JP4513252B2 - 圧電体薄膜素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッドならびにインクジェット記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜素子に関し、具体的には、圧電性誘電体の圧電効果を利用したアクチュエータ、それを用いたインクジェットヘッド、ならびにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、赤外線センサ、光変調素子、メモリ素子などさまざまなものがある。マイクロマシン加工技術の発達、各種機器の小型・軽量化の要望に伴い、これらの誘電体材料を用いた各種薄膜デバイスは、薄膜化技術・微細加工技術により実用化されつつある。
【０００３】
図１２は従来の圧電体薄膜素子（Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ．ａｌ： Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０）の構成の一例を示す断面図である。すなわち、図１２の圧電体薄膜素子９０は、ＭｇＯ単結晶基板９１上に第１の電極としてＰｔ下部電極膜９２、ＰＺＴ圧電体薄膜９３、第２の電極としてＰｔ上部電極膜９４を順次形成した構成である。（例えば非特許文献１参照）例えば、電極膜、圧電体膜や基板を加工することなどにより、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどへ応用される。
【０００４】
通常、材料を薄膜化することにより薄膜固有の特性を有するようになる。この要因としては、形成プロセスのバルクとの違いや、薄膜を支持する基板の影響によるところが大きい。例えば、圧電体薄膜の結晶面や格子定数などの結晶パラメータは基板に大きく影響される。強誘電体であるＰｂＴｉＯ3は（１００）面ＭｇＯ単結晶基板上では（００１）面、ｃ面サファイア基板上では（１１１）面が配向することが報告されている。これは基板の結晶面の影響を大きく受けるためである。単結晶基板の場合は、さらに基板と圧電体膜とで大きく格子定数が異なれば、配向する結晶面にも影響を与える。また、酸化物単結晶、金属、ガラス等の基板の種類に関係なく、基板の熱膨張係数の違いにより、作製される圧電体膜の内部応力が変化し、これにより圧電体膜の格子定数などの結晶パラメータが変化する。
【０００５】
このような圧電体薄膜の結晶パラメータの変化により、その電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性が大きく変化する。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ．ａｌ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧電体薄膜素子９０は、薄膜形成において４００℃〜７００℃程度の結晶化処理が必要である。そのため、室温に冷却する過程で、圧電体薄膜９３とこれを支持する基板９１との熱膨張係数差により、圧電体薄膜９３には引っ張りまたは圧縮の内部応力が発生する。
【０００８】
圧電体薄膜９３が引っ張りの内部応力を有していると、つまり、膜の粒界等に引っ張りの力を受けていると、常に引き剥がされようとするストレスを受けることになる。すると、機械的強度が低下して電圧印加時の撓みに対して弱くなり、圧電体薄膜９３にクラックが発生したり、膜破壊を誘発したりする。
【０００９】
すなわち、膜形成時の部分的な欠陥や異物の存在による膜破壊では、スポット状の破壊が主であるが、膜の内部応力に起因した破壊の場合では、クラック等の破壊が生じる。スポット状の破壊の場合には部分的な破壊ですみ、膜全体としては機能することが多いが、クラック等の破壊では膜全体の破壊に進行して深刻なダメージを受けやすい。
【００１０】
そこで、本発明は、圧電体薄膜のクラックや膜破壊を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされているものである。
【００１２】
また、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が圧縮膜であるものである。
【００１３】
さらに、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるものである。
【００１４】
さらに、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接着剤により接着され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、接着剤の熱膨張係数をαｂとすると、αｐ＜αｂの関係を満たすものである。
【００１５】
そして、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接合され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、区画壁の熱膨張係数をαａとすると、αａ＞αｐの関係を満たすものである。
【００１６】
これによれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜となって機械的強度を保持できるので、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、圧電体薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２９】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、中間層と第１の電極との面格子間隔の方が圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さい圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３５】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
【００３９】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４０】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項６記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１１を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図３は図２の要部を示す斜視図、図４は図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図５は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図、図６は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図、図７は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ、図８は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図である。
【００４３】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、圧電体薄膜素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００４４】
