JP2007281049A - 積層素子、圧電素子、及びインクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子において、成膜中及び／又は成膜後に圧電膜にかかる応力を効果的に緩和する。
【解決手段】圧電素子１は、基板１０上に下部電極３０と圧電膜４０と上部電極５０とが順次積層されてなり、基板１０と圧電膜４０との間に、基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０を備えたものである。柱状構造膜２０は、成膜中及び／又は成膜後の圧電膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。電極とは別に柱状構造膜２０を設ける代わりに、下部電極３０を柱状構造膜構造としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力緩和層を備えた積層素子、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電素子、及びインクジェット式記録ヘッドに関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のペロブスカイト型複合酸化物が知られている。

圧電素子においては、基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差が大きい場合、成膜又は成膜後のアニール等の工程において圧電膜に応力がかかって、圧電膜に微小なクラックが発生したり、圧電膜が基板から剥離する恐れがある。また、クラックや剥離が発生しなくても、基板と圧電膜との密着性が低くなる恐れがある。基板と圧電膜との密着性が低いと、インクジェット式記録ヘッドなどの用途では、長期駆動後にクラックや剥離が発生する恐れがあり、好ましくない。

上記問題は、エアロゾルデポジション法等により比較的厚い圧電膜を成膜する場合に起こりやすいと考えられる。これは、厚い圧電膜では、圧電膜にかかる応力に圧電膜が柔軟に追随することができないためと考えられる。

かかる問題を解決するために、特許文献１には、基板と圧電膜との間に、圧電膜材料よりもヤング率の小さな材料からなる応力緩和層、若しくは圧電膜材料とは熱膨張係数の異なる材料からなる応力緩和層を設けることが提案されている。
特許文献２には、基板と圧電膜との間に、多孔質又は非晶質の金属酸化膜からなる応力緩和層を設けることが提案されている。
特開2004-128492号公報 特開平11-204849号公報

特許文献１に記載の応力緩和層では、圧電膜の組成や圧電膜材料の熱膨張係数等の特性に応じて、応力緩和層の組成等を設計する必要があり、圧電膜の組成等の設計変更に対して柔軟な対応ができない。

特許文献２には、多孔質又は非晶質の金属酸化膜からなる応力緩和層について詳細な記載がなされていない。特許文献２の段落００２２に、応力緩和層が「緻密な膜に生じた応力を打ち消す又は吸収する多孔質または非晶質の膜」であることが記載され、ＭｇＯ等の材料が例示されている程度である。特許文献２には、上記応力緩和層の応力緩和メカニズム等については記載されておらず、どのような応力緩和層を形成すれば、応力緩和効果が効果的に得られるのかなど、不明である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、成膜中及び／又は成膜後に圧電膜にかかる応力を効果的に緩和することができ、しかも圧電膜の組成等の設計変更にも柔軟に対応することが可能な圧電素子を提供することを目的とするものである。
本発明はまた、上記圧電素子を備えたインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを目的とするものである。

本発明はまた、圧電素子に限らず、応力を緩和したい膜にかかる応力を効果的に緩和することができ、しかも応力緩和対象の膜の組成等の設計変更にも柔軟に対応することが可能な積層素子を提供することを目的とするものである。

本発明の積層素子は、基板上に、該基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜と、非柱状構造膜とが順次積層されてなり、
前記柱状構造膜が、成膜中及び／又は成膜後の前記非柱状構造膜にかかる応力を緩和する応力緩和層であることを特徴とするものである。

本発明の積層素子において、応力緩和層である柱状構造膜と応力緩和対象である非柱状構造膜との間には、他の層が介在してもよい。

本発明の積層素子は、前記基板の構成材料の熱膨張係数と前記非柱状構造膜の構成材料の熱膨張係数との差が４．０×１０^−６／℃以上である場合に有効である。

本明細書において、「基板の構成材料の熱膨張係数」は、基板の構成材料からなるバルク体について測定される一般的な熱膨張係数を意味するものとする。同様に、「非柱状構造膜の構成材料の熱膨張係数」は、非柱状構造膜の構成材料からなるバルク体について測定される一般的な熱膨張係数を意味するものとする。なお、薄膜自体の熱膨張係数は正確な測定が困難であるため、本発明の積層素子では、バルク材料の熱膨張係数でもって、基板と非柱状構造膜との熱膨張係数差を規定してある。
圧力ｐが一定（Δｐ＝０）の条件下で温度Ｔを変化させると、バルク体の体積Ｖは変化する。温度が微少量ΔＴだけ増加したときの体積変化分ΔＶは、ΔＶ／Ｖ（ここで、Ｖはもとの体積）に比例し、ある材料からなるバルク体の熱膨張係数αは、一般に下記式で表される。
Δｐ＝０の条件下で、α＝（ΔＶ／Ｖ）／ΔＴ

