圧電素子、圧電素子を用いたポンプ、および圧電素子の製造方法
【課題】圧電部の組成がより安定した圧電素子およびその製造方法ならびに前記圧電素子を用いたポンプを提供する。
【解決手段】本発明の圧電素子は、圧電材料を備える圧電部６と、圧電部６の主面上に形成された下部電極５と、下部電極５上に形成されたバリア層４と、バリア層４上に形成された酸化層３とを備え、バリア層４は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなる。
【解決手段】本発明の圧電素子は、圧電材料を備える圧電部６と、圧電部６の主面上に形成された下部電極５と、下部電極５上に形成されたバリア層４と、バリア層４上に形成された酸化層３とを備え、バリア層４は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、圧電素子を用いたポンプ、および圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧の印加によって圧電効果により歪みを生じる素子であり、広い分野で利用されている。圧電素子は、例えば、基板と、第１電極と、圧電部と、第２電極とが順次に積層されて構成される。圧電部を構成する圧電材料は、例えば、優れた圧電特性を示す鉛系ペロブスカイト型化合物である。鉛系ペロブスカイト型化合物は、ジルコン酸チタン酸鉛が代表として挙げられる。またジルコン酸チタン酸鉛の鉛の位置（Ａサイト）をランタン、ネオジウムなどの３価の元素で一部置換したものや、ジルコン酸チタン酸鉛のジルコニウムやチタンの位置（Ｂサイト）をニオブやタンタルやタングステンなど５価や６価の元素で置換したもの、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３の固溶体（ＰＺＴ）系の材料や、いわゆるリラクサ材料として知られているＰｂ（Ｂ’ Ｂ’ ’）Ｏ３（ただし、Ｂ’は、マグネシウムや亜鉛等の陽イオンであり、Ｂ’ ’は、ニオブやタングステン等の５，６価の陽イオンである）で表される物質である。
【０００３】
従来、このような圧電素子において、圧電部を構成する圧電材料から基板へと元素が拡散し、圧電部を構成する圧電材料の組成が変化することで、圧電部の圧電特性にばらつきがみられるという問題が、知られている。そこで、この問題を解決するために、例えば、特許文献１および特許文献２の技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、基板と圧電体薄膜（圧電材料が成膜されたもの）との間にＺｒＯ２膜からなるバリア層を備える技術が開示されている。このバリア層によって、圧電体薄膜と基板との間のおける原子の相互拡散を抑制することができると記載されている。
【０００５】
特許文献２には、圧電体薄膜の製造過程において拡散しやすい元素がある場合に、その拡散しやすい元素（例えば、Ｍｇ）の組成比を製造後の圧電体薄膜における組成比より高く設定した原料を使用して圧電体薄膜を製造する技術が開示されている。このように、元素の拡散を見越して、原料において、拡散しやすい元素の組成比を、製造後の圧電体薄膜における組成比より高く設定することにより、熱処理などで原料から元素が拡散しても、ほぼ化学量論比通りの圧電体薄膜を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１０１５８号公報
【特許文献２】特開平１１−２９８０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、その［０００５］段落に開示されているように、鉛原子が圧電体薄膜から下部電極、バリア層、ないしは基板へ拡散するおそれがある。
【０００８】
特許文献２に記載の技術では、圧電体薄膜中の元素が拡散する量が一定ではないので、化学量論比通りの圧電体薄膜が得られないおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、圧電部の組成がより安定した圧電素子を提供することである。また、本発明の目的は、この圧電素子を用いたポンプおよびこの圧電素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係る圧電素子は、圧電材料を備える圧電部と、前記圧電部の主面上に形成された電極と、前記電極上に形成されたバリア層と、前記バリア層上に形成された酸化層とを備え、前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、バリア層にドープされた元素によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１２】
また、他の一態様では、上述の圧電素子において、前記バリア層は、好ましくは、チタン酸鉛である。
【００１３】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の圧電素子において、前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することによって形成されることを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、チタン酸鉛を直接生成するのではなく、チタン層と鉛または酸化鉛の層とを個別に形成した後に熱処理を行うことでチタン酸鉛のバリア層を形成するので、鉛のドープ量をコントロールしつつ比較的容易にチタン酸鉛の層を形成することが可能となる。そして、このように形成されたチタン酸鉛のバリア層を備えるので、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の圧電素子において、前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することによって形成されることを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１８】
そして、本発明の他の一態様にかかるポンプは、これら上述の圧電素子のいずれかを備えることを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、圧電素子間のバラツキが低減された所定の圧電特性を有する圧電素子を備えたポンプを得ることができる。したがって、ポンプ間のバラツキが低減され、ポンプの機能がより安定する。
