JP3996594B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、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に関するものである。

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、又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、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３，以下、ＰＺＴという）がある。ペロブスカイト型の正方晶系結晶構造のＰＺＴでは、〈００１〉軸方向（ｃ軸方向）に最も大きな圧電変位を得ることができる。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様々な方向を向いていて、自発分極Ｐｓも様々に配列している。

ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、圧電素子も小型化が強く要求されるようになっている。そして、その要求を満たすために、圧電素子は、従来から多用されてい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る。そのため、圧電素子の薄膜化の研究開発が盛んになってきている。

例えば、ＰＺＴは自発分極Ｐｓが〈００１〉軸方向を向いているので、圧電特性（圧電変位特性）が高いＰＺＴ薄膜を実現するためには、ＰＺＴ薄膜を構成する結晶の〈００１〉軸を基板の一方側の面に対して垂直な方向にする必要がある。そして、従来においては、これを実現するために、表面に結晶方位（００１）面が出た、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上に、その一方側の面に対して垂直な方向に〈００１〉軸が配向した、結晶性が良好なＰＺＴ薄膜を、６００〜７００℃の温度で且つＰＺＴをターゲットとして用いたスパッタ法で直接形成していた（例えば特許文献１を参照）。この方法の特徴はＭｇＯ単結晶の基板を用いることであり、それによってはじめて圧電特性が高く、結晶方向に優先配向した圧電体薄膜を実現できる。

しかし、このＭｇＯ単結晶は非常に高価な材料であるため、上記方法は、圧電体薄膜を用いた圧電素子などの工業製品を大量生産するときには、コスト上の観点から好ましくない。

これに対して、シリコンなどの安価な基板上にＰＺＴなどのペロブスカイト型圧電材料の（００１）面又は（１００）面結晶配向膜を形成する方法として、以下のようなものが知られている。すなわち、例えば特許文献２には、（１１１）面に配向したＰｔ電極上に、ＰＺＴ又はランタンを含有したＰＺＴの前駆体溶液を塗布し、この前駆体溶液を結晶化させる前にまず４５０〜５５０℃で熱分解させ、その後５５０〜８００℃で加熱処理して結晶化させること（ゾル−ゲル法）により、ＰＺＴの（１００）面結晶配向膜を生成できることが示されている。

しかし、このゾル−ゲル法で圧電素子を量産すると、有機物を取り除く工程や非晶質の圧電体前駆体薄膜を高温加熱して結晶化させる工程において結晶変化することで、クラックや下部電極と圧電体薄膜との膜剥離が生じ易いという問題がある。

これに対して、安価な基板上に結晶配向膜を作る方法として、ゾル−ゲル法を必要としない方法、例えばスパッタ法で作る方法が知られている（例えば特許文献３を参照）。以下、この方法による結晶配向膜の形成の工程について説明する。まず、基板上に、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ又はＣｕを含むＰｔ又はＩｒなどの貴金属合金からなる電極薄膜を下地電極としてスパッタ法で形成する。次に、その電極薄膜上にＰＺＴをスパッタ法で形成することにより、（００１）結晶配向したＰＺＴ薄膜を得ることができる。
特開平１０−２０９５１７号公報 特許第３０２１９３０号公報 特開２００４−７９９９１号公報

以上のようにして得られる圧電体薄膜は圧電定数が高く、印加する電圧が小さくても大きな圧電変位が発生するので、様々な分野のアクチュエーターとして用いられることが期待されている。また、この圧電体薄膜に大きな電圧を印加することにより、さらに大きな圧電変位を発生させることもできる。

しかし、上述の、ＰＺＴ薄膜をスパッタ法で形成したアクチュエーターに高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で電圧を長時間印加すると、変位量が減少するとともに電極薄膜が黒色に変色し、その結果、アクチュエーターが劣化するという問題があった。これは、電極薄膜とＰＺＴ薄膜との界面でＰＺＴ薄膜の過剰Ｐｂが水分と反応することが原因と考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子並びにそれを備えた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にある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電素子は、第１電極膜と、該第１電極膜上に形成された第１圧電体膜と該第１圧電体膜上に形成され且つ上記第１圧電体膜により結晶配向性を制御される第２圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第２圧電体膜上に形成された第２電極膜とを備えた圧電素子であって、上記第１及び第２圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、上記第１圧電体膜のＰｂ含有量が上記第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少なく、上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第１圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が２０以上６０以下であることを特徴とするものである。

これにより、第１圧電体膜のＰｂ含有量が第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少ないので、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても、第１電極膜と第１圧電体膜との界面で第１圧電体膜の過剰Ｐｂが水分と反応することを原因とする、圧電素子の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を提供できる。

また、本発明のその他の圧電素子は、第１電極膜と、該第１電極膜上に形成された配向制御膜と、該配向制御膜上に形成された第１圧電体膜と該第１圧電体膜上に形成され且つ上記第１圧電体膜により結晶配向性を制御される第２圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第２圧電体膜上に形成された第２電極膜とを備えた圧電素子であって、上記第１及び第２圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、上記第１圧電体膜のＰｂ含有量が上記第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少なく、上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第１圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が２０以上６０以下であることを特徴とするものである。

これにより、第１圧電体膜のＰｂ含有量が第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少ないので、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても、配向制御膜と第１圧電体膜との界面で第１圧電体膜の過剰Ｐｂが第１電極膜及び配向制御膜を透過して浸入した水分と反応することを原因とする、圧電素子の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を提供できる。

また、第１電極膜上に配向制御膜を形成することにより、第１圧電体膜の結晶配向性を向上させることができ、さらに、第２圧電体膜の結晶配向性も向上させることができる。そのため、圧電特性がより高い圧電素子を提供できる。

上記第１圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であり且つ長さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。

これにより、第１圧電体膜は第２圧電体膜の結晶配向性を確実に制御できる。

上記第２圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり且つ長さが２５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが望ましい。

ところで、第２圧電体膜の柱状粒子の長さが２５００ｎｍよりも小さい場合は、第１及び第２電極膜間に電圧を印加したときにおける圧電体積層膜にかかる電界が大きくなるので、クラックが発生する可能性が高くなる。

ここで、本発明によれば、第２圧電体膜の柱状粒子の長さが２５００ｎｍ以上であるので、クラックが発生することを防止できる。

上記第１及び第２圧電体膜は少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含んでいて、化学組成比がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ａ）：ｂ：１−ｂで表され、上記第１及び第２圧電体膜の上記ｂの値が０．５０以上０．６０以下の同じ値であり、上記第１圧電体膜の上記ａの値が−０．０５以上０．０５以下であり、上記第２圧電体膜の上記ａの値が０以上０．１以下であることが望ましい。

これにより、圧電素子の耐湿性を確実に向上させることができる。

上記第１及び第２圧電体膜は、(００１)面に優先配向していることが望ましい。

上記第１電極膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＲｕから選ばれた少なくとも１種の貴金属、又は該貴金属とＴｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれた少なくとも１種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の柱状粒子の集合体であることが望ましい。

