに示される積層構造１６ｃと同一である。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電体薄膜３０８において、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４および（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５は、その好ましい形態を含め、基本的に、本発明の圧電体薄膜に関する上述の説明のとおりである。
第２の電極３０５は、例えば、Ｃｕ電極膜であり得る。Ｃｕ電極は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対する高い密着性を有することから、好ましい。第２の電極３０５は、導電性材料からなる密着層を表面に有するＰｔ電極膜またはＡｕ電極膜であり得る。密着層を構成する材料は、例えば、Ｔｉである。Ｔｉは、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に対する高い密着性を有する。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、第１の電極３０２の一部分が露出している。当該一部分は接続端子３０２ａとして機能し得る。
第１の電極３０２の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下が好ましい。第１の電極３０２が金属電極膜１２とＬａＮｉＯ3膜１３との積層体である場合、ＬａＮｉＯ3膜１３の厚みは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。ＮａＮｂＯ3膜１４の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５の厚みは、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。第２の電極３０５の厚みは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、振動部３００ｂを有する基板３００側から見て、第１の電極３０２、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および第２の電極３０５が、この順に積層されている。これらの層の積層順序は逆であり得る。即ち、振動部を有する基板側から見て、第２の電極、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、ＮａＮｂＯ3膜および第１の電極（第１の電極は、当該ＮａＮｂＯ3膜に接するＬａＮｉＯ3膜を具備する）が、この順に積層され得る。
図１５Ａ〜図１６Ｂに示される圧電発電素子では、圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂおよび固定部３００ａの双方に接合し得る。圧電体薄膜３０８は、振動部３００ｂのみに接合し得る。
本発明の圧電発電素子では、複数の振動部３００ｂを有することで、発生する電力量を増大し得る。各振動部３００ｂが有する共振周波数を変化させることにより、広い周波数成分からなる機械的振動への対応が可能となる。
本発明の圧電発電素子は、上述した本発明の圧電体薄膜の製造方法を応用して、例えば、以下のように製造され得る。ただし、以下に示される方法は、第１の電極３０２が金属電極膜１２を具備する場合の方法である。当業者は、第１の電極３０２が金属電極膜１２を具備しない場合についても、以下の方法を応用し得る。
最初に、金属電極膜（Ｐｔ膜が好ましい）１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、基板（例えばＳｉ基板）の表面に、この順に形成する。各層（膜）の形成には、上述した薄膜形成手法を適用し得る。当該手法は、スパッタリング法が好ましい。
次に、導電膜１７をパターニングにより微細加工して、第２の電極３０５を形成する。さらに微細加工により、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５、ＮａＮｂＯ3膜１４、ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２をパターニングする。ＬａＮｉＯ3膜１３および金属電極膜１２のパターニングにより、接続端子３０２ａが併せて形成される。そして、微細加工により基板をパターニングして、固定部３００ａおよび振動部３００ｂが形成される。このようにして、本発明の圧電発電素子が製造され得る。振動部３００ｂの共振周波数の調整が必要とされる場合は、公知の方法により、錘荷重３０６が振動部３００ｂに接合する。
微細加工の方法は、例えばドライエッチングである。
本発明の圧電発電素子は、下地基板を用いた転写を応用して製造され得る。具体的には、例えば、以下の方法を適用し得る。最初に、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５および導電膜１７を、下地基板の表面に、この順に形成する。次に、形成された積層体を他の新たな基板に、当該基板と当該導電膜１７とが接するように、接合する。次に、下地基板を公知の方法により除去する。次に、各層（膜）を微細加工によりパターニングして、本発明の圧電発電素子が製造され得る。当該積層体および当該新たな基板は、例えば接着層を介して接合し得る。当該接着層の材料は、当該積層体が当該新たな基板に安定して接着する限り限定されない。より具体的には、アクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン系接着剤、およびポリイミド系接着剤が用いられ得る。このとき、接着層は０．２μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
［圧電発電素子を用いた発電方法］
上述した本発明の圧電発電素子に振動を与えることにより、第１の電極および第２の電極の間に電位差が生じ、第１の電極および第２の電極を介して電力が得られる。
外部から圧電発電素子２２ａ、２２ｂに機械的振動が与えられると、振動部３００ｂが、固定部３００ａに対して上下に撓む振動を始める。当該振動が、圧電効果による起電力を圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に生じる。このようにして、圧電体層１５を挟持する第１の電極３０２と第２の電極３０５との間に電位差が発生する。圧電体層１５が有する圧電性能が高いほど、第１および第２の電極間に発生する電位差は大きくなる。特に、振動部３００ｂの共振周波数が、外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近い場合、振動部３００ｂの振幅が大きくなることで発電特性が向上する。そのため、錘荷重３０６によって、振動部３００ｂの共振周波数が外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近くなるように調整されることが好ましい。
以下、実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。
（実施例）
実施例では、図１Ｅに示される圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、基板１１、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、ＮａＮｂＯ3膜（界面層）１４、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜（圧電体層）１５および導電膜１７を順に具備する。当該圧電体薄膜を、以下のように作製した。