【００２０】
そして、本発明の他の一態様にかかる圧電素子の製造方法は、圧電材料を備える圧電部の主面上に電極を形成する工程と、前記電極上にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に酸化層を形成する工程とを備え、前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなることを特徴とする。
【００２１】
このような構成によれば、バリア層にドープされた元素によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００２２】
また、他の一態様では、上述の圧電素子の製造方法において、前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成することを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００２４】
また、他の一態様では、上述の圧電素子の製造方法において、前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成することを特徴とする。
【００２５】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の圧電素子およびその製造方法は、圧電部の組成がより安定した素子を得ることができる。そして、このような圧電素子を用いた本発明のポンプは、素子間のバラツキの少ないこのような圧電素子を用いるので、ポンプ間のバラツキが低減され、ポンプの機能がより安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態に係るポンプの構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００２９】
図１は、実施の形態に係るポンプの構成を示す断面図である。図２は、実施の形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【００３０】
本実施の形態における圧電素子を用いたポンプ３０は、図１に示すように、電圧の印加によって圧電効果により変形する圧電素子１を含み、圧電素子１の変形に応じて流体を吐出可能なポンプヘッド２０を備えて構成される。本実施の形態では、ポンプ３０は、例えばインクジェット記録ヘッドである。
【００３１】
圧電素子１は、電圧の印加によって圧電効果により変形する素子であり、図２に示すように、平板状であって、圧電材料を備える圧電部６と、圧電部６の一方の主面上に形成された下部電極５と、下部電極５上に形成されたバリア層４と、バリア層４上に形成された酸化層３と、圧電部６の主面と反対の他方の主面上に形成された上部電極７とを備え、基板２上に形成されている。
【００３２】
基板２は、結晶シリコン基板などからなる平板板の部材である。
【００３３】
酸化層３は、本実施の形態においては石英（ＳｉＯ２）である。酸化層３の厚さは、例えば、１．０μｍ程度である。この他、酸化層３は、自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜であってもよい。なお、酸化層３は、例えば、５００ｎｍ〜３μｍ程度に形成される。
【００３４】
バリア層４は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなる。より具体的に、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素は、鉛、ランタン、マグネシウム、ニオブおよびタングステンである。バリア層４の厚さは、例えば、２０〜２５ｎｍ程度に形成されている。
【００３５】
さらに、バリア層４は、圧電体材料であることから、圧電部６の圧電特性を高める作用を有する。より具体的に、製造工程において圧電部６の配向性がより容易に制御可能となる。さらにより具体的には、バリア層４の膜厚としては、例えば１０ｎｍ〜１．０μｍ程度であるが、バリア層４は、バリア層４としての作用・効果を奏することができる厚さであれば特に限定されない。
【００３６】
このように、バリア層４が鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンであり、後述する圧電部６が鉛系ペロブスカイト型化合物からなるので、圧電部６から下部電極５への元素の拡散を低減することができる。さらに、このような圧電材料からなるバリア層４を備えることで、下部電極５と圧電部６との密着力がＳｉＯ２を直接付ける場合よりも高く、下部電極５の結晶の配向性も向上する。下部電極５の配向性が良いと圧電部６の結晶配向性も向上することから、圧電定数のより高い圧電素子を得ることができる。
【００３７】
下部電極５は、圧電部６に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極５は、例えば、白金（Ｐｔ）や、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）や、チタン（Ｔｉ）などである。下部電極５の厚さは、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度に形成されている。
【００３８】
圧電部６は、鉛系ペロブスカイト型化合物である。ここで、鉛系ペロブスカイト型化合物とは、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛の鉛の位置（Ａサイト）をランタン、ネオジウムなど３価の元素で一部置換したものや、ジルコン酸チタン酸鉛のジルコニウムやチタンの位置（Ｂサイト）をニオブやタンタルやタングステンなど５価や６価の元素で置換したもの、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３の固溶体（ＰＺＴ）系の材料や、いわゆるリラクサ材料として知られているＰｂ（Ｂ’ Ｂ’ ’）Ｏ３（ただし、Ｂ’はマグネシウムや亜鉛等の陽イオン、Ｂ’ ’はニオブやタングステン等の５，６価の陽イオンである。）で表される物質である。圧電部６の厚さは、５００ｎｍ〜１０μｍ程度に形成される。
【００３９】