これにより、第１電極膜は第１圧電体膜の配向制御膜としての機能を活性化させることができるので、第１圧電体膜は第２圧電体膜の結晶配向性を確実に制御できる。

上記配向制御膜は、チタン酸ランタン鉛からなることが望ましい。

これにより、圧電体積層膜を（００１）面に確実に配向させることができる。

本発明のインクジェットヘッドは、ノズルと該ノズルに連通し且つインクを収容する圧力室とが形成されたヘッド本体部と、厚み方向一方側の面の一部が上記圧力室に臨むように設けられた振動板膜と、上記振動板膜の厚み方向他方側の面上に形成され、上記圧力室内のインクに圧力を付与して上記ノズルからインクを吐出させる圧電素子とを備えたインクジェットヘッドであって、上記圧電素子は、本発明の圧電素子のいずれか１つからなることを特徴とするものである。

本発明のインクジェット式記録装置は、インクジェットヘッドと、上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる移動手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、上記インクジェットヘッドは、本発明のインクジェットヘッドからなることを特徴とするものである。

なお、本発明の圧電素子は、インクジェットヘッドやインクジェット式記録装置以外のもの、例えばジャイロ素子や加速度センサなどの電子部品等にも適用できる。

本発明によれば、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても圧電素子が劣化しないので、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子並びにそれを備えた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できる。また、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を容易に製造できる。さらに、インク液の吐出能力のばらつきが小さく信頼性が高いインクジェットヘッド及びそれを備えたインクジェット式記録装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、本発明の実施形態に係る圧電素子（圧電体素子）２０は、短冊平板状の基板１（厚さ０．３ｍｍ、幅３．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍ）と、その基板１上に形成された積層体１１とを備えている。圧電素子２０の幅は３．０ｍｍである。圧電素子２０の一端部（図１では左端部）は、エポキシ系接着剤７を介してステンレス支持基板６（厚さ１．０ｍｍ、幅３．０ｍｍ、長さ１０．０ｍｍ）上に固定されている。この一端部は、圧電素子２０の一端（図１では左端）からの長さが３．０ｍｍまでの部分である。圧電素子２０の長手方向とステンレス支持基板６の長手方向とはほぼ直行している。以上から、圧電素子２０は片持ち梁を構成している。

基板１は、圧電効果による積層体１１の伸縮を阻害する振動板膜（振動板層）の役割も果たす。積層体１１は、基板１上に形成された第１電極膜２と、その第１電極膜２上に形成された圧電体積層膜１０と、その圧電体積層膜１０上に形成された第２電極膜５とを備えている。

第１電極膜２は、基板１の厚み方向一方側の面の全面に設けられている。圧電体積層膜１０は、第１電極膜２の上記一端部以外の部分の上に設けられている。すなわち、圧電体積層膜１０は、幅が３．０ｍｍで且つ長さが１２．０ｍｍである。圧電体積層膜１０は、（００１）優先結晶配向のペロブスカイト型結晶構造のジルコン酸チタン酸鉛系酸化物（以下、ＰＺＴ系酸化物という）からなる。ＰＺＴ系酸化物とは、少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含む酸化物である。具体的には、圧電体積層膜１０は、第１電極膜２上に形成された第１圧電体薄膜３と、その第１圧電体薄膜３上に形成された第２圧電体薄膜４とにより構成されている。この第１圧電体薄膜３は、第２圧電体薄膜４の結晶配向性を制御する配向制御膜としての機能を有する。

第２電極膜５は厚さ１００ｎｍの白金からなる。第１及び第２電極膜２，５には金製のリード線８，９がそれぞれ接続されている。

本発明の特徴として、第１及び第２圧電体薄膜３，４は、結晶成長方向が圧電体積層膜１０（第１及び第２圧電体薄膜３，４）の厚み方向一方向側から他方側に向いている柱状粒子の集合体である（図３を参照）。換言すれば、第１及び第２圧電体薄膜３，４は基板１（第１電極膜２）の厚み方向一方側の面に対して垂直な方向に成長した柱状粒子の集合体である。第１及び第２圧電体薄膜３，４の柱状粒子は連続して繋がっている。第１圧電体薄膜３のＰｂ含有量は第２圧電体薄膜４のＰｂ含有量よりも少ない。第２圧電体薄膜４の柱状粒子の平均断面径（粒子径）は第１圧電体薄膜３の柱状粒子の平均断面径（粒子径）よりも大きい。第２圧電体薄膜４の柱状粒子の平均断面径（粒子径）に対する圧電体積層膜１０の厚み（圧電体積層膜１０の柱状粒子の長さ）の比は２０以上６０以下である。ここで、第２圧電体薄膜４の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜１０の厚みの比が２０未満の場合は、成膜時に生じる応力で圧電体積層膜１０にクラックが発生し、また、その比が６０を超えると、駆動時の消費電力が大きくなって応答性が低下し、いずれの場合も望ましくない。

また、第１圧電体薄膜３の柱状粒子は、平均断面径（粒子径）が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であるとともに長さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第２圧電体薄膜４の柱状粒子は、平均断面径（粒子径）が６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるとともに長さが２５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。

また、第１及び第２圧電体薄膜３，４は、化学組成比がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ａ）：ｂ：１−ｂで表される。第１及び第２圧電体薄膜３，４のｂの値は、０．５０以上０．６０以下の同じ値である。第１圧電体薄膜３のａの値は−０．０５以上０．０５以下である。第２圧電体薄膜４のａの値は０以上０．１０以下である。

また、第１電極膜２はＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＲｕから選ばれた少なくとも１種の貴金属、又は該貴金属とＴｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれた少なくとも１種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の柱状粒子の集合体である。

ここで、圧電素子２０の第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して電圧を印加すると、圧電体積層膜１０はＸ軸方向に伸びる。ここで、印加電圧をＥ（Ｖ）、圧電体積層膜１０の長さをＬ（ｍ）、圧電体積層膜１０の厚さをｔ（ｍ）、圧電体積層膜１０の圧電定数をｄ_３１（ｐｍ／Ｖ）とすると、圧電体積層膜１０のＸ軸方向の伸びの変化量ΔＬ（ｍ）は、以下の式（１）によって求められる。
ΔＬ＝ｄ_３１×Ｌ×Ｅ／ｔ…（１）

また、第２電極膜５と接合している圧電体積層膜１０の上側部分はＸ軸方向に伸びる一方、第１電極膜２と接合している圧電体積層膜１０の下側部分は、厚みが大きい基板１によって伸びが抑制される。その結果、圧電素子２０における上記一端とは反対側の他端（図１では右端。以下、先端という）は、Ｚ軸の−Ｚ方向（図１では下側）に変位する。したがって、電圧の印加を一定周期で繰り返すと、圧電素子２０の先端はＺ軸方向に所定の変位量で変位する。そして、印加電圧と圧電素子２０の先端の変位量の大きさとの関係を調べることにより、圧電素子２０の変位特性を評価できる。