図２は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド４１の全体構成を示し、図３はその要部の構成を示す。
【００４５】
図２および図３において、Ａは圧力室部品であって、圧力室用開口部１が形成される。Ｂは圧力室用開口部１の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部１の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Ａの圧力室用開口部１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂおよびインク液流路部品Ｃにより区画されて圧力室２となる。アクチュエータ部Ｂには、圧力室２の上方に位置する個別電極である第１の電極３が配置されている。これ等圧力室２および第１の電極３は、図２から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ圧力室２間で共用する共通液室５と、この共通液室５を圧力室２に連通する供給口６と、圧力室２内のインク液が流出するインク流路７とが形成される。Ｄはノズル板であって、インク流路７に連通するノズル孔８が形成されている。また、図２において、ＥはＩＣチップであって、ボンディングワイヤー（ＢＷ）を介して多数の第１の電極３に対して電圧を供給する。
【００４６】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成を図４に基づいて説明する。
【００４７】
同図において、アクチュエータ部Ｂは、図２に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ４個の圧力室２を持つ圧力室部品Ａが参照的に描かれている。
【００４８】
このアクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の上方に位置する第１の電極３、この第１の電極３の直下に位置する圧電体薄膜１０、この圧電体薄膜１０の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極１１とを有する。振動板兼共通電極１１は、導電性物質で形成されていて、各圧力室２で共通する共通電極である第２の電極を兼用する。さらに、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の相互を区画する区画壁２ａの上方に位置する縦壁１３を持つ。なお、同図中、１４は圧力室部品Ａとアクチュエータ部Ｂとを接着する接着剤である。各縦壁１３は、接着剤１４を用いた接着時に、一部の接着剤１４が区画壁２ａの外方にはみ出した場合にも、この接着剤１４が振動板兼共通電極１１に付着せず、振動板兼共通電極１１が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室２の上面と振動板兼共通電極１１の下面との距離を拡げる役割を持つ。
【００４９】
そして、第１の電極３、圧電体薄膜１０および振動板兼共通電極１１で圧電体薄膜素子が構成されている。ここでは振動板と共通電極（第２の電極）とが兼用されているが、両者は別体になっていてもよい。なお、図５以下においては、振動板と第２の電極である共通電極と別体になったものが示されている。
【００５０】
第１の電極３は例えばＰｔ（白金）で、振動板兼共通電極１１は例えばＰｔ（白金）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）またはＴａ（タンタル）で、形成されている。
【００５１】
なお、以上説明した構造は、以下の実施の形態においても共通のものになっている。したがって、各実施の形態での重複した説明は省略する。
【００５２】
図５に示す圧電体薄膜素子１６は、基板２１と、この基板２１の上に第１の電極３としてたとえばＰｔ電極膜を配置し、その上に圧電体薄膜１０を配置し、その上に第２の電極２２としてたとえばＣｒ電極膜を配置したものである。
【００５３】
ここで、基板２１の材料としては、たとえばアルミナ（熱膨張係数：６８×１０-7／Ｋ）、８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０-7／Ｋ）、８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０-7／Ｋ）、ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１７３×１０-7／Ｋ）、酸化マグネシウム（熱膨張係数：１２０×１０-7／Ｋ）などを用いることができる。
【００５４】
また、圧電体薄膜１０は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むペロブスカイト構造のＰＺＴ膜、たとえばＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０-7／Ｋ）が用いられている。なお、ＰＺＴ膜は熱膨張係数が小さく、応力制御しやすいという性質を、さらに配向（エピタキシャル成長）をさせるのが容易で組成を制御しやすいという性質を有している。
【００５５】
そして、圧電体薄膜１０の厚みは０．２〜１０μｍ、基板２１の厚みは０．１５〜１．５ｍｍとなっている。但し、膜厚はこの数値に限定されるものではない。
【００５６】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００５７】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００５８】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００５９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００６０】
ここで、前述のように、圧電体薄膜１０と基板２１とは相互に熱膨張係数が異なっており、圧電体薄膜１０の熱膨張係数（αｐ）よりも基板２１の熱膨張係数（αｓ）の方が大きくなっている（αｐ＜αｓ）。これにより、基板２１によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００６１】
すなわち、図６に示すように、形成される圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、それを支持する基板２１の熱膨張係数の大きさが異なる場合、成膜終了後、室温に戻した状態では、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。
つまり、図６（ａ）に示すように、αｐ＜αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、図６（ｂ）に示すように、αｐ＞αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が基板２１の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００６２】
したがって、図６（ａ）に示すように、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きくなるように調整し（αｐ＜αｓ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００６３】
圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を図７に示す。
【００６４】