上部電極７は、圧電部６に電圧を印加するための他方の電極となるものである。上部電極７は、例えば、白金（Ｐｔ）や、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）や、チタン（Ｔｉ）等である。上部電極７の厚さは、１００ｎｍ程度に形成される。
【００４０】
上述のように圧電素子１を構成することで、バリア層にドープされた元素によって、圧電部６から下部電極５方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部６の組成がより安定する。したがって、圧電素子１間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子１をより安定的に得ることができる。
【００４１】
ポンプ３０は、例えば、中空の略直方体形状のポンプヘッド２０を備えて構成されている。前記中空部分は、流体を貯留するためのキャビティ２２２である。前記ポンプヘッド２０の一方面を成している上面部材は、前記圧電素子１で構成されている。前記ポンプヘッド２０の前記一方面に対向する他方面を成している底面部材は、平板状のノズル板２１で構成されており、ノズル板２１には、該ノズル板２１を貫通する貫通孔であるノズル口２１１が形成されている。前記ポンプヘッド２０における前記一方面と前記他方面とに挟まれている側面（周面）を成している側面部材には、ポンプヘッド２０のキャビティ２２２（前記中空部分）に流体を供給するための図略の流体供給孔が形成されている。
【００４２】
このような構成のポンプヘッド２０では、図２に示す基板２上に積層された圧電素子１において、前記基板２に例えばエッチングなどで酸化層３まで達する凹部２Ａが形成される。また、例えばシリコンなどから成るノズル板２１が積層されたインク室基板２２が用意され、前記インク室基板２２に例えばエッチングなどでノズル板２１まで達する凹部２２Ａが形成される。そして、これら凹部２Ａと凹部２２Ａとが合わさってキャビティ２２２を形成するように、基板２とインク室基板２２とが接合される。これによって、図１に示す構成のポンプが作成される。なお、凹部２Ａを形成している基板２および凹部２２Ａを形成しているインク室基板２２が前記側面部材となっている。キャビティ２２２は、吐出する流体を貯蔵する空間であり、圧電素子１の変形によって容積が可変に構成される。例えば、圧電素子１は、電圧の印可によって、キャビティ２２２内へ凸形状または凹形状に変形し、これによってキャビティ２２２の容積が可変される。
【００４３】
なお、上記実施の形態において、ポンプ３０は、インクジェット記録ヘッドであるとしたが、液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を燃料電池へ供給するようなポンプなどにも好適に使用することができる。
【００４４】
次に、図２に示すような圧電素子１の製造方法について説明する。本実施の形態における圧電素子１の製造方法は、基板２上に酸化層３を形成する工程と、酸化層３上にスパッタによってバリア層４の材料からなる前駆バリア層４Ａを形成する工程と、バリア層４を形成する工程と、下部電極５を形成する工程と、圧電部６を形成する工程と、上部電極７を形成する工程とを備える。なお、以下の製造工程において、基板２は、厚さ２００μｍのシリコン基板である。
【００４５】
酸化層３形成工程：
基板２上に熱酸化やＣＶＤ法などの成膜法を用いて、酸化層３を形成する。酸化層３は、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２である。
【００４６】
バリア層４形成工程：
次に、酸化層３が形成された基板２を常温（２０℃）まで冷却した後、酸化層３上に、バリア層４の材料を成膜し前駆バリア層４Ａを形成し、焼成など熱処理を行って、バリア層４を形成する。
【００４７】
バリア層４の材料は、酸化層３上に、スパッタ法を用いて、チタン膜を形成し、さらに、スパッタ法を用いて、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つの元素からなる膜を形成することで、成膜される。鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つは、鉛、酸化鉛、ランタン、マグネシウム、ニオブ、タングステンのいずれかである。チタン膜は、厚さ２０ｎｍであり、鉛膜、酸化鉛膜、ランタン膜、マグネシウム膜、ニオブ膜、タングステン膜は厚さ１〜５ｎｍである。
【００４８】
前駆バリア層４Ａの形成後、焼成などの熱処理を行って、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなるバリア層４を形成する。熱処理は、焼成温度７００℃で２４時間以上焼成する。焼成には、拡散炉を用いる。
【００４９】
下部電極５形成工程：
次に、バリア層４上に下部電極５を形成する。下部電極５の形成には、スパッタ法が用いられる。下部電極５は、厚さ１００ｎｍの白金である。例えば、チタン層、酸化チタン層、チタン層、白金層、チタン層を０．０１μｍ、０．０１μｍ、０．００５μｍ，０．５μｍ、０．００５μｍの厚みで積層する。
【００５０】
圧電部６形成工程：
次に、下部電極５の上に圧電部６を形成する。具体的に、下部電極５の上に、高温下（６００℃程度）で、スパッタ法を用いて圧電部６を形成する。圧電部６の厚さは、５μｍである。スパッタ法のターゲットは、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７になるように調整されたＰＺＴである。
【００５１】
この他、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、鉛とランタンとが成膜後のモル比において１００対１であるように調整された（Ｐｂ０．９９Ｌａ０．０１）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３を用いても良い。
【００５２】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、チタンとマグネシウムとが成膜後のモル比において４６対１になるよう調整されたＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４６Ｍｇ０．０１）Ｏ３を用いてもよい。