−圧電素子の製造方法−
以下、図２を参照しながら、圧電素子２０の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの基板１０１の表面上に、幅５．０ｍｍ、長さ１８．０ｍｍの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク（厚さ０．２ｍｍ）を用いて、第１電極膜１０２をＲＦマグネトロンスパッタ法で形成する。

次に、第１電極膜１０２の表面上に、幅５．０ｍｍ、長さ１２．０ｍｍの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク（厚さ０．２ｍｍ）を用いて、圧電体積層膜１１０をＲＦマグネトロンスパッタ法で正確に形成する。具体的には、圧電体積層膜１１０を、以下のようにして作製する。まず、ＰＺＴ酸化物の焼結体を所定のターゲットとして用い且つ所定の成膜条件下におけるＲＦマグネトロンスパッタ法で、第１電極膜１０２上に第１圧電体薄膜１０３を形成する。それから、第１圧電体薄膜１０３の形成時と同じ所定のターゲットを用い且つ第１圧電体薄膜１０３の形成時の所定の成膜条件とは異なる成膜条件下におけるＲＦマグネトロンスパッタ法で、第１圧電体薄膜１０３上に第２圧電体薄膜１０４を連続して形成する。

次に、圧電体積層膜１１０の表面上に、上記と同じマスクを用いて、第２電極膜１０５をＲＦマグネトロンスパッタ法で形成する。その結果、図２（ｂ）に示すように、基板１０１と、その基板１０１上に形成され且つ圧電体積層膜１１０を含む積層体１１１とからなる構造体１２１を得ることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、基板１が幅３．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの短冊形状となり且つ第１電極膜２の、その一端（図２（ｃ）では左端）から長さ３．０ｍｍまでの部分が露出するように、構造体１２１をダイシングソーで切断する。その結果、基板１、第１電極膜２、第１圧電体薄膜３、第２圧電体薄膜４及び第２電極膜５がその順に積層されてなる圧電素子構造体部品２２を得ることができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、基板１における第１電極膜２の露出部（図２（ｄ）では左端部）側の部分を、ステンレス支持基板６にエポキシ系接着剤７を用いて接合する。

次に、図２（ｅ）に示すように、第１電極膜２の露出部にリード線８を導電性接着剤（銀ペースト）を用いて接続するとともに、第２電極膜５における第１電極膜２の露出部側の部分にリード線９をワイヤボンディングで接続することにより、図１に示す圧電素子２０を得ることができる。図３は、この圧電素子２０の膜構造を示す模式図である。

以下、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１００ｎｍのＰｔ薄膜を用いた。このＰｔ薄膜は、３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板１０１を４００℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝１５／１）をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を０．２５Ｐａに保った。３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置の第１ターゲットとしてＰｔからなるターゲットを用いた。そして、２００Ｗの高周波電力を印加して１２００秒間スパッタリングすることにより、Ｐｔ薄膜を成膜した。

圧電体積層膜１１０の膜厚を３１００ｎｍとした。圧電体積層膜１１０を、（００１）優先配向のジルコン酸チタン酸鉛（以下、ＰＺＴという）からなる厚さ１００ｎｍの第１圧電体薄膜１０３と、その第１圧電体薄膜１０３上に形成した、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ３０００ｎｍの第２圧電体薄膜１０４とにより構成した。

第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した（図２（ｂ）を参照）。このとき、約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５３：０．４７）を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を５０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を３０００秒間成膜した。

ここで、図２（ｂ）に示す第１圧電体薄膜１０３の組成、膜厚及び断面構造を正確に求めるために、第１圧電体薄膜１０３を形成した後に成膜を打ち切った積層膜も同時に作製した。この試料の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、且つ、Ｘ線マイクロアナライザーによる組成分析を行った。その後、この試料を破壊し、その破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。

また、図２（ｂ）に示す第２圧電体膜１０４の組成、膜厚及び断面構造を正確に求めるために、第２圧電体膜１０４を形成した後に成膜を中止した積層膜も作製した。この試料の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、且つ、Ｘ線マイクロアナライザーによる組成分析を行った。その後、この試料を破壊し、その破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。

また、図２（ｂ）に示す構造体１２１を試料として用いて、オージェ分光分析により圧電体積層膜１１０の厚み方向の組成分析を行った。さらに、圧電体積層膜１１０の破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。

以上のような分析及び観察の結果、第１電極膜１０２としてのＰｔ電極は、平均粒子径（平均直径）が２０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が３０００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１００ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は３１であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は５５％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は７５％であった。ここで、（００１）結晶配向率αは、以下の式（２）によって定義されている。
α＝Ｉ（００１）／ΣＩ（ｈｋｌ）・・・（２）
Σ（ｈｋｌ）は、Ｘ線回折法において、Ｃｕ−Ｋα線を用いた場合の２θが１０°〜７０°であるときの、ペロブスカイト型酸化物の全回折強度の総和である。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝０．９５：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．００：０．５３：０．４７であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。図４は、周波数２ｋＨｚの三角波電圧を印加した場合における圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量を示す。その測定結果、圧電素子２０の先端は最大１９．０μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２０の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２０の外観を調べた。その結果、圧電素子２０を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大１９．０μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例２）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１２０ｎｍのＩｒ−Ｔｉ合金薄膜を用いた。このＩｒ−Ｔｉ膜は、３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板１０１を４００℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝１５／１）をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を０．２５Ｐａに保った。３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置の第１ターゲットとしてＩｒからなるターゲットを用い、第２ターゲットとしてチタンからなるターゲットを用いた。そして、第１及び第２ターゲットに２００Ｗ及び６０Ｗの高周波電力をそれぞれ印加して１２００秒間スパッタリングすることにより、Ｉｒ−Ｔｉ合金薄膜を成膜した。

圧電体積層膜１１０の膜厚を２５５０ｎｍとした。圧電体積層膜１１０を、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ５０ｎｍの第１圧電体薄膜１０３と、その第１圧電体薄膜１０３上に形成した、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ２５００ｎｍの第２圧電体薄膜１０４とにより構成した。

第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した（図２（ｂ）を参照）。このとき、約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５０：０．５０）を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を４０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を２４００秒間成膜した。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、第１電極膜１０２としてのＩｒ−Ｔｉ電極は、組成が３％のチタンを含むＩｒ薄膜であって、平均粒子径（平均直径）が３０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が５０ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が２５００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が８０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は３１．９であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は６０％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は８０％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．００：０．５０：０．５０であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５０：０．５０であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、実施例１と同様に、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２０の先端は最大２３．９μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２０の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２０の外観を調べた。その結果、圧電素子２０を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２３．９μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例３）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１５０ｎｍのＰｄ薄膜を用いた。このＰｄ膜は、３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板１０１を４００℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝１５／１）をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を０．２５Ｐａに保った。３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置の第１ターゲットとしてＰｄからなるターゲットを用いた。そして、第１ターゲットに２００Ｗの高周波電力を印加して１２００秒間スパッタリングすることにより、第１電極膜１０２としてＰｄ薄膜を成膜した。