図７においては、インクジェットヘッドの２００ｐｉｎ（素子）に対して、２つの電極間にＤＣ３５Ｖの電圧を印加し、圧電アクチュエータの不良品率を判定した。図示するように、１．０＜αｓ／αｐ、つまりαｐ＜αｓでは、不良品率が激減しているのが分かる。
【００６５】
なお、圧電体薄膜１０に過度の圧縮応力が発生すると、動作の安定性等の問題が発生することが考えられる。また、比誘電率や圧電特性等の電気特性も変化を起こす場合があり、特性ばらつきの原因となる。これを考慮すると、１＜αｓ／αｐ≦１．２の条件を満たすときが、適切な内部応力が得られる。
【００６６】
また、圧電体薄膜１０および基板２１の材料は前述したものに限定されるものではなく、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きければよい。
【００６７】
ここで、図８に示すように、基板２１上に中間層２３を形成し、この中間層２３の上に第１の電極３を形成してもよい。中間層２３としては、ＭｇＯ等の岩塩型結晶構造酸化物膜を適用することができる。
【００６８】
図８のように構成された圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。真空槽内に例えば、基板２１としてアルミナ基板を設定し、真空排気した後、基板２１を４００℃に加熱し、プラズマＭＯＣＶＤ法により（１００）面に結晶配向した岩塩型結晶構造のＭｇＯ膜なる中間層２３を厚み約７００ｎｍ形成した。この膜形成には、ＣＶＤ原料ガスとして２１５℃で気化させたマグネシウムアセチルアセトナートガス及びＯ2の混合ガスを用い、ガス圧３０Ｐａ、ＲＦ電力４００Ｗの条件を用いた。
【００６９】
次に、別の真空槽内に基板２１を設置し、６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３なるＰｔ電極膜を形成した。
【００７０】
続いて、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７１】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００７２】
（実施の形態２）
本実施の形態の圧電体薄膜素子は、図５において、基板２１と、基板２１上に形成された第１の電極３と、第１の電極３上に形成された圧電体薄膜１０と、圧電体薄膜１０上に形成された第２の電極２２を備え、圧電体薄膜１０がスパッタリングにより圧縮膜に成膜されたものである。
【００７３】
すなわち、本実施の形態では、成膜後に圧電体薄膜１０が圧縮応力を有するように、スパッタリング時における圧電体薄膜１０の堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈと、高く（ｈｉ−ｒａｔｅ成膜）する。
【００７４】
堆積速度の調整は、たとえば基板温度６００℃でペロブスカイト層を形成するスパッタガス圧、スパッタガス流量、酸素分圧比（アルゴンとの混合ガスの場合）、ターゲット基板間距離、投入電力（カソードのＲＦパワー）の各条件を変化させて行うことができる。
【００７５】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００７６】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００７７】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、スパッタガス圧０．１Ｐａ〜５．０Ｐａ、好ましくは０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、投入電力であるＲＦ電力０．２５ｋＷ〜５．０ｋＷ、好ましくは５ｋＷ〜３．０ｋＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７８】
そして、前述のように、このときの圧電体薄膜１０の成膜速度は、堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈである。
【００７９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００８０】
なお、本実施の形態のようにスパッタリングにより圧電体薄膜１０を圧縮膜とする場合には、基板２１としては、実施の形態１に列挙したものの他に、たとえば石英（熱膨張係数：５．６×１０-7／Ｋ）、シリコン（熱膨張係数：２７×１０-7／Ｋ）、７０５９ガラス（熱膨張係数：４６×１０-7／Ｋ）などを用いることができ、熱膨張係数に対する考慮は不要である。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１に説明した材料を用いることができる。
【００８１】
このように、本実施の形態によれば、スパッタリングで成膜される強圧電体薄膜１０の成膜速度を高くして圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８２】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図である。
【００８３】
なお、圧電体薄膜素子の構造は、前述した請求項１における図５あるいは図８に示すものと同一となっている。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１および２に説明した材料を用いることができる。
【００８４】
ここで、本実施の形態においては、圧電体薄膜１０は、圧縮応力を有するエピタキシャル膜などの配向膜となっている。そして、基板２１の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜１０の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐを満たす関係となっている。具体的には、本実施の形態における圧電体薄膜１０がＰＺＴ膜の場合、ａ軸格子定数が４．０４Åであることから、基板２１の材料には、これより小さな格子定数を有するもの、たとえばＳｒＴｉＯ3（ａ軸格子定数：３．９０５）が用いられる。
【００８５】
つまり、加熱下で基板２１上に圧電体薄膜１０をエピタキシャル成長させる場合、圧電体薄膜１０は基板２１の面格子間隔を反映して、圧縮または引っ張りの力を受ける。
【００８６】
すなわち、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きい場合は（ｄｓ＜ｄｐ）、膜の一格子単位で見た場合、基板２１からの拘束を受けていることになり、圧電体薄膜１０の内部には圧縮の内部応力が働く。
【００８７】
また、図９（ｂ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が小さい場合は（ｄｓ＞ｄｐ）、圧電体薄膜１０の内部には引っ張りの内部応力が働く。
【００８８】
したがって、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔より圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きくなるようにし（ｄｓ＜ｄｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８９】
なお、基板２１と圧電体薄膜１０の間には第１の電極３があるが、基板２１と比較して圧倒的に薄く、圧電体薄膜１０の拘束力という点からは影響が少ない。また、基板２１上に直接圧電体薄膜１０を成長させてもよい（アクチュエータにする場合、第１の電極３は基板２１を除去した後に成膜し、エピタキシャル成長を阻害しない電極もしくはバッファ層が用いられる）。圧電体薄膜１０の形成方法はスパッタリング、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等を用いることができる。