（１００）の面方位を有するＳｉ単結晶基板の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（１１１）配向を有するＰｔ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。当該Ｐｔ層は、金属電極膜１２に対応する。ターゲットとして金属Ｐｔを用い、アルゴン（Ａｒ）ガスの雰囲気下にて、ＲＦ出力１５Ｗおよび基板温度３００℃の成膜条件で当該Ｐｔ層を形成した。当該Ｐｔ層を形成する前に、Ｔｉ層（厚み２．５ｎｍ）をＳｉ単結晶基板の表面に形成し、Ｓｉ単結晶基板とＰｔ層との間の密着性を向上させた。当該Ｔｉ層は、金属Ｐｔに代えて金属Ｔｉをターゲットとして用いたこと以外は、当該Ｐｔ層の形成方法と同じ方法により形成された。
次に、Ｐｔ層の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜（厚み２００ｎｍ）を形成した。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有するＬａＮｉＯ3を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が８０／２０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１００Ｗおよび基板温度３００℃の成膜条件下で当該ＬａＮｉＯ3膜１３を形成した。
次に、ＬａＮｉＯ3膜の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜（厚み１００ｎｍ）を形成した。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有するＮａＮｂＯ3を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が８０／２０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１００Ｗおよび基板温度６００℃の成膜条件下で当該ＮａＮｂＯ3膜１４を形成した。
次に、ＮａＮｂＯ3膜の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07膜（厚み２．７μｍ）を形成した。当該膜は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜１５に対応する。ターゲットとしてストイキオメトリ組成を有する［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07を用い、Ａｒと酸素との混合ガス（流量比Ａｒ／Ｏ2が５０／５０）の雰囲気下にて、ＲＦ出力１７０Ｗおよび基板温度６５０℃の成膜条件下で当該膜１５を形成した。
形成した［（Ｂｉ0.5Ｎａ0.5）ＴｉＯ3］0.93−［ＢａＴｉＯ3］0.07膜（（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜）の結晶構造を、Ｘ線回折によって解析した。Ｘ線回折は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の上からＸ線を入射して行なわれた。図１７は、その結果を示す。以降の比較例においても、同一のＸ線回折が適用された。
図１７は、Ｘ線回折プロファイルの結果を示す。Ｓｉ基板およびＰｔ層に由来する反射ピークを除き、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する反射ピークのみが観察された。当該（００１）反射ピークの強度は、３，６９２ｃｐｓであり、非常に強かった。図１７に示されるプロファイルは、実施例で作製された（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が極めて高い（００１）配向性を有することを意味する。
続いて、当該プロファイルにおける（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する（００１）反射ピークの半値幅を、ロッキングカーブ測定により求めた。ロッキングカーブ測定は、測定対象とする反射ピークの回折角２θに検出器（detector）を固定した状態で、試料へのＸ線の入射角ωをスキャンさせることによって行われた。測定された半値幅は、膜の主面に垂直な方向に対する結晶軸の傾きの程度に対応している。半値幅が小さいほど、結晶性が高い。測定された半値幅は２．８１°であり、非常に小さかった。これは、実施例で作製された（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が極めて高い結晶性を有することを意味する。以降の比較例においても、同一のロッキングカーブ測定が適用された。
次に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜の表面に、蒸着により、Ａｕ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。当該Ａｕ層は、導電膜１７に対応する。このようにして、実施例の圧電体薄膜が作製された。
圧電体薄膜が具備するＰｔ層およびＡｕ層を用いて、当該圧電体薄膜の強誘電特性および圧電性能を評価した。図１８は、実施例の圧電体薄膜のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。図１８に示されるように、Ｐｔ層およびＡｕ層を介して圧電体層へ印加する電圧を増加させると、圧電体薄膜が良好な強誘電特性を現すことが確認された。インピーダンスアナライザを用いて１ｋＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）を測定した。当該圧電体薄膜のｔａｎδは４．３％であった。これは、当該圧電体薄膜のリーク電流が小さいことを意味する。
圧電体薄膜の圧電性能は、以下のように評価した。圧電体薄膜を幅２ｍｍに切り出して、カンチレバー状に加工した。次に、Ｐｔ層とＡｕ層との間に電位差を印加してカンチレバーを変位させて得られた変位量をレーザー変位計により測定した。次に、測定された変位量を圧電定数ｄ31に変換し、当該圧電定数ｄ31により圧電性能を評価した。実施例で作製した圧電体薄膜のｄ31は−９３ｐＣ／Ｎであった。
（比較例１）
比較例１では、図１９に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、ＮａＮｂＯ3膜１４を具備しないこと以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。すなわち、当該圧電体薄膜では、基板１１、金属電極膜１２、ＬａＮｉＯ3膜１３、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜３１、および導電膜１７が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、ＮａＮｂＯ3膜１４を形成しなかったこと以外は実施例と同様の手法により作製した。
図１７に示されるように、ＮａＮｂＯ3膜を具備しない比較例１においても、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜に由来する反射ピークが観察された。しかし、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜における他の結晶配向（１１０）に由来する反射ピークも観察された。上記（００１）反射ピークの強度は、２，６６１ｃｐｓであり、実施例におけるピーク強度（３，６９２ｃｐｓ）に比べて低かった。これは、比較例１の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が、実施例の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と比べてより劣った配向性を有することを意味する。