圧電体積層膜１１０の膜厚を３１００ｎｍとした。圧電体積層膜１１０を、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ１００ｎｍの第１圧電体薄膜１０３と、その第１圧電体薄膜１０３上に形成した、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ３０００ｎｍの第２圧電体薄膜１０４とにより構成した。

第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した（図２（ｂ）を参照）。このとき、約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．６０：０．４０）を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を５０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を２８００秒間成膜した。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、第１電極膜１０２としてのＰｄ電極は、平均粒子径（平均直径）が２０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が７０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が３０００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１５０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は２０．７であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は５０％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は７５％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．０５：０．６０：０．４０であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．６０：０．４０であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、実施例１と同様に、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２０の先端は最大２０．２μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２０の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２０の外観を調べた。その結果、圧電素子２０を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２０．２μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例４）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１１０ｎｍのＲｕ薄膜を用いた。このＲｕ膜は、３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板１０１を４００℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝１５／１）をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を０．２５Ｐａに保った。３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置の第１ターゲットとしてＲｕからなるターゲットを用いた。そして、第１ターゲットに２００Ｗの高周波電力を印加して１２００秒間スパッタリングすることにより、Ｒｕ薄膜を成膜した。

圧電体積層膜１１０の膜厚を４５０５ｎｍとした。圧電体積層膜１１０を、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ５ｎｍの第１圧電体薄膜１０３と、その第１圧電体薄膜１０３上に形成した、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ４５００ｎｍの第２圧電体薄膜１０４とにより構成した。

第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した（図２（ｂ）を参照）。このとき、約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５３：０．４７）を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を１０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を３６００秒間成膜した。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、第１電極膜１０２としてのＲｕ電極は、平均粒子径（平均直径）が２５ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が５ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が５０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が４５００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１５０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は３０であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は６０％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は８５％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝０．９５：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５３：０．４７であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、実施例１と同様に、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２０の先端は最大１８．８μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２０の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２０の外観を調べた。その結果、圧電素子２０を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大１８．８μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例５）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１３０ｎｍのＩｒ−Ｃｏ合金薄膜を用いた。このＩｒ−Ｃｏ膜は、３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板１０１を４００℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝１５／１）をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を０．２５Ｐａに保った。３元ＲＦマグネトロンスパッタ装置の第１ターゲットとしてＩｒからなるターゲットを用い、第２ターゲットとしてＣｏからなるターゲットを用いた。そして、第１及び第２ターゲットに２００Ｗ及び６０Ｗの高周波電力をそれぞれ印加して１２００秒間スパッタリングすることにより、第１電極膜１０２としてのＩｒ−Ｃｏ合金薄膜を成膜した。

圧電体積層膜１１０の膜厚を３０３０ｎｍとした。圧電体積層膜１１０を、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ３０ｎｍの第１圧電体薄膜１０３と、その第１圧電体薄膜１０３上に形成した、（００１）優先配向のＰＺＴからなる厚さ３０００ｎｍの第２圧電体薄膜１０４とにより構成した。

第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４をＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した（図２（ｂ）を参照）。このとき、約２０モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５０：０．５０）を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで予め加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を３０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を３０００秒間成膜した。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、第１電極膜１０２としてのＩｒ−Ｃｏ電極は、組成が４％のＣｏを含むＩｒ薄膜であって、平均粒子径（平均直径）が２０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が３０ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が３０００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が６０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は５０．５であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は６５％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は８０％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．００：０．５０：０．５０であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５０：０．５０であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、実施例１と同様に、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２０の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２０の先端は最大２６．７μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２０の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２０の外観を調べた。その結果、圧電素子２０を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２６．７μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（比較例１）
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例１の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例１と異なり、圧電体積層膜のＰｂ組成を第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例１と同様であり、成膜条件は実施例１と異なる。その他の点に関しては、実施例１と全く同じである。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、本比較例の第１及び第２圧電体薄膜は、互いが連続して繋がった柱状粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が６０ｎｍであった。第２圧電体薄膜は、膜厚が３０００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１８０ｎｍであった。第２圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜の厚みの比は１７．２であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜の形成面の（００１）結晶配向率は７０％であり、第２圧電体膜の形成面の（００１）結晶配向率は８８％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１５：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５３：０．４７であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜は、（００１）軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多いことがわかった。

また、この圧電素子に、実施例１と同様に、０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加すると、圧電素子の先端は最大２２．３μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後において、変位量が減少しており（０μｍ）、第１電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。

（比較例２）
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例２の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例２と異なり、圧電体積層膜のＰｂ組成を第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例２と同様であり、成膜条件は実施例２と異なる。その他の点に関しては、実施例２と全く同じである。

実施例１と同じ分析及び観察の結果、本比較例の第１及び第２圧電体薄膜は、互いが連続して繋がった柱状粒子の集合体として存在していた。第１圧電体薄膜は、膜厚が５０ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が７０ｎｍであった。第２圧電体薄膜は、膜厚が２５００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜の厚みの比は１８．２であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜の形成面の（００１）結晶配向率は６５％であり、第２圧電体膜の形成面の（００１）結晶配向率は８５％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５０：０．５０であり、第２圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．０５：０．５０：０．５０であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜は、（００１）軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多いことがわかった。

また、この圧電素子に、上記実施例２と同様に、０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加すると、圧電素子の先端は最大１８．０μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後において、変位量が減少しており（０μｍ）、第１電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。

−効果−
以上により、本実施形態によれば、第１圧電体薄膜３のＰｂ組成が第２圧電体薄膜４のＰｂ組成よりも少ないので、圧電素子２０を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で駆動させても、第１電極膜２と第１圧電体薄膜３との界面で第１圧電体薄膜３の過剰Ｐｂが水分と反応することを原因とする、圧電素子２０の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子２０を実現できる。

（実施形態２）
図５に示すように、本実施形態に係る圧電素子２１は、第１電極膜２と第１圧電体薄膜３との間に配向制御膜１２が配設されたものであり、その他の点に関しては、実施形態１の圧電素子２０とほぼ同様の構成である。

本実施形態に係る圧電素子２１は、実施形態１の圧電素子２０と類似する形状であって、短冊平板状の基板１（厚さ０．３ｍｍ、幅３．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍ）と、その基板１上に形成された積層体１１とを備えている。圧電素子２１の幅は３．０ｍｍである。圧電素子２１の一端部（図５では左端部）は、エポキシ系接着剤７を介してステンレス支持基板６（厚さ１．０ｍｍ、幅３．０ｍｍ、長さ１０．０ｍｍ）上に固定されている。この一端部は、圧電素子２１の一端（図５では左端）からの長さが３．０ｍｍまでの部分である。圧電素子２１の長手方向とステンレス支持基板６の長手方向とはほぼ直行している。以上から、圧電素子２１は片持ち梁を構成している。

基板１は、圧電効果による積層体１１の伸縮を阻害する振動板膜（振動板層）の役割も果たす。積層体１１は、基板１上に形成された第１電極膜２と、その第１電極膜２上に形成された配向制御膜１２と、その配向制御膜１２上に形成された圧電体積層膜１０と、その圧電体積層膜１０上に形成された第２電極膜５とを備えている。