本発明の第１の圧電素子は、基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子において、
前記基板と前記圧電膜との間に、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の圧電素子は、基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子において、
前記下部電極が、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であることを特徴とするものである。

本発明の第１、第２の圧電素子において、前記柱状構造膜は、成膜中及び／又は成膜後の前記圧電膜にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。

前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体の平均柱径は２０〜２００ｎｍであることが好ましい。
本明細書において、「多数の柱状体の平均柱径」は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて断面写真を撮像して任意の１０個の柱状体の径を求め、これらの平均値により求めるものとする。

前記柱状構造膜には、前記多数の柱状体の間に、該柱状体と略同方向に延びる空孔が形成されていることが好ましい。
前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体は、前記基板面に対して斜め方向に延びていることが好ましい。

前記圧電膜の組成は特に制限なく、下記一般式で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を主成分とするものが挙げられる。
一般式ＡＢＯ_３
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｃｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，及びＹｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子）
本明細書において、「主成分」は含量９０質量％以上の成分と定義する。
前記圧電膜は、上記一般式で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を９５質量％以上含むものであることが好ましく、９９質量％以上含むものであることが特に好ましい。

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、上記の本発明の第１又は第２の圧電素子と、インクが貯留されるインク室及び該インク室から外部に前記インクが吐出されるインク吐出口を有するインク貯留吐出部材とを備えた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、上記の本発明のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とするものである。

本発明の積層素子では、応力緩和層として、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を設け、その上に応力緩和対象である非柱状構造膜を設ける構成としている。

かかる構成では、柱状構造膜からなる応力緩和層の存在によって、成膜中及び／又は成膜後に応力緩和対象である非柱状構造膜にかかる応力を効果的に緩和することができる。この効果は応力緩和対象である非柱状構造膜の組成や膜材料の熱膨張係数等の特性に関係なく得られるので、応力緩和対象である非柱状構造膜の組成等の設計変更に応じて、応力緩和層の組成等を設計する必要がない。したがって、本発明の素子構造では、応力緩和対象である非柱状構造膜の組成等の設計変更に柔軟に対応することができる。
本発明の積層素子は、圧電素子等に好ましく適用することができる。

本発明の圧電素子は、基板と圧電膜との間に、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を設ける構成としている。かかる構成では、柱状構造膜が応力緩和層として機能することができる。本発明によれば、成膜中及び／又は成膜後に圧電膜にかかる応力を効果的に緩和することができ、しかも圧電膜の組成等の設計変更にも柔軟に対応することが可能な圧電素子を提供することができる。

「圧電素子の第１実施形態、インクジェット式記録ヘッド」
図１を参照して、本発明に係る圧電素子（積層素子）の第１実施形態、及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造について説明する。図１（ａ）はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図（圧電素子の厚み方向断面図）であり、図１（ｂ）は部分拡大断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

本実施形態の圧電素子（積層素子）１は、基板１０上に、基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０（柱状体２１については図１（ｂ）を参照）が形成され、その上に下部電極３０と圧電膜（応力緩和対象である非柱状構造膜）４０と上部電極５０とが順次積層された素子である。圧電膜４０は圧電性を有する無機化合物からなり、下部電極３０と上部電極５０とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

基板１０としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス（ＳＵＳ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板１０としては、シリコン基板の表面にＳｉＯ_２酸化膜が形成されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

基板１０上の略全面に、柱状構造膜２０が形成されている。本実施形態において、柱状構造膜２０は斜方蒸着法により成膜された膜であり、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１は、基板１０の基板面に対して斜め方向に延びている。また、柱状構造膜２０には、多数の柱状体２１の間に、柱状体２１と略同方向に延びる多数の空孔２２が形成されている。空孔２２の形状は特に制限なく、三角柱状等の角柱状や、円柱状、及び楕円柱状等が挙げられる。図には柱状体２１と空孔２２とを模式的に示してある。