【００９０】
ここで、基板２１と第１の電極３との間に中間層２３を形成した場合（図８参照）、圧電体薄膜１０を確実に圧縮膜とするためには、中間層２３と第１の電極３との面格子間隔の方を圧電体薄膜１０の面格子間隔よりも小さくする。
【００９１】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図である。
【００９２】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤１４により接着されたものであり、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【００９３】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、接着剤１４の熱膨張係数をαｂとした場合、αｐ＜αｂの関係を満たしている。これにより、接着剤１４によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００９４】
すなわち、圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、接着に用いられる接着剤１４の熱膨張係数の大きさが異なる場合、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。つまり、αｐ＜αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、αｐ＞αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が接着剤１４の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００９５】
したがって、図１０（ａ）に示すアクチュエータと区画壁２ａとを、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する接着剤１４を用い（αｐ＜αｂ）、接着を行う（図１０（ｂ））。区画壁２ａとアクチュエータとを接着した後は、基板２１を除去する（図１０（ｃ））。
【００９６】
なお、接着剤１４としては熱膨張係数の大きな無機材料（銀ロウや半田等の金属系材料）を用い、加熱下で接着を行う。これにより、熱膨張係数の大きい接着剤１４が接着後により縮むので、圧電体薄膜には圧縮応力が加わる。
【００９７】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０とアクチュエータを区画壁２ａに接着する接着剤１４とにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αｐ＜αｂ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００９８】
（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図である。
【００９９】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤を用いずに接合されたもの、つまり基板を部分的に除去して区画壁２ａとしたものである。なお、図１１に示す場合も、図１０に示す場合と同様に、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【０１００】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、区画壁２ａの熱膨張係数をαａとした場合、αａ＞αｐの関係を満たしている。これにより、区画壁２ａによって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【０１０１】
具体的には、圧電体薄膜１０がたとえばＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０-7／Ｋ）である場合、区画壁２ａの材料には、たとえば８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０-7／Ｋ）や８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０-7／Ｋ）などが用られる。
【０１０２】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも区画壁２ａの熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αａ＞αｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【０１０３】
以上に説明した本実施の形態では、本発明の圧電体薄膜素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用した温度センサや、電気光学効果を利用した光変調デバイス、光弾性効果を利用した光アクチュエータ、ＳＡＷデバイスに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
【０１０４】
なお、以上説明した圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという有効な効果が得られる。
【０１０６】
このような圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０７】
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０８】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図３】図２の要部を示す斜視図
【図４】図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図
【図６】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図
【図７】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図
【図１１】本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図
【図１２】従来の圧電体薄膜素子を示す構成の一例を示す断面図
【符号の説明】
２ 圧力室
２ａ 区画壁
３ 第１の電極
１０ 圧電体薄膜
１４ 接着剤
２１ 基板
２２ 第２の電極
２３ 中間層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜素子に関し、具体的には、圧電性誘電体の圧電効果を利用したアクチュエータ、それを用いたインクジェットヘッド、ならびにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、赤外線センサ、光変調素子、メモリ素子などさまざまなものがある。マイクロマシン加工技術の発達、各種機器の小型・軽量化の要望に伴い、これらの誘電体材料を用いた各種薄膜デバイスは、薄膜化技術・微細加工技術により実用化されつつある。
【０００３】