第１電極膜２は、基板１の厚み方向一方側の面の全面に設けられている。配向制御膜１２は、第１電極膜２の上記一端部以外の部分の上に設けられている。すなわち、配向制御膜１２は、幅が３．０ｍｍで且つ長さが１２．０ｍｍである。圧電体積層膜１０は、配向制御膜１２上に設けられている。具体的には、圧電体積層膜１０は、配向制御膜１２上に形成された第１圧電体薄膜３と、その第１圧電体薄膜３上に形成された第２圧電体薄膜４とにより構成されている。この第１圧電体薄膜３は、第２圧電体薄膜４の結晶配向性を制御する配向制御膜としての機能を有する。

第２電極膜５は厚さ１００ｎｍの白金からなる。第１及び第２電極膜２，５には金製のリード線８，９がそれぞれ接続されている。

本発明の特徴として、第１及び第２圧電体薄膜３，４は、結晶成長方向が圧電体積層膜１０（第１及び第２圧電体薄膜３，４）の厚み方向一方向側から他方側に向いている柱状粒子の集合体である。第１圧電体薄膜３のＰｂ含有量は第２圧電体薄膜４のＰｂ含有量よりも少ない。第２圧電体膜４の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜の厚みの比は２０以上６０以下である。ここで、第２圧電体膜４の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜１０の厚みの比が２０未満の場合は、成膜時に生じる応力で圧電体積層膜１０にクラックが発生し、また、その比が６０を超えると、駆動時の消費電力が大きくなって応答性が低下し、いずれの場合も望ましくない。

また、第１圧電体薄膜３の柱状粒子は、平均断面径（粒子径）が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であるとともに長さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第２圧電体薄膜４の柱状粒子は、平均断面径（粒子径）が６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるとともに長さが２５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。

また、第１及び第２圧電体薄膜３，４は、化学組成比がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ａ）：ｂ：１−ｂで表される。第１及び第２圧電体薄膜３，４のｂの値は、０．５０以上０．６０以下の同じ値である。第１圧電体薄膜３のａの値は−０．０５以上０．０５以下である。第２圧電体薄膜４のａの値は０以上０．１０以下である。

また、配向制御膜１２はチタン酸ランタン鉛からなる。

また、第１電極膜２はＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＲｕから選ばれた少なくとも１種の貴金属、又は該貴金属とＴｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれた少なくとも１種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の柱状粒子の集合体である。

ここで、実施形態１と同様に、圧電素子２１にリード線８,９を介して電圧を印加すると、圧電素子２１の先端は、Ｚ軸の−Ｚ方向に変位する。したがって、電圧の印加を一定周期で繰り返すと、圧電素子２１の先端はＺ軸方向に所定の変位量で変位し、その結果、圧電素子２１の変位特性を評価できる。

−圧電素子の製造方法−
以下、図６を参照しながら、圧電素子２１の製造方法について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの基板１０１の表面上に、幅５．０ｍｍ、長さ１８．０ｍｍの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク（厚さ０．２ｍｍ）を用いて、第１電極膜１０２をＲＦマグネトロンスパッタ法で形成する。

次に、第１電極膜１０２の表面上に、幅５．０ｍｍ、長さ１２．０ｍｍの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク（厚さ０．２ｍｍ）を使用して、チタン酸ランタン鉛の焼結体をターゲットとして用い且つ第１成膜条件下におけるＲＦマグネトロンスパッタ法で配向制御膜１１２を形成する。

次に、配向制御膜１１２上に、上記と同じマスクを用いて、圧電体積層膜１１０をＲＦマグネトロンスパッタ法で正確に形成する。具体的には、圧電体積層膜１１０を、以下のようにして作製する。まず、ＰＺＴ酸化物の焼結体をターゲットとして用い且つ第１成膜条件とは異なる第２成膜条件下におけるＲＦマグネトロンスパッタ法で、配向制御膜１１２上に第１圧電体薄膜１０３を形成する。それから、第１圧電体薄膜１０３の形成時と同じターゲットを用い且つ第１圧電体薄膜１０３の形成時の第２成膜条件とは異なる成膜条件下におけるＲＦマグネトロンスパッタ法で、第１圧電体薄膜１０３上に第２圧電体薄膜１０４を連続して形成する。

次に、圧電体積層膜１１０の表面上に、上記と同じマスクを用いて、第２電極膜１０５をＲＦマグネトロンスパッタ法で形成する。その結果、図６（ｂ）に示すように、基板１０１とその基板１０１上に形成され且つ圧電体積層膜１１０を含む積層体１１１とからなる構造体１２１を得ることができる。

次に、図６（ｃ）に示すように、基板１が幅３．０ｍｍ、長さ１５．０ｍｍの短冊形状となり且つ第１電極膜２の、その一端（図６（ｃ）では左端）から長さ３．０ｍｍまでの部分が露出するように、構造体１２１をダイシングソーで切断する。その結果、基板１、第１電極膜２、配向制御膜１２、第１圧電体薄膜３、第２圧電体薄膜４及び第２電極膜５がその順に積層されてなる圧電素子構造体部品２２を得ることができる。

次に、図６（ｄ）に示すように、基板１における第１電極膜２の露出部（図６（ｄ）では左端部）側の部分を、ステンレス支持基板６にエポキシ系接着剤７を用いて接合する。

次に、図６（ｅ）に示すように、第１電極膜２の露出部にリード線８を導電性接着剤（銀ペースト）を用いて接続するとともに、第２電極膜５における第１電極膜２の露出部側の部分にリード線９をワイヤボンディングで接続することにより、図５に示す圧電素子２１を得ることができる。図７は、この圧電素子２１の膜構造を示す模式図である。

以下、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例６）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１００ｎｍのＰｔ薄膜を用い、これらを実施例１と全く同じように成膜した。

配向制御膜１１２を、ランタンを１０モル％含有するＰＬＴに酸化鉛（ＰｂＯ）を１５モル％過剰に加えて調合した焼結ターゲットを用いて、基板温度６００℃、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２=１９／１）、真空度０.８Ｐａ、高周波電力３００Ｗの成膜条件下で１２分間成膜した。

圧電体積層膜１１０を、実施例１のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５３：０．４７）をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を５０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を２５００秒間成膜した。

第１電極膜１０２、配向制御膜１１２及び圧電体積層膜１１０の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例１と同じ方法で調べた。

第１電極膜１０２としてのＰｔ電極は、平均粒子径（平均直径）が２０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。

配向制御膜１１２は、ランタンを１０モル％含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも１０％過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。

第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が２８００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１００ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は２９であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は７８％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は９５％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.００：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.０５：０．５３：０．４７であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量の測定を、実施例１と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２１の先端は最大２８.３μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２１を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２１の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２１の外観を調べた。その結果、圧電素子２１を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２８.３μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例７）
本実施例では、基板１０１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１２０ｎｍのＩｒ-Ｔｉ合金薄膜を用い、これらを実施例２と全く同じようにして成膜した。