柱状構造膜２０の材料は特に制限なく、上記膜構造が得られる任意の材料が使用できる。柱状構造膜２０の材料としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｌａ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｕ、及びＰｔ等の金属の酸化物又は窒化物又は酸窒化物、あるいはこれらの複合酸化物、複合窒化物等が挙げられる。
柱状構造膜２０は、結晶性を有しても有していなくてもよい。

本実施形態では、上記膜構造の柱状構造膜２０が、基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差等に起因して、成膜中及び／又は成膜後の圧電膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。

柱状構造膜２０においては、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１同士の結合力が比較的弱く、部分的に応力がかかると、その部分にある複数の柱状体２１が互いに滑り合って、応力を吸収緩和すると考えられる。なお、多数の柱状体２１同士の結合力が比較的弱いとは言っても、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１は、全体的にある程度の結合力で結合しているので、応力がかかっても、柱状構造膜２０自体の全体的な膜構造は維持される。

特に、多数の柱状体２１の間に、柱状体２１と略同方向に延びる空孔２２が形成されていると、柱状体２１同士の動きがより滑らかに起こり、応力緩和効果がより効果的に発現する。また、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１を、基板１０の基板面に対して斜め方向に成長させると、多数の柱状体２１の間に、柱状体２１と略同方向に延びる空孔２２が形成されやすくなり、応力緩和効果が効果的に発現する。

上記のように、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１が、基板１０の基板面に対して斜め方向に成長し、多数の柱状体２１の間に、柱状体２１と略同方向に延びる空孔２２が形成されることが特に好ましいが、柱状構造膜２０は基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる膜構造を有するものであれば、応力緩和効果が得られる。したがって、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１は、基板１０の基板面に対して垂直方向に成長していても構わない。また、空孔２２はなくても構わない。

柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１の平均柱径は特に制限なく、２０〜２００ｎｍが好ましい。柱状体２１の平均柱径が過小では、柱状構造膜２０の膜構造が連続膜と変わらなくなって、応力緩和効果が充分に発現しなくなり、過大では柱状構造膜２０の表面凹凸が大きくなったり、柱状構造膜２０自身にクラックが生じたりする恐れがある。

柱状体２１の成長方向は特に制限なく、基板１０の基板面の法線方向から０°以上９０°未満の角度方向であることが好ましく、５°以上４５°以下の角度方向であることが特に好ましい。

空孔２２の平均径は特に制限なく、過大では柱状構造膜２０の表面凹凸が大きくなるため、柱状構造膜２０の膜厚以下であることが好ましい。

柱状構造膜２０の厚みは特に制限なく、過小では柱状構造膜２０による応力緩和効果が充分に発現せず、過大では柱状構造膜２０の表面凹凸が大きくなったり、柱状構造膜２０自身にクラックが生じたりする恐れがあるので、０．１〜５．０μｍであることが好ましい。

柱状構造膜２０が形成された基板１０上の略全面に下部電極３０が形成されており、この下部電極３０上に図示手前側から奥側に延びるライン状の凸部４１がストライプ状に配列したパターンの圧電膜４０が形成され、各凸部４１の上に上部電極５０が形成されている。下部電極３０と上部電極５０の厚みは特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。本実施形態において、下部電極３０、圧電膜４０、及び上部電極５０は、非柱状構造膜である。

下部電極３０の主成分としては特に制限なく、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。

上部電極５０の主成分としては特に制限なく、下部電極３０で例示した材料、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。

圧電膜４０のパターンは図示するものに限定されず、適宜設計される。また、圧電膜４０は連続膜でも構わない。但し、圧電膜４０は、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部４１からなるパターンで形成することで、個々の凸部４１の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。

圧電膜４０は、スパッタ法，ＭＯＣＶＤ法，及びパルスレーザデポジッション法等の気相法、あるいはゾルゲル法及び有機金属分解法等の化学溶液堆積法（ＣＳＤ）、あるいはエアロゾルデポジション法等の公知の薄膜形成方法により、成膜できる。圧電膜４０には、成膜後に必要に応じてアニール処理が施される。