上記（００１）反射ピークの半値幅は２．８９°であり、実施例の半値幅よりも大きかった。これは、比較例１の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が、実施例の（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と比べてより劣った配向性を有することを意味する。
次に、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜３１の表面に、蒸着により、Ａｕ層（厚み１００ｎｍ）を形成した。このようにして、比較例１の圧電体薄膜が作製された。
圧電体薄膜が具備するＰｔ層およびＡｕ層を用いて、当該圧電体薄膜の強誘電特性および圧電性能の評価を試みた。しかし、圧電体薄膜におけるリーク電流が非常に大きかったため、Ｐ−Ｅヒステリシス曲線を正確に測定することが困難であった（図１８参照）。当該圧電体薄膜のｔａｎδは４０％であった。比較例１の圧電体薄膜は、このような大きなリーク電流を有するため、比較例１の圧電体薄膜が有する正確な圧電定数ｄ31の値を求めることは困難であった。推定される圧電定数ｄ31は、およそ−４０ｐＣ／Ｎであった。
（比較例２）
比較例２では、図２０に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、ＬａＮｉＯ3膜１３を具備しない以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。当該圧電体薄膜では、基板１１、金属電極膜１２、ＮａＮｂＯ3膜４２、圧電体層である（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１、および導電膜１７が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成しなかったこと以外は、実施例と同様の手法により作製した。
図２１は、Ｘ線回折による、当該ＮａＮｂＯ3膜４２の結晶構造の評価結果を示す。測定は、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１を形成する前に実施した。図２１に示されるように、観察された反射ピークは、Ｐｔ層の（１１１）反射ピークおよび（１１１）面に配向したＮａＮｂＯ3膜４２の（１１１）反射ピークのみであった。即ち、ＬａＮｉＯ3膜１３を形成することなく、（１１１）配向を有するＰｔ層上に形成したＮａＮｂＯ3膜は（１１１）配向を有していた。すなわち（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜のために必要とされる（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜は形成されなかった。
（１１１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成するためには適切ではない。即ち、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜４１は（００１）配向を有さず、高い圧電性能を有さないと考えられた。
以下の表１は、実施例および比較例１の評価結果を要約している。
Figure 2010122707
表１に示されるように、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜上に形成した（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が、高い（００１）配向性および高い結晶性を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を得るために有用であった。比較例１は、当該ＮａＮｂＯ3膜が用いられない場合、高い（００１）配向性および高い結晶性を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が得られないことを示す。比較例２は、当該ＮａＮｂＯ3膜を得るために、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜が必要とされることを示す。圧電体薄膜のリーク電流を反映する誘電損失の結果に関しても、同様である。
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3圧電体層が、高い結晶性、高い（００１）配向性、および小さいリーク電流を有するので、本発明の圧電体薄膜は、高い強誘電特性（例えば、低い誘電損失）および高い圧電性能を有する。本発明の圧電体薄膜は、従来の鉛系酸化物強誘電体に代わる圧電体薄膜として有用である。本発明の圧電体薄膜は、焦電センサ、圧電デバイスのような圧電体薄膜が使用されている分野に好適に使用され得る。その一例として、本発明のインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子が挙げられる。
本発明のインクジェットヘッドは、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、インクの吐出特性に優れる。当該インクジェットヘッドを用いた画像を形成する方法は、優れた画像の精度および表現性を有する。本発明の角速度センサは、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、高いセンサ感度を有する。当該角速度センサを用いた角速度を測定する方法は、優れた測定感度を有する。本発明の圧電発電素子は、ＰＺＴのような鉛を含有する強誘電材料を含まないにも拘わらず、優れた発電特性を有する。当該圧電発電素子を用いた本発明の発電方法は、優れた発電効率を有する。本発明に係るインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子ならびに画像形成方法、角速度の測定方法および発電方法は、様々な分野および用途に幅広く適用できる。

Claims (22)

  1. （００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜と、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜と、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜と、を具備し、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜がこの順に積層されている圧電体薄膜。
  2. Ｐｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１に記載の圧電体薄膜。
  3. 導電膜をさらに備え、
    前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜が、前記導電膜と前記ＮａＮｂＯ3膜との間に挟まれている、請求項１に記載の圧電体薄膜。
  4. 基板をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が前記基板と前記ＮａＮｂＯ3膜との間に挟まれている、請求項１に記載の圧電体薄膜。