配向制御膜１１２を、実施例６と同じターゲット・成膜条件下で成膜した。

圧電体積層膜１１０を、実施例１のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５０：０．５０）をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を５０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を３０００秒間成膜した。

第１電極膜１０２、配向制御膜１１２及び圧電体積層膜１１０の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例１と同じ方法で調べた。

第１電極膜１０２としてのＩｒ-Ｔｉ合金電極は、３％のチタンを含むＩｒ膜であって、平均粒子径（平均直径）が３０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。

配向制御膜１１２は、ランタンを１０モル％含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも１０％過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。

第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が４０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が３８００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１７０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は２２.９であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は８０％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は９８％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.０５：０．５０：０．５０であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.１０：０．５０：０．５０であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４は、（００１）軸が基板１０１の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少ないことがわかった。

また、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量の測定を、実施例１と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２１の先端は最大２６.５μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２１を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２１の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２１の外観を調べた。その結果、圧電素子２１を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２６.５μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（実施例８）
本実施例では、基板１としてシリコン基板を用い、第１電極膜１０２として厚さ１１０ｎｍのＲｕ薄膜を用い、これらを実施例２と全く同じようにして成膜した。

配向制御膜１１２を、実施例６と同じターゲット・成膜条件下で成膜した。

圧電体積層膜１１０を、実施例１のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の６インチ径の焼結体（組成モル比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．２０：０．５３：０．４７）をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第１電極膜１０２が形成されたシリコン基板１０１を５８０℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス（ガス体積比Ａｒ／Ｏ_２＝７９／１）をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を０．２Ｐａにし、そのガス流量を毎分４０ｍｌにした。そして、プラズマ発生電力を３ｋＷにし、第１圧電体薄膜１０３を３０秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをＡｒ／Ｏ_２＝３８／２に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第２圧電体薄膜１０４を３５００秒間成膜した。

第１電極膜１０２、配向制御膜１１２及び圧電体積層膜１１０の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例１と同じ方法で調べた。

第１電極膜１０２としてのＲｕ電極は、平均粒子径（平均直径）が２０ｎｍの柱状粒子（柱状結晶）の集合体であることがわかった。

配向制御膜１１２は、ランタンを１０モル％含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも１０％過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。

第１圧電体薄膜１０３は、膜厚が５０ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が５０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４は、膜厚が３５００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１５０ｎｍであった。第２圧電体薄膜１０４の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜１１０の厚みの比は２８であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜１０３，１０４はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜１０３の形成面の（００１）結晶配向率は７５％であり、第２圧電体膜１０４の形成面の（００１）結晶配向率は９３％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜１０３の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.００：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜１０４の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.１０：０．５３：０．４７であった。Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜１０３，１０４で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜１０３の方が第２圧電体薄膜１０４よりも少なかった。

また、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量の測定を、実施例１と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第１及び第２電極膜２，５間にリード線８，９を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子２１の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子２１の先端は最大２９.７μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子２１を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子２１の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子２１の外観を調べた。その結果、圧電素子２１を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後でも、変位量は最大２９.７μｍであって、変位量の減少は見られず、また、第１電極膜２の変色も見られなかった。

（比較例３）
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例３の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例６と異なり、圧電体積層膜のＰｂ組成を第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例６と同様であり、成膜条件は実施例６と異なる。その他の点に関しては、実施例６と全く同じである。

第１電極膜、配向制御膜及び圧電体積層膜の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例１と同じ方法で調べた。

配向制御膜は、ランタンを１０モル％含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも１０％過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。

第１圧電体薄膜は、膜厚が１００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が７０ｎｍであった。第２圧電体薄膜は、膜厚が２８００ｎｍであって、柱状粒子の平均粒子径（平均直径）が１８０ｎｍであった。第２圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径（平均直径）に対する圧電体積層膜の厚みの比は１６.１であった。

また、Ｘ線回折法によって解析した結果、第１及び第２圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第１圧電体膜の形成面（００１）結晶配向率は８０％であり、第２圧電体膜の形成面の（００１）結晶配向率は９８％であった。

また、Ｘ線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第１圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.１５：０．５３：０．４７であり、第２圧電体薄膜の組成は、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１.１０：０．５３：０．４７であった。つまり、第１及び第２圧電体薄膜は、（００１）軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のＰＺＴ膜であり、Ｚｒ及びＴｉの組成は、第１及び第２圧電体薄膜で同じであり、Ｐｂの組成は、第１圧電体薄膜の方が第２圧電体薄膜よりも多いことがわかった。

また、圧電素子の圧電変位の駆動耐久試験は、実施例１と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第１及び第２電極膜間にリード線を介して０Ｖ〜−５０Ｖの三角波電圧を印加して、圧電素子の先端のＺ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子の先端は最大２６.０μｍ変位したことがわかった。

また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で１２０時間連続駆動した後において、変位量が減少しており（０μｍ）、第１電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。

−効果−
以上により、本実施形態によれば、第１圧電体薄膜３のＰｂ組成が第２圧電体薄膜４のＰｂ組成よりも少ないので、圧電素子２１を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で駆動させても、配向制御膜１２と第１圧電体薄膜３との界面で第１圧電体薄膜３の過剰Ｐｂが第１電極膜２及び配向制御膜１２を透過して浸入した水分と反応することを原因とする、圧電素子２１の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子２１を実現できる。

また、第１電極膜２と第１圧電体薄膜３との間に配向制御膜１２を配設することにより、第１圧電体薄膜３の結晶配向性が向上し、さらに、第２圧電体薄膜４の結晶配向性が向上する。そのため、圧電特性がより高い圧電素子２１を実現できる。

（実施形態３）
本実施形態は、本発明の圧電素子をインクジェットヘッドに適用したものである。図８に示すように、本実施形態に係るインクジェットヘッド２０１は、互いが列状に並んだ、同じ形状である１０個のインク吐出素子２０２，…と、各インク吐出素子２０２の個別電極３３（図９を参照）に接続され且つインク吐出素子２０２を駆動するための駆動電源素子２０３とにより構成されている。

図９に示すように、インク吐出素子２０２は、ノズル板Ｄとインク液流路部品Ｃと圧力室部品Ａとアクチュエーター部Ｂとが順に積層されてなる。これら部品Ａ〜Ｄは互いに接着剤によって接着固定されている。

圧力室部品Ａには圧力室用開口部３１が形成されている。アクチュエーター部Ｂは圧力室用開口部３１の上端開口面を覆うように配置されている。すなわち、アクチュエーター部Ｂは厚み方向一方側の面の一部が圧力室用開口部３１に臨むように設けられている。インク液流路部品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ている。つまり、圧力室用開口部３１はその上下にそれぞれ配置されたアクチュエーター部Ｂ及びインク液流路部品Ｃにより区画され、その区画された空間がインク液を収容する圧力室３２（厚さ０．２ｍｍ）を構成している。なお、上記上端開口面の形状は、短軸が２００μｍ、長軸が４００μｍの楕円形状である。