圧電膜４０の組成は特に制限なく、下記一般式で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を主成分とするものが挙げられる。
一般式ＡＢＯ_３
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｃｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，及びＹｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子）

上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（例えばＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３）、ＰＮＮ−ＰＺＴ（一般式Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ_３−ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３で表される３成分系チタン酸ジルコン酸鉛）等が挙げられる。例示したペロブスカイト型酸化物はいずれも、電界無印加時において自発分極性を有する強誘電体である。

圧電膜４０は、上記一般式で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を９０質量％以上含むものであることが好ましく、９５質量％以上含むものであることがより好ましく、９９質量％以上含むものであることが特に好ましい。

圧電膜４０の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上である。

「背景技術」の項において、従来の圧電素子では、基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差が大きい場合、成膜又は成膜後のアニール等の工程において圧電膜に応力がかかって、圧電膜に微小なクラックが発生したり、圧電膜が基板から剥離したり、あるいは基板と圧電膜との密着性が低くなる恐れがあることを述べた。また、これらの問題はエアロゾルデポジション法等により比較的厚い圧電膜を成膜する場合に起こりやすいことを述べた。

本実施形態では、柱状構造膜２０が応力緩和層として機能するので、エアロゾルデポジション法等により比較的厚い圧電膜４０を成膜する場合にも、柱状構造膜２０によって成膜中及び／又は成膜後の圧電膜４０にかかる応力を緩和することができ、圧電膜４０に微小なクラックが発生することを抑制することができる。

すなわち、本実施形態は、圧電膜４０の厚みが比較的厚い場合に有効である。具体的には、本実施形態は、圧電膜４０の厚みが２．０〜３０．０μｍと比較的厚い場合に有効である。また、本実施形態は、圧電膜４０が比較的厚くなるエアロゾルデポジション法等により成膜する場合に有効である。

本発明者は、上記従来の問題は、具体的には基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差が４．０×１０^−６／℃以上の場合に、顕著に起こることを見出している。本実施形態では、基板材料と圧電膜料との熱膨張係数差が大きい場合にも、柱状構造膜２０によって成膜中及び／又は成膜後の圧電膜４０にかかる応力を緩和することができ、クラックの発生、及び圧電膜４０の基板１０から剥離を抑制することができる。本実施形態では、基板１０と圧電膜４０との密着性の低下も抑制することができるので、長期駆動後のクラックや剥離の発生も抑制することができる。したがって、本実施形態の圧電素子１は、長期信頼性にも優れたものとなる。

すなわち、本実施形態は、基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差が大きい場合、具体的には基板材料と圧電膜材料との熱膨張係数差が４．０×１０^−６／℃以上の場合に、有効である。

例えば、Ｓｉの熱膨張係数は４．０×１０^−６／℃であり、ＰＺＴの熱膨張係数は７．０〜９．０×１０^−６／℃、ＰＮＮ−ＰＺＴの熱膨張係数は１０．０×１０^−６／℃である。したがって、本実施形態は、基板１０としてＳｉ基板を用い、ＰＮＮ−ＰＺＴ膜からなる圧電膜４０を成膜する場合などに有効である。

インクジェット式記録ヘッド２は、概略、上記構成の圧電素子１の基板１０の下面に、振動板６０を介して、インクが貯留されるインク室７１及びインク室７１から外部にインクが吐出されるインク吐出口７２を有するインクノズル（インク貯留吐出部材）７０が取り付けられたものである。インク室７１は、圧電膜４０の凸部４１の数及びパターンに対応して、複数設けられている。

インクジェット式記録ヘッド２では、圧電素子１の凸部４１に印加する電界強度を凸部４１ごとに増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室７１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

インクジェット式記録ヘッド２では、基板１０とは独立した部材の振動板６０及びインクノズル７０を取り付ける代わりに、基板１０の一部を振動板６０及びインクノズル７０に加工してもよい。例えば、基板１０がＳＯＩ基板等の積層基板からなる場合には、基板１０を下面側からエッチングしてインク室７１を形成し、基板自体の加工により振動板６０とインクノズル７０とを形成することができる。

本実施形態の圧電素子１及びインクジェット式記録ヘッド２は、以上のように構成されている。

本実施形態の圧電素子（積層素子）１では、応力緩和層として、基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０を設け、その上に応力緩和対象である圧電膜（非柱状構造膜）４０を設ける構成としている。