【００５３】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、成膜後にマグネシウムとニオブとが成膜後のモル比においてが１対２になるよう調整されたＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を用いてもよい。
【００５４】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、Ｐｂ［（Ｚｒ０．２Ｔｉ０．３（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．３（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３）０．１（Ｍｇ１／３Ｗ２／３）０．１］Ｏ３を用いてもよい。
【００５５】
上部電極７形成工程：
次に、圧電部６の上に、上部電極７を形成する。上部電極７は、チタン、金をそれぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍの厚みで積層する。この積層には、スパッタ法もしくは蒸着法が用いられる。
【００５６】
このようにして得られた圧電素子１における、バリア層４を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で測定したところ、バリア層４の酸化層３側から下部電極５に向かって、鉛の含有量が増加していることが確認された。
【００５７】
この他の実施の形態として、下部電極５の形成工程後に、バリア層４を形成してもよい。すなわち、バリア層４の材料の成膜後、成膜したバリア層４の上に下部電極５を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成してもよい。
【実施例】
【００５８】
発明者は、バリア層４の形成工程の条件を変えて、上記実施の形態により製造した圧電素子１の特性を、バリア層が酸化チタンである圧電素子（比較例）の特性と比較した。以下の実施例１〜３の試験結果について説明する。
【００５９】
なお、いずれの実施例１〜３および比較例においても、圧電部６の形成工程で用いられるスパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７になるように調整されたＰＺＴを用いた。
【００６０】
圧電定数ｄ３１は、セラミックス第４２巻第３号２００７年１８４頁記載の方法に従って測定した。
【００６１】
＜実施例１＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成し、熱処理後、バリア層４を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６２】
＜実施例２＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理後、バリア層４を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６３】
＜実施例３＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成する。続いて、下部電極５の形成工程に進み、下部電極５の形成後、熱処理を行い、バリア層４を形成する。
【００６４】
＜比較例＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成し、熱処理後、酸化チタンからなるバリア層を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６５】
【表１】
表１に示されるように、実施例１〜３ではいずれもｄ３１は、絶対値で１４２ｐｍ／Ｖ前後であり、本実施の形態におけるバリア層４の存在によって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減されることを示している。
【００６６】
さらに、実施例１〜３ではいずれもｄ３１は、絶対値で１４０ｐｍ／Ｖ以上という高い圧電特性を示した。さらに、比較例と比べて、実施例１〜３ではいずれも比誘電率は、１０２６以上という高い圧電特性を示した。
【００６７】
発明者は、バリア層４の形成工程と圧電部６の形成工程との条件を変えて、上記実施の形態により製造した圧電素子１の特性を試験した。各実施例４〜７と対応する比較例は、バリア層が酸化チタンである圧電素子であり、各比較例の圧電部６の形成工程での条件は、対応する各実施例と同様である。以下の実施例４〜７の試験結果について説明する。
【００６８】
＜実施例４＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、鉛、ランタンをそれぞれ厚さ１ｎｍ形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、鉛とランタンとが成膜後のモル比において１００対１であるように調整された（Ｐｂ０．９９Ｌａ０．０１）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３を用いる。
【００６９】
＜実施例５＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、チタンとマグネシウムとが成膜後のモル比において４６対１になるよう調整されたＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４６Ｍｇ０．０１）Ｏ３を用いる。
【００７０】
＜実施例６＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、成膜後にマグネシウムとニオブとが成膜後のモル比においてが１対２になるよう調整されたＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を用いる。
【００７１】
＜実施例７＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、Ｐｂ［（Ｚｒ０．２Ｔｉ０．３（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．３（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３）０．１（Ｍｇ１／３Ｗ２／３）０．１］Ｏ３を用いる。