図１２は従来の圧電体薄膜素子（Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ．ａｌ： Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０）の構成の一例を示す断面図である。すなわち、図１２の圧電体薄膜素子９０は、ＭｇＯ単結晶基板９１上に第１の電極としてＰｔ下部電極膜９２、ＰＺＴ圧電体薄膜９３、第２の電極としてＰｔ上部電極膜９４を順次形成した構成である。（例えば非特許文献１参照）例えば、電極膜、圧電体膜や基板を加工することなどにより、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどへ応用される。
【０００４】
通常、材料を薄膜化することにより薄膜固有の特性を有するようになる。この要因としては、形成プロセスのバルクとの違いや、薄膜を支持する基板の影響によるところが大きい。例えば、圧電体薄膜の結晶面や格子定数などの結晶パラメータは基板に大きく影響される。強誘電体であるＰｂＴｉＯ3は（１００）面ＭｇＯ単結晶基板上では（００１）面、ｃ面サファイア基板上では（１１１）面が配向することが報告されている。これは基板の結晶面の影響を大きく受けるためである。単結晶基板の場合は、さらに基板と圧電体膜とで大きく格子定数が異なれば、配向する結晶面にも影響を与える。また、酸化物単結晶、金属、ガラス等の基板の種類に関係なく、基板の熱膨張係数の違いにより、作製される圧電体膜の内部応力が変化し、これにより圧電体膜の格子定数などの結晶パラメータが変化する。
【０００５】
このような圧電体薄膜の結晶パラメータの変化により、その電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性が大きく変化する。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ．ａｌ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧電体薄膜素子９０は、薄膜形成において４００℃〜７００℃程度の結晶化処理が必要である。そのため、室温に冷却する過程で、圧電体薄膜９３とこれを支持する基板９１との熱膨張係数差により、圧電体薄膜９３には引っ張りまたは圧縮の内部応力が発生する。
【０００８】
圧電体薄膜９３が引っ張りの内部応力を有していると、つまり、膜の粒界等に引っ張りの力を受けていると、常に引き剥がされようとするストレスを受けることになる。すると、機械的強度が低下して電圧印加時の撓みに対して弱くなり、圧電体薄膜９３にクラックが発生したり、膜破壊を誘発したりする。
【０００９】
すなわち、膜形成時の部分的な欠陥や異物の存在による膜破壊では、スポット状の破壊が主であるが、膜の内部応力に起因した破壊の場合では、クラック等の破壊が生じる。スポット状の破壊の場合には部分的な破壊ですみ、膜全体としては機能することが多いが、クラック等の破壊では膜全体の破壊に進行して深刻なダメージを受けやすい。
【００１０】
そこで、本発明は、圧電体薄膜のクラックや膜破壊を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされているものである。
【００１２】
また、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が圧縮膜であるものである。
【００１３】
さらに、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるものである。
【００１４】
さらに、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接着剤により接着され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、接着剤の熱膨張係数をαｂとすると、αｐ＜αｂの関係を満たすものである。
【００１５】
そして、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接合され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、区画壁の熱膨張係数をαａとすると、αａ＞αｐの関係を満たすものである。
【００１６】
これによれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜となって機械的強度を保持できるので、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、圧電体薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２９】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、中間層と第１の電極との面格子間隔の方が圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さい圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３５】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
【００３９】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４０】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項６記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１１を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図３は図２の要部を示す斜視図、図４は図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図５は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図、図６は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図、図７は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ、図８は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図である。
【００４３】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、圧電体薄膜素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００４４】
図２は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド４１の全体構成を示し、図３はその要部の構成を示す。
【００４５】
図２および図３において、Ａは圧力室部品であって、圧力室用開口部１が形成される。Ｂは圧力室用開口部１の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部１の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Ａの圧力室用開口部１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂおよびインク液流路部品Ｃにより区画されて圧力室２となる。アクチュエータ部Ｂには、圧力室２の上方に位置する個別電極である第１の電極３が配置されている。これ等圧力室２および第１の電極３は、図２から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ圧力室２間で共用する共通液室５と、この共通液室５を圧力室２に連通する供給口６と、圧力室２内のインク液が流出するインク流路７とが形成される。Ｄはノズル板であって、インク流路７に連通するノズル孔８が形成されている。また、図２において、ＥはＩＣチップであって、ボンディングワイヤー（ＢＷ）を介して多数の第１の電極３に対して電圧を供給する。