かかる構成では、柱状構造膜２０からなる応力緩和層の存在によって、成膜中及び／又は成膜後に圧電膜４０にかかる応力を効果的に緩和することができる。この効果は圧電膜４０の組成や膜材料の熱膨張係数等の特性に関係なく得られるので、圧電膜４０の組成等の設計変更に応じて、応力緩和層である柱状構造膜２０の組成等を設計する必要がない。したがって、本実施形態の素子構造では、圧電膜４０の組成等の設計変更にも柔軟に対応することができる。

また、本実施形態においては、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１同士の結合力が比較的弱く、部分的に応力がかかると、その部分にある複数の柱状体２１が互いに滑り合うため、柱状構造膜２０の存在によって、圧電膜４０に電界を印加した際の圧電膜４０の伸縮がよりスムーズに起こり、圧電性がより効果的に発現することも期待される。

「圧電素子の第２実施形態」
図２を参照して、本発明に係る圧電素子（積層素子）の第２実施形態及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造について説明する。図２（ａ）は第１実施形態の図１（ａ）に対応する要部断面図、図２（ｂ）は部分拡大断面図である。第１実施形態と同じ構成要素については、同じ参照符号を付して説明は省略する。

本実施形態の圧電素子（積層素子）３は、第１実施形態と同様に、基板１０上に下部電極３１と圧電膜（非柱状構造膜）４０と上部電極５０とが順次積層された素子である。本実施形態のインクジェット式記録ヘッド４は、この圧電素子３にインク貯留吐出部材７０が取り付けられたものである。

本実施形態の圧電素子３には柱状構造膜２０はなく、下部電極３１が基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体３２からなる柱状構造膜（柱状体３２については図２（ｂ）を参照）となっている。

下部電極３１は第１実施形態の柱状構造膜２０と同様の膜構造を有している。すなわち、下部電極３１は斜方蒸着法により成膜された膜であり、下部電極３１をなす多数の柱状体３２は、基板１０の基板面に対して斜め方向に延びている。また、下部電極３２には、多数の柱状体３２の間に、柱状体３２と略同方向に延びる多数の空孔３３が形成されている。空孔３３の形状は特に制限なく、三角柱状等の角柱状や、円柱状、及び楕円柱状等が挙げられる。図には柱状体３２と空孔３３とを模式的に示してある。

本実施形態では、下部電極３１が成膜中及び／又は成膜後の圧電膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。第１実施形態の柱状構造膜２０と同様に、下部電極３１をなす多数の柱状体３２同士の結合力が比較的弱く、部分的に応力がかかると、その部分にある複数の柱状体３２が互いに滑り合って、応力を吸収緩和すると考えられる。

本実施形態においても、下部電極３１をなす多数の柱状体３２が、基板１０の基板面に対して斜め方向に成長し、多数の柱状体３２の間に、柱状体３２と略同方向に延びる空孔３３が形成されることが特に好ましいが、下部電極３１は基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体３２からなる膜構造を有するものであれば、応力緩和効果が得られる。したがって、下部電極３１をなす多数の柱状体３２は、基板１０の基板面に対して垂直方向に成長していても構わない。また、空孔３３はなくても構わない。

下部電極３１をなす多数の柱状体３２の平均柱径、柱状体３２の成長方向、空孔３３の平均径、及び下部電極３１の厚みの好適な範囲は、第１実施形態の柱状構造膜２０と同様である。

下部電極３１の構成材料は特に制限なく、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。

本実施形態の圧電素子３及びインクジェット式記録ヘッド４は、以上のように構成されている。
本実施形態のように、下部電極３１を応力緩和層として機能する柱状構造膜により構成しても、第１実施形態と同様の効果が得られる。かかる構成では、電極と応力緩和層として機能する柱状構造膜とを別に成膜する必要がないので、第１実施形態よりもプロセスが簡易になる。

本実施形態においても、柱状構造膜からなる下部電極３１をなす多数の柱状体３２同士の結合力が比較的弱く、部分的に応力がかかると、その部分にある複数の柱状体３２が互いに滑り合うため、柱状構造膜からなる下部電極３１の存在によって、圧電膜４０に電界を印加した際の圧電膜４０の伸縮がよりスムーズに起こり、圧電性がより効果的に発現することも期待される。