【００７２】
【表２】
表２に示されるように、バリア層４を有する各実施例４〜７では、それぞれ対応する比較例に比べて、いずれもｄ３１が１．３〜１．５倍に高くなり、圧電定数の向上を示している。
【００７３】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００７４】
１ 圧電素子
２ 基板
３ 酸化層
４ バリア層
５ 下部電極
６ 圧電部
７ 上部電極
２０ ポンプヘッド
２１ ノズル板
２２ インク室基板
２１１ ノズル口
２２２ キャビティ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、圧電素子を用いたポンプ、および圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧の印加によって圧電効果により歪みを生じる素子であり、広い分野で利用されている。圧電素子は、例えば、基板と、第１電極と、圧電部と、第２電極とが順次に積層されて構成される。圧電部を構成する圧電材料は、例えば、優れた圧電特性を示す鉛系ペロブスカイト型化合物である。鉛系ペロブスカイト型化合物は、ジルコン酸チタン酸鉛が代表として挙げられる。またジルコン酸チタン酸鉛の鉛の位置（Ａサイト）をランタン、ネオジウムなどの３価の元素で一部置換したものや、ジルコン酸チタン酸鉛のジルコニウムやチタンの位置（Ｂサイト）をニオブやタンタルやタングステンなど５価や６価の元素で置換したもの、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３の固溶体（ＰＺＴ）系の材料や、いわゆるリラクサ材料として知られているＰｂ（Ｂ’ Ｂ’ ’）Ｏ３（ただし、Ｂ’は、マグネシウムや亜鉛等の陽イオンであり、Ｂ’ ’は、ニオブやタングステン等の５，６価の陽イオンである）で表される物質である。
【０００３】
従来、このような圧電素子において、圧電部を構成する圧電材料から基板へと元素が拡散し、圧電部を構成する圧電材料の組成が変化することで、圧電部の圧電特性にばらつきがみられるという問題が、知られている。そこで、この問題を解決するために、例えば、特許文献１および特許文献２の技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、基板と圧電体薄膜（圧電材料が成膜されたもの）との間にＺｒＯ２膜からなるバリア層を備える技術が開示されている。このバリア層によって、圧電体薄膜と基板との間のおける原子の相互拡散を抑制することができると記載されている。
【０００５】
特許文献２には、圧電体薄膜の製造過程において拡散しやすい元素がある場合に、その拡散しやすい元素（例えば、Ｍｇ）の組成比を製造後の圧電体薄膜における組成比より高く設定した原料を使用して圧電体薄膜を製造する技術が開示されている。このように、元素の拡散を見越して、原料において、拡散しやすい元素の組成比を、製造後の圧電体薄膜における組成比より高く設定することにより、熱処理などで原料から元素が拡散しても、ほぼ化学量論比通りの圧電体薄膜を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１０１５８号公報
【特許文献２】特開平１１−２９８０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、その［０００５］段落に開示されているように、鉛原子が圧電体薄膜から下部電極、バリア層、ないしは基板へ拡散するおそれがある。
【０００８】
特許文献２に記載の技術では、圧電体薄膜中の元素が拡散する量が一定ではないので、化学量論比通りの圧電体薄膜が得られないおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、圧電部の組成がより安定した圧電素子を提供することである。また、本発明の目的は、この圧電素子を用いたポンプおよびこの圧電素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係る圧電素子は、圧電材料を備える圧電部と、前記圧電部の主面上に形成された電極と、前記電極上に形成されたバリア層と、前記バリア層上に形成された酸化層とを備え、前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、バリア層にドープされた元素によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１２】
また、他の一態様では、上述の圧電素子において、前記バリア層は、好ましくは、チタン酸鉛である。
【００１３】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の圧電素子において、前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することによって形成されることを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、チタン酸鉛を直接生成するのではなく、チタン層と鉛または酸化鉛の層とを個別に形成した後に熱処理を行うことでチタン酸鉛のバリア層を形成するので、鉛のドープ量をコントロールしつつ比較的容易にチタン酸鉛の層を形成することが可能となる。そして、このように形成されたチタン酸鉛のバリア層を備えるので、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の圧電素子において、前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することによって形成されることを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００１８】
そして、本発明の他の一態様にかかるポンプは、これら上述の圧電素子のいずれかを備えることを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、圧電素子間のバラツキが低減された所定の圧電特性を有する圧電素子を備えたポンプを得ることができる。したがって、ポンプ間のバラツキが低減され、ポンプの機能がより安定する。
【００２０】