【００４６】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成を図４に基づいて説明する。
【００４７】
同図において、アクチュエータ部Ｂは、図２に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ４個の圧力室２を持つ圧力室部品Ａが参照的に描かれている。
【００４８】
このアクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の上方に位置する第１の電極３、この第１の電極３の直下に位置する圧電体薄膜１０、この圧電体薄膜１０の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極１１とを有する。振動板兼共通電極１１は、導電性物質で形成されていて、各圧力室２で共通する共通電極である第２の電極を兼用する。さらに、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の相互を区画する区画壁２ａの上方に位置する縦壁１３を持つ。なお、同図中、１４は圧力室部品Ａとアクチュエータ部Ｂとを接着する接着剤である。各縦壁１３は、接着剤１４を用いた接着時に、一部の接着剤１４が区画壁２ａの外方にはみ出した場合にも、この接着剤１４が振動板兼共通電極１１に付着せず、振動板兼共通電極１１が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室２の上面と振動板兼共通電極１１の下面との距離を拡げる役割を持つ。
【００４９】
そして、第１の電極３、圧電体薄膜１０および振動板兼共通電極１１で圧電体薄膜素子が構成されている。ここでは振動板と共通電極（第２の電極）とが兼用されているが、両者は別体になっていてもよい。なお、図５以下においては、振動板と第２の電極である共通電極と別体になったものが示されている。
【００５０】
第１の電極３は例えばＰｔ（白金）で、振動板兼共通電極１１は例えばＰｔ（白金）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）またはＴａ（タンタル）で、形成されている。
【００５１】
なお、以上説明した構造は、以下の実施の形態においても共通のものになっている。したがって、各実施の形態での重複した説明は省略する。
【００５２】
図５に示す圧電体薄膜素子１６は、基板２１と、この基板２１の上に第１の電極３としてたとえばＰｔ電極膜を配置し、その上に圧電体薄膜１０を配置し、その上に第２の電極２２としてたとえばＣｒ電極膜を配置したものである。
【００５３】
ここで、基板２１の材料としては、たとえばアルミナ（熱膨張係数：６８×１０-7／Ｋ）、８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０-7／Ｋ）、８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０-7／Ｋ）、ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１７３×１０-7／Ｋ）、酸化マグネシウム（熱膨張係数：１２０×１０-7／Ｋ）などを用いることができる。
【００５４】
また、圧電体薄膜１０は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むペロブスカイト構造のＰＺＴ膜、たとえばＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０-7／Ｋ）が用いられている。なお、ＰＺＴ膜は熱膨張係数が小さく、応力制御しやすいという性質を、さらに配向（エピタキシャル成長）をさせるのが容易で組成を制御しやすいという性質を有している。
【００５５】
そして、圧電体薄膜１０の厚みは０．２〜１０μｍ、基板２１の厚みは０．１５〜１．５ｍｍとなっている。但し、膜厚はこの数値に限定されるものではない。
【００５６】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００５７】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００５８】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００５９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００６０】
ここで、前述のように、圧電体薄膜１０と基板２１とは相互に熱膨張係数が異なっており、圧電体薄膜１０の熱膨張係数（αｐ）よりも基板２１の熱膨張係数（αｓ）の方が大きくなっている（αｐ＜αｓ）。これにより、基板２１によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００６１】
すなわち、図６に示すように、形成される圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、それを支持する基板２１の熱膨張係数の大きさが異なる場合、成膜終了後、室温に戻した状態では、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。
つまり、図６（ａ）に示すように、αｐ＜αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、図６（ｂ）に示すように、αｐ＞αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が基板２１の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００６２】
したがって、図６（ａ）に示すように、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きくなるように調整し（αｐ＜αｓ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００６３】
圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を図７に示す。
【００６４】
図７においては、インクジェットヘッドの２００ｐｉｎ（素子）に対して、２つの電極間にＤＣ３５Ｖの電圧を印加し、圧電アクチュエータの不良品率を判定した。図示するように、１．０＜αｓ／αｐ、つまりαｐ＜αｓでは、不良品率が激減しているのが分かる。
【００６５】
なお、圧電体薄膜１０に過度の圧縮応力が発生すると、動作の安定性等の問題が発生することが考えられる。また、比誘電率や圧電特性等の電気特性も変化を起こす場合があり、特性ばらつきの原因となる。これを考慮すると、１＜αｓ／αｐ≦１．２の条件を満たすときが、適切な内部応力が得られる。
【００６６】
また、圧電体薄膜１０および基板２１の材料は前述したものに限定されるものではなく、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きければよい。
【００６７】
ここで、図８に示すように、基板２１上に中間層２３を形成し、この中間層２３の上に第１の電極３を形成してもよい。中間層２３としては、ＭｇＯ等の岩塩型結晶構造酸化物膜を適用することができる。
【００６８】