「積層素子」
本発明に係る実施形態として圧電素子を挙げて説明したが、圧電素子に限らず、応力緩和層として機能する柱状構造膜を備えた任意の積層素子が新規であり、本発明に含まれる。

すなわち、本発明の積層素子は、基板上に、該基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜と、非柱状構造膜とが順次積層されてなり、
前記柱状構造膜が、成膜中及び／又は成膜後の前記非柱状構造膜にかかる応力を緩和する応力緩和層であることを特徴とするものである。

本発明の積層素子は、基板の構成材料と応力緩和対象である非柱状構造膜との熱膨張係数差が４．０×１０^−６／℃以上である場合に、有効である。

本発明の積層素子では、柱状構造膜からなる応力緩和層の存在によって、成膜中及び／又は成膜後に応力緩和対象である非柱状構造膜にかかる応力を効果的に緩和することができる。この効果は応力緩和対象である非柱状構造膜の組成や膜材料の熱膨張係数等の特性に関係なく得られるので、応力緩和対象である非柱状構造膜の組成等の設計変更に応じて、応力緩和層の組成等を設計する必要がない。したがって、本発明の素子構造では、応力緩和対象である非柱状構造膜の組成等の設計変更にも柔軟に対応することができる。

「インクジェット式記録装置」
図３及び図４を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド２を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図３は装置全体図であり、図４は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド２である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。

ロール紙を使用する装置では、図３のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図３上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図３の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。

吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図４を参照）。各印字ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。

大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。

インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
１００μｍ厚の短冊状Ｓｉ基板上に、スパッタ装置を用いてＺｒを斜方蒸着して、３００ｎｍ厚のＺｒ膜を成膜した。成膜条件は、基板温度を室温、基板の蒸着源に対する傾斜角（＝基板面の法線方向と基板から見た蒸着源方向とのなす角）を４０°、基板と蒸着源との距離を１００ｍｍ、成膜雰囲気を０．９ＰａのＡｒ雰囲気、投入電力を１５０Ｗとした。

上記Ｚｒ膜上に、同じ装置を用いてＰｔを正面蒸着し、４００ｎｍ厚のＰｔ膜を成膜した。成膜条件は、基板温度を室温、基板と蒸着源との距離を１００ｍｍ、成膜雰囲気を０．９ＰａのＡｒ雰囲気、投入電力を１５０Ｗとした。

以上のようにして、Ｓｉ基板上にＺｒ膜とＰｔ膜とが順次積層された本発明の積層素子を得た。得られた素子の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、Ｚｒ膜は、基板面に対して斜め方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であった。柱状体の平均柱径は約６０ｎｍ、柱状体の成長方向は基板の法線方向から約２０°の角度方向であった。多数の柱状体の間の空孔はＳＥＭ観察では明確には観察されなかった。Ｐｔ膜は、空孔等のない緻密な非柱状構造膜であった。

（比較例１）
Ｚｒ膜についても正面蒸着を行った以外は実施例１と同様にして、Ｓｉ基板上にＺｒ膜とＰｔ膜とが順次積層された比較用の積層素子を得た。実施例１と同様にＳＥＭ観察を行ったところ、Ｚｒ膜は空孔等のない緻密な非柱状構造膜であった。

＜実施例１と比較例１の評価＞
実施例１と比較例１において得られた積層素子に対して各々、大気雰囲気下５００℃１０分間のアニールを実施した。アニール前後についてそれぞれ、短冊状のＳｉ基板を一端固定して、その歪み量を測定した。測定された歪み量からＳｉ基板上に成膜された薄膜（＝Ｚｒ／Ｐｔ積層膜）の内部応力を算出した。
内部応力は、「薄膜光学ハンドブック」、講談社、真下正夫、吉田政次、ｐ２１４−２１５に基づいて、算出した。図５に、この文献に記載されている内部応力の測定方法の説明図を挙げておく。この文献には、薄膜形成により短冊状基板がδ歪んだとき、薄膜にかかる内部応力は下記式で表されることが記載されている。
σ＝Ｅｔ^２δ／｛３（１−ｖ）ｄｌ^２｝
（式中、ｌは基板の長さ、ｔは基板の厚さ、ｄは薄膜の厚さである。Ｅは基板のヤング率、ｖは基板のポアソン比である。）