そして、本発明の他の一態様にかかる圧電素子の製造方法は、圧電材料を備える圧電部の主面上に電極を形成する工程と、前記電極上にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に酸化層を形成する工程とを備え、前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなることを特徴とする。
【００２１】
このような構成によれば、バリア層にドープされた元素によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００２２】
また、他の一態様では、上述の圧電素子の製造方法において、前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成することを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【００２４】
また、他の一態様では、上述の圧電素子の製造方法において、前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成することを特徴とする。
【００２５】
このような構成によれば、バリア層にドープされた鉛によって、圧電部から第１電極方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部の組成がより安定する。したがって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子をより安定的に得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の圧電素子およびその製造方法は、圧電部の組成がより安定した素子を得ることができる。そして、このような圧電素子を用いた本発明のポンプは、素子間のバラツキの少ないこのような圧電素子を用いるので、ポンプ間のバラツキが低減され、ポンプの機能がより安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態に係るポンプの構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００２９】
図１は、実施の形態に係るポンプの構成を示す断面図である。図２は、実施の形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。
【００３０】
本実施の形態における圧電素子を用いたポンプ３０は、図１に示すように、電圧の印加によって圧電効果により変形する圧電素子１を含み、圧電素子１の変形に応じて流体を吐出可能なポンプヘッド２０を備えて構成される。本実施の形態では、ポンプ３０は、例えばインクジェット記録ヘッドである。
【００３１】
圧電素子１は、電圧の印加によって圧電効果により変形する素子であり、図２に示すように、平板状であって、圧電材料を備える圧電部６と、圧電部６の一方の主面上に形成された下部電極５と、下部電極５上に形成されたバリア層４と、バリア層４上に形成された酸化層３と、圧電部６の主面と反対の他方の主面上に形成された上部電極７とを備え、基板２上に形成されている。
【００３２】
基板２は、結晶シリコン基板などからなる平板板の部材である。
【００３３】
酸化層３は、本実施の形態においては石英（ＳｉＯ２）である。酸化層３の厚さは、例えば、１．０μｍ程度である。この他、酸化層３は、自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜であってもよい。なお、酸化層３は、例えば、５００ｎｍ〜３μｍ程度に形成される。
【００３４】
バリア層４は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなる。より具体的に、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素は、鉛、ランタン、マグネシウム、ニオブおよびタングステンである。バリア層４の厚さは、例えば、２０〜２５ｎｍ程度に形成されている。
【００３５】
さらに、バリア層４は、圧電体材料であることから、圧電部６の圧電特性を高める作用を有する。より具体的に、製造工程において圧電部６の配向性がより容易に制御可能となる。さらにより具体的には、バリア層４の膜厚としては、例えば１０ｎｍ〜１．０μｍ程度であるが、バリア層４は、バリア層４としての作用・効果を奏することができる厚さであれば特に限定されない。
【００３６】
このように、バリア層４が鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンであり、後述する圧電部６が鉛系ペロブスカイト型化合物からなるので、圧電部６から下部電極５への元素の拡散を低減することができる。さらに、このような圧電材料からなるバリア層４を備えることで、下部電極５と圧電部６との密着力がＳｉＯ２を直接付ける場合よりも高く、下部電極５の結晶の配向性も向上する。下部電極５の配向性が良いと圧電部６の結晶配向性も向上することから、圧電定数のより高い圧電素子を得ることができる。
【００３７】
下部電極５は、圧電部６に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極５は、例えば、白金（Ｐｔ）や、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）や、チタン（Ｔｉ）などである。下部電極５の厚さは、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度に形成されている。
【００３８】
圧電部６は、鉛系ペロブスカイト型化合物である。ここで、鉛系ペロブスカイト型化合物とは、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛の鉛の位置（Ａサイト）をランタン、ネオジウムなど３価の元素で一部置換したものや、ジルコン酸チタン酸鉛のジルコニウムやチタンの位置（Ｂサイト）をニオブやタンタルやタングステンなど５価や６価の元素で置換したもの、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３の固溶体（ＰＺＴ）系の材料や、いわゆるリラクサ材料として知られているＰｂ（Ｂ’ Ｂ’ ’）Ｏ３（ただし、Ｂ’はマグネシウムや亜鉛等の陽イオン、Ｂ’ ’はニオブやタングステン等の５，６価の陽イオンである。）で表される物質である。圧電部６の厚さは、５００ｎｍ〜１０μｍ程度に形成される。