インク液流路部品Ｃには、互いが列状に並んだ複数の圧力室３２，…で共用される共通液室３５と、その共通液室３５と圧力室３２とを連通する供給口３６と、圧力室３２と後述するノズル孔３８とを連通するインク流路３７とが形成されている。ノズル板Ｄには、直径３０μｍのノズル孔３８が穿設されている。

上記駆動電源素子２０３は、各インク吐出素子２０２の個別電極３３にボンディングワイヤを介して電圧を供給する。なお、本発明のヘッド本体部はノズル板Ｄ、インク液流路部品Ｃ及び圧力室部品Ａに対応する。

以下、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例９）
図１０は、図９のＸ−Ｘ線の断面図である。アクチュエーター部Ｂは、Ｐｔ膜からなる厚さ１００ｎｍの個別電極３３と、その個別電極３３の直下に位置し且つＰｂ_１.００Ｚｒ_０.５３Ｔｉ_０.４７で表記されるＰＺＴからなる厚さ１００ｎｍの第１圧電体薄膜４１と、その第１圧電体薄膜４１の直下に位置し且つＰｂ_１.０５Ｚｒ_０.５３Ｔｉ_０.４７で表記されるＰＺＴからなる厚さ２８００ｎｍの第２圧電体薄膜４２と、その第２圧電体薄膜４２の直下に位置し且つＰｔからなる厚さ１００ｎｍの第２電極膜（共通電極）４３と、その第２電極膜４３の直下に位置し且つクロムからなる厚さ３５００ｎｍの振動板膜４４とを有する。個別電極３３は、圧力室３２の位置に対応するように個別化されて設けられている。振動板膜４４は、圧電体薄膜４１，４２の圧電効果により変位して振動する。第２電極膜４３及び振動板膜４４は各圧力室３２間で共用されている。第２電極膜４３上における積層膜以外の部分（積層膜については後述する）には、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜４５が個別電極３３の上面と同じ高さまで形成されている。この電気絶縁有機膜４５の上面上には、個別電極３３に接続された、金からなる厚さ１００ｎｍのリード線４６が形成されている。なお、本発明の振動板膜及び圧電素子はアクチュエーター部Ｂに対応する。

−インク吐出素子の製造方法−
以下、図１１及び図１２を参照しながら、インク吐出素子２０２の製造方法について説明する。まず、実施例１と同様に、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板５１上に第１電極膜５２、第１圧電体薄膜５３、第２圧電体薄膜５４及び第２電極膜４３を順に積層する。それにより、図１１（ａ）に示す構造体５５を得ることができる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、室温下において、第２電極膜４３上に振動板膜４４をＲＦマグネトロンスパッタ法で形成する。

次に、図１１（ｃ）に示すように、振動板膜４４上にガラス製の圧力室部品５７を接着剤（アクリル樹脂）５６を用いて貼り合わせる。

次に、図１１（ｄ）に示すように、プラズマ反応エッチング装置を使用して、シリコン基板５１をＳＦ_６ガスを用いたドライエッチング法で除去する。

次に、図１１（ｅ）に示すように、第１電極膜５２上にフォトレジスト５８を形成して、それから、そのフォトレジスト５８を圧力室３２の位置に対応するようにパターニングする。

次に、図１２（ａ）に示すように、第１電極膜５２及び第１圧電体薄膜５３を、圧力室３２の位置に対応し且つ互いが同一形状になるようにドライエッチング法でパターニングして、それから、フォトレジスト５８を除去する。尚、この第１電極膜５２及び第１圧電体薄膜をパターニングする工程では、ハロゲン元素を含むガス又はハロゲン元素を含むガスと不活性ガスとからなる混合ガスを用いたドライエッチング法でパターニングすることが望ましい。

次に、上記と同じフォトレジストを用いて、第２圧電体薄膜５４を個別電極３３よりも大きいサイズになるようにウェットエッチング法でパターニングする。それにより、図１２（ｂ）に示すように、第１電極膜５２、第１圧電体薄膜５３及び第２圧電体薄膜５４からなる積層膜は個別化され、アクチュエーター構造体を得ることができる。尚、この第２圧電体薄膜５４をパターニングする工程では、フッ硝酸を主成分とするエッチャントを用いたウェットエッチング法でパターニングすることが望ましい。

次に、図１２（ｃ）に示すように、第２電極膜４３上の上記積層膜以外の部分に、電気絶縁有機膜４５を印刷法で形成する。その後、図１２（ｄ）に示すように、電気絶縁有機膜４５の上面上にリード線４６をＤＣスパッタ法で形成する。以上により、図９に示すアクチュエーター部Ｂを得ることができる。

以上のような製造方法により、互いが同じ形状・大きさの３０個のインク吐出素子２０２，…を作製した。そして、各インク吐出素子２０２，・・・の個別電極３３と第２電極膜４３との間に０Ｖ〜−５０Ｖのサイン波形電圧（２００Ｈｚ）を印加して、各インク吐出素子２０２を高温高湿（温度５０℃、湿度５０％）の雰囲気下で駆動させた。その結果、全てのインク吐出素子２０２，…は故障することなく、長時間駆動した。

以上に示す製造方法により作製されたインク吐出素子２０２を１０個用いて、図８に示すインクジェットヘッド２０１を作製した。

−インクジェットヘッドの動作−
以下、インクジェットヘッド２０１の動作について説明する。図８に示すインクジェットヘッド２０１では、１０個のインク吐出素子２０２，…の個別電極３３に駆動電源素子２０３からボンディングワイヤを介して電圧がそれぞれ供給される。そして、圧電体薄膜４１，４２の圧電効果により、振動板膜４４が変位して振動し、それにより、共通液室３５内のインク液が供給口３６、圧力室３２及びインク流路３７を経由してノズル孔３８から吐出される。このとき、このインクジェットヘッド２０１では、圧電体薄膜４１，４２の膜面の結晶配向性が（００１）面に揃い、また、圧電体薄膜４１，４２の圧電特性も揃っている。そのため、このインクジェットヘッド２０１によれば、大きな圧電変位（変位量）を得ることができる。

また、インク吐出素子２０２は、圧電変位が大きい、すなわち、インク液の吐出能力が高いので、電源電圧の調整幅に大きなマージンを取ることができる。そのため、各インク吐出素子２０２のインク液の吐出能力を容易にコントロールできる。したがって、各インク吐出素子２０２間のインク液の吐出能力のばらつきを小さくできる。

（実施例１０）
図１３に示すように、本実施例に係るインクジェットヘッドは、個別電極３３と第１圧電体薄膜４１との間に配向制御膜５９が配設されている点が実施例９と異なり、その他の点に関しては、実施例９とほぼ同様である。この配向制御膜５９は、実施例６と同じチタン酸ランタン鉛からなるものである。