図８のように構成された圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。真空槽内に例えば、基板２１としてアルミナ基板を設定し、真空排気した後、基板２１を４００℃に加熱し、プラズマＭＯＣＶＤ法により（１００）面に結晶配向した岩塩型結晶構造のＭｇＯ膜なる中間層２３を厚み約７００ｎｍ形成した。この膜形成には、ＣＶＤ原料ガスとして２１５℃で気化させたマグネシウムアセチルアセトナートガス及びＯ2の混合ガスを用い、ガス圧３０Ｐａ、ＲＦ電力４００Ｗの条件を用いた。
【００６９】
次に、別の真空槽内に基板２１を設置し、６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３なるＰｔ電極膜を形成した。
【００７０】
続いて、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７１】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００７２】
（実施の形態２）
本実施の形態の圧電体薄膜素子は、図５において、基板２１と、基板２１上に形成された第１の電極３と、第１の電極３上に形成された圧電体薄膜１０と、圧電体薄膜１０上に形成された第２の電極２２を備え、圧電体薄膜１０がスパッタリングにより圧縮膜に成膜されたものである。
【００７３】
すなわち、本実施の形態では、成膜後に圧電体薄膜１０が圧縮応力を有するように、スパッタリング時における圧電体薄膜１０の堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈと、高く（ｈｉ−ｒａｔｅ成膜）する。
【００７４】
堆積速度の調整は、たとえば基板温度６００℃でペロブスカイト層を形成するスパッタガス圧、スパッタガス流量、酸素分圧比（アルゴンとの混合ガスの場合）、ターゲット基板間距離、投入電力（カソードのＲＦパワー）の各条件を変化させて行うことができる。
【００７５】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００７６】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００７７】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ2の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ2＝１９：１）、スパッタガス圧０．１Ｐａ〜５．０Ｐａ、好ましくは０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、投入電力であるＲＦ電力０．２５ｋＷ〜５．０ｋＷ、好ましくは５ｋＷ〜３．０ｋＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７８】
そして、前述のように、このときの圧電体薄膜１０の成膜速度は、堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈである。
【００７９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００８０】
なお、本実施の形態のようにスパッタリングにより圧電体薄膜１０を圧縮膜とする場合には、基板２１としては、実施の形態１に列挙したものの他に、たとえば石英（熱膨張係数：５．６×１０-7／Ｋ）、シリコン（熱膨張係数：２７×１０-7／Ｋ）、７０５９ガラス（熱膨張係数：４６×１０-7／Ｋ）などを用いることができ、熱膨張係数に対する考慮は不要である。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１に説明した材料を用いることができる。
【００８１】
このように、本実施の形態によれば、スパッタリングで成膜される強圧電体薄膜１０の成膜速度を高くして圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８２】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図である。
【００８３】
なお、圧電体薄膜素子の構造は、前述した請求項１における図５あるいは図８に示すものと同一となっている。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１および２に説明した材料を用いることができる。
【００８４】
ここで、本実施の形態においては、圧電体薄膜１０は、圧縮応力を有するエピタキシャル膜などの配向膜となっている。そして、基板２１の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜１０の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐを満たす関係となっている。具体的には、本実施の形態における圧電体薄膜１０がＰＺＴ膜の場合、ａ軸格子定数が４．０４Åであることから、基板２１の材料には、これより小さな格子定数を有するもの、たとえばＳｒＴｉＯ3（ａ軸格子定数：３．９０５）が用いられる。
【００８５】
つまり、加熱下で基板２１上に圧電体薄膜１０をエピタキシャル成長させる場合、圧電体薄膜１０は基板２１の面格子間隔を反映して、圧縮または引っ張りの力を受ける。
【００８６】
すなわち、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きい場合は（ｄｓ＜ｄｐ）、膜の一格子単位で見た場合、基板２１からの拘束を受けていることになり、圧電体薄膜１０の内部には圧縮の内部応力が働く。
【００８７】
また、図９（ｂ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が小さい場合は（ｄｓ＞ｄｐ）、圧電体薄膜１０の内部には引っ張りの内部応力が働く。
【００８８】
したがって、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔より圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きくなるようにし（ｄｓ＜ｄｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８９】
なお、基板２１と圧電体薄膜１０の間には第１の電極３があるが、基板２１と比較して圧倒的に薄く、圧電体薄膜１０の拘束力という点からは影響が少ない。また、基板２１上に直接圧電体薄膜１０を成長させてもよい（アクチュエータにする場合、第１の電極３は基板２１を除去した後に成膜し、エピタキシャル成長を阻害しない電極もしくはバッファ層が用いられる）。圧電体薄膜１０の形成方法はスパッタリング、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等を用いることができる。
【００９０】
ここで、基板２１と第１の電極３との間に中間層２３を形成した場合（図８参照）、圧電体薄膜１０を確実に圧縮膜とするためには、中間層２３と第１の電極３との面格子間隔の方を圧電体薄膜１０の面格子間隔よりも小さくする。
【００９１】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図である。
【００９２】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤１４により接着されたものであり、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【００９３】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、接着剤１４の熱膨張係数をαｂとした場合、αｐ＜αｂの関係を満たしている。これにより、接着剤１４によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００９４】