【００３９】
上部電極７は、圧電部６に電圧を印加するための他方の電極となるものである。上部電極７は、例えば、白金（Ｐｔ）や、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）や、チタン（Ｔｉ）等である。上部電極７の厚さは、１００ｎｍ程度に形成される。
【００４０】
上述のように圧電素子１を構成することで、バリア層にドープされた元素によって、圧電部６から下部電極５方向への元素の拡散が防止されるので、圧電部６の組成がより安定する。したがって、圧電素子１間の圧電特性のバラツキが低減され、所定の圧電特性を有する圧電素子１をより安定的に得ることができる。
【００４１】
ポンプ３０は、例えば、中空の略直方体形状のポンプヘッド２０を備えて構成されている。前記中空部分は、流体を貯留するためのキャビティ２２２である。前記ポンプヘッド２０の一方面を成している上面部材は、前記圧電素子１で構成されている。前記ポンプヘッド２０の前記一方面に対向する他方面を成している底面部材は、平板状のノズル板２１で構成されており、ノズル板２１には、該ノズル板２１を貫通する貫通孔であるノズル口２１１が形成されている。前記ポンプヘッド２０における前記一方面と前記他方面とに挟まれている側面（周面）を成している側面部材には、ポンプヘッド２０のキャビティ２２２（前記中空部分）に流体を供給するための図略の流体供給孔が形成されている。
【００４２】
このような構成のポンプヘッド２０では、図２に示す基板２上に積層された圧電素子１において、前記基板２に例えばエッチングなどで酸化層３まで達する凹部２Ａが形成される。また、例えばシリコンなどから成るノズル板２１が積層されたインク室基板２２が用意され、前記インク室基板２２に例えばエッチングなどでノズル板２１まで達する凹部２２Ａが形成される。そして、これら凹部２Ａと凹部２２Ａとが合わさってキャビティ２２２を形成するように、基板２とインク室基板２２とが接合される。これによって、図１に示す構成のポンプが作成される。なお、凹部２Ａを形成している基板２および凹部２２Ａを形成しているインク室基板２２が前記側面部材となっている。キャビティ２２２は、吐出する流体を貯蔵する空間であり、圧電素子１の変形によって容積が可変に構成される。例えば、圧電素子１は、電圧の印可によって、キャビティ２２２内へ凸形状または凹形状に変形し、これによってキャビティ２２２の容積が可変される。
【００４３】
なお、上記実施の形態において、ポンプ３０は、インクジェット記録ヘッドであるとしたが、液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を燃料電池へ供給するようなポンプなどにも好適に使用することができる。
【００４４】
次に、図２に示すような圧電素子１の製造方法について説明する。本実施の形態における圧電素子１の製造方法は、基板２上に酸化層３を形成する工程と、酸化層３上にスパッタによってバリア層４の材料からなる前駆バリア層４Ａを形成する工程と、バリア層４を形成する工程と、下部電極５を形成する工程と、圧電部６を形成する工程と、上部電極７を形成する工程とを備える。なお、以下の製造工程において、基板２は、厚さ２００μｍのシリコン基板である。
【００４５】
酸化層３形成工程：
基板２上に熱酸化やＣＶＤ法などの成膜法を用いて、酸化層３を形成する。酸化層３は、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２である。
【００４６】
バリア層４形成工程：
次に、酸化層３が形成された基板２を常温（２０℃）まで冷却した後、酸化層３上に、バリア層４の材料を成膜し前駆バリア層４Ａを形成し、焼成など熱処理を行って、バリア層４を形成する。
【００４７】
バリア層４の材料は、酸化層３上に、スパッタ法を用いて、チタン膜を形成し、さらに、スパッタ法を用いて、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つの元素からなる膜を形成することで、成膜される。鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つは、鉛、酸化鉛、ランタン、マグネシウム、ニオブ、タングステンのいずれかである。チタン膜は、厚さ２０ｎｍであり、鉛膜、酸化鉛膜、ランタン膜、マグネシウム膜、ニオブ膜、タングステン膜は厚さ１〜５ｎｍである。
【００４８】
前駆バリア層４Ａの形成後、焼成などの熱処理を行って、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなるバリア層４を形成する。熱処理は、焼成温度７００℃で２４時間以上焼成する。焼成には、拡散炉を用いる。
【００４９】
下部電極５形成工程：
次に、バリア層４上に下部電極５を形成する。下部電極５の形成には、スパッタ法が用いられる。下部電極５は、厚さ１００ｎｍの白金である。例えば、チタン層、酸化チタン層、チタン層、白金層、チタン層を０．０１μｍ、０．０１μｍ、０．００５μｍ，０．５μｍ、０．００５μｍの厚みで積層する。
【００５０】
圧電部６形成工程：
次に、下部電極５の上に圧電部６を形成する。具体的に、下部電極５の上に、高温下（６００℃程度）で、スパッタ法を用いて圧電部６を形成する。圧電部６の厚さは、５μｍである。スパッタ法のターゲットは、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７になるように調整されたＰＺＴである。
【００５１】
この他、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、鉛とランタンとが成膜後のモル比において１００対１であるように調整された（Ｐｂ０．９９Ｌａ０．０１）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３を用いても良い。
【００５２】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、チタンとマグネシウムとが成膜後のモル比において４６対１になるよう調整されたＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４６Ｍｇ０．０１）Ｏ３を用いてもよい。