＜結果＞
結果を表１に示す。表中、歪み方向は、Ｓｉ基板がＳｉ基板上に成膜された薄膜側に歪んだ場合（図５を参照）に「下方向」、Ｓｉ基板がこれとは逆方向に歪んだ場合に「上方向」としてある。歪み方向が「下方向」の場合、Ｓｉ基板上に成膜された薄膜にかかる内部応力は圧縮応力となり、歪み方向が「上方向」の場合、Ｓｉ基板上に成膜された薄膜にかかる内部応力は引張応力となる。

実施例１と比較例１のいずれについても、アニール前の歪み方向は下方向であり、Ｓｉ基板上に成膜された薄膜にかかる内部応力は圧縮応力であり、アニールによって歪み方向は逆方向となり、Ｓｉ基板上に成膜された薄膜にかかる内部応力は引張応力となった。しかしながら、Ｚｒ膜を柱状構造膜とした実施例１では、アニール前後のいずれについても、比較例１に比して歪み量が著しく小さく、Ｓｉ基板上に成膜された薄膜にかかる内部応力は著しく小さかった。この結果から、柱状構造膜が高い応力緩和機能を有することが示された。

（実施例２）
Ｓｉ基板上に、ＥＢ蒸着装置を用いてＴｉＯ_２を斜方蒸着して、２００ｎｍ厚のＴｉＯ_２膜を成膜した。成膜条件は、基板温度を室温、基板の蒸着源に対する傾斜角（＝基板面の法線方向と基板から見た蒸着源方向とのなす角を４０°、基板と蒸着源との距離を１００ｍｍ、成膜雰囲気を０．９ＰａのＡｒ雰囲気、投入電力を１５０Ｗとした。

上記ＴｉＯ_２膜上に、スパッタ装置を用いてＰｔを正面蒸着し、１００ｎｍ厚のＰｔ下部電極を成膜した。成膜条件は、基板温度を室温、基板と蒸着源との距離を１００ｍｍ、成膜雰囲気を０．９ＰａのＡｒ雰囲気、投入電力を１５０Ｗとした。

上記Ｐｔ下部電極上に、エアロゾルデポジション法により、成膜温度６００℃の条件で１０．０μｍ厚のＰＺＴ圧電膜（Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３）を成膜し、成膜後に８００℃３時間の焼成を行った。

最後に、上記ＰＺＴ膜上に、下部電極と同じ条件で１００ｎｍ厚のＰｔ上部電極を成膜して、本発明の圧電素子を得た。

得られた素子の断面をＳＥＭにより観察したところ、ＴｉＯ_２膜は、基板面に対して斜め方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であった。柱状体の平均柱径は約１００ｎｍ、柱状体の成長方向は基板の法線方向から約２０°の角度方向であった。多数の柱状体の間に僅かではあるが空孔が観察され、その平均径は１０ｎｍ以下と推定された。Ｐｔ下部電極、ＰＺＴ膜、及びＰｔ上部電極はいずれも、空孔等のない緻密な非柱状構造膜であった。光学顕微鏡で観察したところ、素子にクラック等の発生はなかった。

（比較例２）
ＴｉＯ_２膜の成膜条件を変える以外は実施例２と同様にして、比較用の圧電素子を得た。比較例２では、Ｓｉ基板上に、スパッタ装置を用いて基板温度６００℃の条件でＴｉＯ_２を正面蒸着して、２００ｎｍ厚のＴｉＯ_２膜を成膜した。基板と蒸着源との距離、及び成膜雰囲気は、実施例２と同様とした。実施例２と同様にＳＥＭ観察を行ったところ、ＴｉＯ_２膜は空孔等のない緻密な等方性の多結晶膜（非柱状構造膜）であった。得られた圧電素子には肉眼でも分かるクラックが発生していた。

実施例２と比較例２との比較から、柱状構造膜のＴｉＯ_２膜が応力緩和層として良好に機能し、エアロゾルデポジション法により比較的厚いＰＺＴ圧電膜を成膜する場合にもクラックの発生を抑制できることが明らかとなった。