  5. 前記基板がＳｉからなる請求項４に記載の圧電体薄膜。
  6. スパッタリング法により、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を形成する工程、
    前記ＬａＮｉＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜を形成する工程、および
    前記ＮａＮｂＯ3膜上に、スパッタリング法により、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜を形成して、前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、および前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜がこの順に積層された圧電体薄膜を得る工程、
    を包含する、圧電体薄膜を製造する方法。
  7. 前記ＬａＮｉＯ3膜を、Ｐｔ膜上に形成する請求項６に記載の方法。
  8. 前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜上に導電膜を形成する工程をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
  9. 前記Ｐｔ膜を、基板上に形成する請求項７に記載の方法。
  10. 前記基板がＳｉからなる請求項９に記載の方法。
  11. 第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、
    前記圧電体薄膜に接合された振動層と、
    インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備え、
    前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合され、
    前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されている、
    インクジェットヘッド。
  12. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１１に記載のインクジェットヘッド。
  13. インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法であって、
    前記インクジェットヘッドを準備する工程、および
    ここで、前記インクジェットヘッドは、
    第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、
    前記圧電体薄膜に接合された振動層と、
    インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備え、
    前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合され、
    前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されており、
    前記第１の電極および前記第２の電極を介して前記圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、前記圧力室の容積が変化するように前記振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により前記圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程、
    を包含する、方法。
  14. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１３に記載の方法。
  15. 振動部を有する基板と、
    前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されており、
    前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、前記振動部を発振させる駆動電圧を前記圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を測定するためのセンス電極とを含む電極群により構成されている、
    角速度センサ。
  16. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１５に記載の角速度センサ。
  17. 角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、
    前記角速度センサを準備する工程、
    ここで、前記角速度センサは、
    振動部を有する基板と、
    前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されており、
    前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されており、
    駆動電圧を、前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる他方の電極と前記駆動電極とを介して前記圧電体層に印加することにより、前記振動部を発振させる工程、および
    発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を、前記他方の電極と前記センス電極とを介して測定することで前記加わった角速度の値を測定する工程
    を包含する、方法。
  18. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１７に記載の方法。
  19. 振動部を有する基板と、
    前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されている、
    圧電発電素子。
  20. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項１９に記載の圧電発電素子。
  21. 圧電発電素子を用いた発電方法であって、
    前記圧電発電素子を準備する工程、および
    ここで、前記圧電発電素子は、
    振動部を有する基板と、
    前記振動部に接合されるとともに、第１の電極および第２の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
    前記第１の電極は、（００１）配向を有するＬａＮｉＯ3膜を具備し、
    前記圧電体層は、（００１）配向を有する（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜から構成されており、
    前記第１の電極および前記圧電体層の間に、（００１）配向を有するＮａＮｂＯ3膜が挟まれており、
    前記ＬａＮｉＯ3膜、前記ＮａＮｂＯ3膜、前記（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ3膜、および前記第２の電極がこの順に積層されており、
    前記振動部に振動を与えることにより、前記第１の電極および前記第２の電極との間に電位差を生じさせる工程
    を包含する、方法。
  22. 前記圧電体薄膜がＰｔ膜をさらに備え、
    前記ＬａＮｉＯ3膜が、前記Ｐｔ膜上に形成されている請求項２１に記載の方法。
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