すなわち、圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、接着に用いられる接着剤１４の熱膨張係数の大きさが異なる場合、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。つまり、αｐ＜αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、αｐ＞αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が接着剤１４の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００９５】
したがって、図１０（ａ）に示すアクチュエータと区画壁２ａとを、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する接着剤１４を用い（αｐ＜αｂ）、接着を行う（図１０（ｂ））。区画壁２ａとアクチュエータとを接着した後は、基板２１を除去する（図１０（ｃ））。
【００９６】
なお、接着剤１４としては熱膨張係数の大きな無機材料（銀ロウや半田等の金属系材料）を用い、加熱下で接着を行う。これにより、熱膨張係数の大きい接着剤１４が接着後により縮むので、圧電体薄膜には圧縮応力が加わる。
【００９７】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０とアクチュエータを区画壁２ａに接着する接着剤１４とにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αｐ＜αｂ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００９８】
（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図である。
【００９９】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤を用いずに接合されたもの、つまり基板を部分的に除去して区画壁２ａとしたものである。なお、図１１に示す場合も、図１０に示す場合と同様に、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【０１００】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、区画壁２ａの熱膨張係数をαａとした場合、αａ＞αｐの関係を満たしている。これにより、区画壁２ａによって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【０１０１】
具体的には、圧電体薄膜１０がたとえばＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０-7／Ｋ）である場合、区画壁２ａの材料には、たとえば８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０-7／Ｋ）や８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０-7／Ｋ）などが用られる。
【０１０２】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも区画壁２ａの熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αａ＞αｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【０１０３】
以上に説明した本実施の形態では、本発明の圧電体薄膜素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用した温度センサや、電気光学効果を利用した光変調デバイス、光弾性効果を利用した光アクチュエータ、ＳＡＷデバイスに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
【０１０４】
なお、以上説明した圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという有効な効果が得られる。
【０１０６】
このような圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０７】
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０８】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図３】図２の要部を示す斜視図
【図４】図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図
【図６】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図
【図７】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図
【図１１】本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図
【図１２】従来の圧電体薄膜素子を示す構成の一例を示す断面図
【符号の説明】
２ 圧力室
２ａ 区画壁
３ 第１の電極
１０ 圧電体薄膜
１４ 接着剤
２１ 基板
２２ 第２の電極
２３ 中間層
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
前記圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、前記基板の面格子間隔をｄｓ、前記圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子。 - 基板と、前記基板上に形成された中間層と、前記中間層上形成された第１の電極と、前記第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
前記圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、前記基板の面格子間隔をｄｓ、前記圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子。 - 前記圧電体薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電体薄膜素子。
- 前記中間層と前記第１の電極との面格子間隔の方が前記圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の圧電体薄膜素子。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられていることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項５記載のアクチュエータと、
インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項６記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。
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