（実施例３）
Ｓｉ基板上に１０ｎｍ厚のＴｉ密着層を成膜した後、Ｐｔを斜方蒸着して、１００ｎｍ厚のＰｔ下部電極を成膜した。次いで、このＰｔ下部電極上に、エアロゾルデポジション法により、成膜温度６００℃の条件で１０．０μｍ厚のＰＺＴ圧電膜（Ｐｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３）を成膜し、成膜後に８００℃３時間の焼成を行った。最後に、上記ＰＺＴ膜上に、実施例２の上部電極と同じ条件で１００ｎｍ厚のＰｔ上部電極を成膜して、本発明の圧電素子を得た。

実施例２と同様にＳＥＭ観察を行ったところ、Ｐｔ下部電極は、基板面に対して斜め方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であった。柱状体の平均柱径は約１５０ｎｍ、柱状体の成長方向は基板の法線方向から約１５°の角度方向であった。多数の柱状体の間に僅かではあるが空孔が観察され、その平均径は１０ｎｍ以下と推定された。ＰＺＴ膜及びＰｔ上部電極は、空孔等のない緻密な非柱状構造膜であった。光学顕微鏡で観察したところ、素子にクラック等の発生はなかった。

本発明の積層素子は、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）、及び圧力センサ等に用いられる圧電素子等に好ましく適用できる。

（ａ）は本発明に係る圧電素子（積層素子）の第１実施形態及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造を示す要部断面図、（ｂ）は部分拡大断面図 （ａ）は本発明に係る圧電素子（積層素子）の第２実施形態及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造を示す要部断面図、（ｂ）は部分拡大断面図 図１のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図 図３のインクジェット式記録装置の部分上面図 実施例１と比較例１の評価方法を説明するための図

符号の説明

１、３ 圧電素子（積層素子）
２、４ インクジェット式記録ヘッド
１０ 基板
２０ 柱状構造膜（応力緩和層）
２１ 柱状体
２２ 空孔
３０ 下部電極
３１ 柱状構造膜（応力緩和層）からなる下部電極
３２ 柱状体
３３ 空孔
４０ 圧電膜（非柱状構造膜）
５０ 上部電極
７０ インクノズル（インク貯留吐出部材）
７１ インク室
７２ インク吐出口
１００ インクジェット式記録装置

Claims (15)

1. 基板上に、該基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜と、非柱状構造膜とが順次積層されてなり、
   前記柱状構造膜が、成膜中及び／又は成膜後の前記非柱状構造膜にかかる応力を緩和する応力緩和層であることを特徴とする積層素子。
2. 前記基板の構成材料の熱膨張係数と前記非柱状構造膜の構成材料の熱膨張係数との差が、４．０×１０^−６／℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の積層素子。
3. 基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子において、
   前記基板と前記圧電膜との間に、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を備えたことを特徴とする圧電素子。
4. 基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子において、
   前記下部電極が、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であることを特徴とする圧電素子。
5. 前記柱状構造膜が、成膜中及び／又は成膜後の前記圧電膜にかかる応力を緩和する応力緩和層であることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧電素子。
6. 前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体の平均柱径が２０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の圧電素子。
7. 前記柱状構造膜には、前記多数の柱状体の間に、該柱状体と略同方向に延びる空孔が形成されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の圧電素子。
8. 前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体は、前記基板面に対して斜め方向に延びていることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の圧電素子。
9. 前記柱状構造膜は、斜方蒸着法により成膜されたものであることを特徴とする請求項８に記載の圧電素子。
10. 前記柱状構造膜の厚みが０．１〜５．０μｍであることを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載の圧電素子。
11. 前記圧電膜の厚みが２．０〜３０．０μｍであることを特徴とする請求項３〜１０のいずれかに記載の圧電素子。
12. 前記圧電膜がエアロゾルデポジション法により成膜されたものであることを特徴とする請求項３〜１１のいずれかに記載の圧電素子。
13. 前記圧電膜が、下記一般式で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項３〜１２のいずれかに記載の圧電素子。
    一般式ＡＢＯ_３
    （式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
    Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｃｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，及びＹｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
    Ｏ：酸素原子）
14. 請求項３〜１３のいずれかに記載の圧電素子と、
    インクが貯留されるインク室及び該インク室から外部に前記インクが吐出されるインク吐出口を有するインク貯留吐出部材とを備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
15. 請求項１４に記載のインクジェット式記録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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