インク吐出素子２０２の製造方法は、第１電極膜５２と第１圧電体薄膜５３との間に配向制御膜５９を形成する点、及び配向制御膜５９を、第１電極膜５２及び第１圧電体薄膜５３とともに圧力室３２の位置に対応するようにドライエッチング法でパターニングする点が実施例９と異なり、その他の点に関しては、実施例９とほぼ同様である。この配向制御膜５９は、実施例６の配向制御膜と同じ方法で作製される。

以上に示す製造方法により作製されたインク吐出素子２０２を用いて、インクジェットヘッド２０１を作製した。

−効果−
以上により、本実施形態によれば、インク吐出素子２０２を複数並べてなるインクジェットヘッド２０１において、各インク吐出素子２０２間のインク液の吐出能力のばらつきを小さくできる。そのため、信頼性が高いインクジェットヘッド２０１を実現できる。

なお、アクチュエーター部Ｂを構成する第１電極膜５２、配向制御膜５９、第１圧電体薄膜５３、第２圧電体薄膜５４及び第２電極膜４３は、実施形態１及び２に係る圧電素子２０，２１に用いられた材料で構成されている限り、どの材料を用いても高特性のアクチュエーター部Ｂを実現できる。

また、本実施形態では、振動板膜４４はクロムからなるが、シリコン、ガラス、セラミック材料又はクロム以外の金属材料から構成されても良い。

また、本実施形態では、第２電極膜４３における第２圧電体薄膜４２と反対側の面の上に振動板膜４４が形成されているが、個別電極３３における第１圧電体薄膜４１（配向制御膜５９）と反対側の面の上に振動板４４を形成されても良い。

（実施形態４）
本実施形態は、本発明の圧電素子をインクジェット式記録装置に適用したものである。図１４に示すように、本実施形態に係るインクジェット式記録装置８１は、圧電体薄膜４１，４２の圧電効果を利用して記録を行う、実施形態３に係る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などの記録媒体８２に着弾させることにより記録媒体８２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１４ではＸ方向）に延びるように配置されたキャリッジ軸８３に取り付けられたキャリッジ８４に搭載されている。そして、キャリッジ８４がキャリッジ軸８３に沿って往復移動することにより、インクジェットヘッド２０１は主走査方向Ｘに往復移動する。インクジェット式記録装置８１は、記録媒体８２を主走査方向Ｘと略垂直な副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ８５，…をさらに備えている。なお、本発明に係る移動手段は、キャリッジ軸８３、キャリッジ８４及びローラ８５に対応する。

−効果−
以上のように、本実施形態によれば、各インク吐出素子２０２間のインク液の吐出能力のばらつきが小さい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８１を構成しているので、記録時に印字むらが少ない、信頼性が高いインクジェット式記録装置８１を実現できる。

なお、本実施形態では、インクジェットヘッド２０１をいわゆるシリアル方式のインクジェット式記録装置８１に適用しているが、いわゆるライン方式のインクジェット式記録装置に適用しても良い。

以上説明したように、本発明は、インクジェットヘッドのみならず、ジャイロ素子などについても有用である。また、本発明はマイクロマシンデバイス等に対しても適用できる。

本発明の実施形態に係る圧電素子の斜視図である。 圧電素子の製造工程を示す図である。 圧電素子の膜構造を示す模式図である。 周波数２ｋＨｚの三角波電圧を印加した場合における圧電素子の先端のＺ軸方向の変位量を示す図である。 圧電素子の斜視図である。 圧電素子の製造工程を示す図である。 圧電素子の膜構造を示す模式図である。 インクジェットヘッドの概略構成図である。 インク吐出素子の一部を破断した分解斜視図である。 図９のＸ−Ｘ線の断面図である。 アクチュエーター部の製造工程の一部を示す図である。 アクチュエーター部の製造工程の一部を示す図である。 インク吐出素子の変形例の、図１０に相当する図である。 インクジェット式記録装置の概略斜視図である。

符号の説明

１，１０１ 基板
２，５２，１０２ 第１電極膜
３，４１，５３，１０３ 第１圧電体薄膜
４，４２，５４，１０４ 第２圧電体薄膜
５，４３，１０５ 第２電極膜
２０，２１ 圧電素子
４４ 振動板膜
８１ インクジェット式記録装置
８３ キャリッジ軸（移動手段）
８４ キャリッジ（移動手段）
８５ ローラ（移動手段）
２０１ インクジェットヘッド
１２，５９，１１２ 配向制御膜

Claims (10)

1. 第１電極膜と、該第１電極膜上に形成された第１圧電体膜と該第１圧電体膜上に形成され且つ上記第１圧電体膜により結晶配向性を制御される第２圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第２圧電体膜上に形成された第２電極膜とを備えた圧電素子であって、
   上記第１及び第２圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、
   上記第１圧電体膜のＰｂ含有量が上記第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少なく、
   上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第１圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、
   上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が２０以上６０以下であることを特徴とする圧電素子。
2. 第１電極膜と、該第１電極膜上に形成された配向制御膜と、該配向制御膜上に形成された第１圧電体膜と該第１圧電体膜上に形成され且つ上記第１圧電体膜により結晶配向性を制御される第２圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第２圧電体膜上に形成された第２電極膜とを備えた圧電素子であって、
   上記第１及び第２圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、
   上記第１圧電体膜のＰｂ含有量が上記第２圧電体膜のＰｂ含有量よりも少なく、
   上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第１圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、
   上記第２圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が２０以上６０以下であることを特徴とする圧電素子。
3. 上記第１圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であり且つ長さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
4. 上記第２圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり且つ長さが２５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
5. 上記第１及び第２圧電体膜は少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含んでいて、化学組成比がＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ａ）：ｂ：１−ｂで表され、
   上記第１及び第２圧電体膜の上記ｂの値が０．５０以上０．６０以下の同じ値であり、
   上記第１圧電体膜の上記ａの値が−０．０５以上０．０５以下であり、
   上記第２圧電体膜の上記ａの値が０以上０．１以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
6. 上記第１及び第２圧電体膜は、(００１)面に優先配向していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
7. 上記第１電極膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ及びＲｕから選ばれた少なくとも１種の貴金属、又は該貴金属とＴｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａから選ばれた少なくとも１種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の柱状粒子の集合体であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
8. 上記配向制御膜は、チタン酸ランタン鉛からなることを特徴とする請求項２記載の圧電素子。
9. ノズルと該ノズルに連通し且つインクを収容する圧力室とが形成されたヘッド本体部と、
   厚み方向一方側の面の一部が上記圧力室に臨むように設けられた振動板膜と、
   上記振動板膜の厚み方向他方側の面上に形成され、上記圧力室内のインクに圧力を付与して上記ノズルからインクを吐出させる圧電素子とを備えたインクジェットヘッドであって、
   上記圧電素子は、請求項１〜８のいずれか１つに記載の圧電素子からなることを特徴とするインクジェットヘッド。
10. インクジェットヘッドと、
    上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる移動手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、
    上記インクジェットヘッドは、請求項９記載のインクジェットヘッドからなることを特徴とするインクジェット式記録装置。

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