【００５３】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、成膜後にマグネシウムとニオブとが成膜後のモル比においてが１対２になるよう調整されたＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を用いてもよい。
【００５４】
さらに、上記に代えて、スパッタ法のターゲットとして、Ｐｂ［（Ｚｒ０．２Ｔｉ０．３（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．３（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３）０．１（Ｍｇ１／３Ｗ２／３）０．１］Ｏ３を用いてもよい。
【００５５】
上部電極７形成工程：
次に、圧電部６の上に、上部電極７を形成する。上部電極７は、チタン、金をそれぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍの厚みで積層する。この積層には、スパッタ法もしくは蒸着法が用いられる。
【００５６】
このようにして得られた圧電素子１における、バリア層４を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で測定したところ、バリア層４の酸化層３側から下部電極５に向かって、鉛の含有量が増加していることが確認された。
【００５７】
この他の実施の形態として、下部電極５の形成工程後に、バリア層４を形成してもよい。すなわち、バリア層４の材料の成膜後、成膜したバリア層４の上に下部電極５を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成してもよい。
【実施例】
【００５８】
発明者は、バリア層４の形成工程の条件を変えて、上記実施の形態により製造した圧電素子１の特性を、バリア層が酸化チタンである圧電素子（比較例）の特性と比較した。以下の実施例１〜３の試験結果について説明する。
【００５９】
なお、いずれの実施例１〜３および比較例においても、圧電部６の形成工程で用いられるスパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７になるように調整されたＰＺＴを用いた。
【００６０】
圧電定数ｄ３１は、セラミックス第４２巻第３号２００７年１８４頁記載の方法に従って測定した。
【００６１】
＜実施例１＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成し、熱処理後、バリア層４を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６２】
＜実施例２＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理後、バリア層４を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６３】
＜実施例３＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成する。続いて、下部電極５の形成工程に進み、下部電極５の形成後、熱処理を行い、バリア層４を形成する。
【００６４】
＜比較例＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成し、熱処理後、酸化チタンからなるバリア層を形成する。その後、下部電極５の形成工程に進む。
【００６５】
【表１】
表１に示されるように、実施例１〜３ではいずれもｄ３１は、絶対値で１４２ｐｍ／Ｖ前後であり、本実施の形態におけるバリア層４の存在によって、圧電素子間の圧電特性のバラツキが低減されることを示している。
【００６６】
さらに、実施例１〜３ではいずれもｄ３１は、絶対値で１４０ｐｍ／Ｖ以上という高い圧電特性を示した。さらに、比較例と比べて、実施例１〜３ではいずれも比誘電率は、１０２６以上という高い圧電特性を示した。
【００６７】
発明者は、バリア層４の形成工程と圧電部６の形成工程との条件を変えて、上記実施の形態により製造した圧電素子１の特性を試験した。各実施例４〜７と対応する比較例は、バリア層が酸化チタンである圧電素子であり、各比較例の圧電部６の形成工程での条件は、対応する各実施例と同様である。以下の実施例４〜７の試験結果について説明する。
【００６８】
＜実施例４＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、鉛、ランタンをそれぞれ厚さ１ｎｍ形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、鉛とランタンとが成膜後のモル比において１００対１であるように調整された（Ｐｂ０．９９Ｌａ０．０１）（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３を用いる。
【００６９】
＜実施例５＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、ジルコニウムとチタンとが成膜後のモル比において５３対４７で、かつ、チタンとマグネシウムとが成膜後のモル比において４６対１になるよう調整されたＰｂ（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４６Ｍｇ０．０１）Ｏ３を用いる。
【００７０】
＜実施例６＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ３ｎｍの酸化鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、成膜後にマグネシウムとニオブとが成膜後のモル比においてが１対２になるよう調整されたＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を用いる。
【００７１】
＜実施例７＞
バリア層４の形成工程において、酸化層３上に、厚さ２０ｎｍのチタンを形成後、厚さ１ｎｍの鉛を形成し、熱処理を行って、バリア層４を形成する。圧電部６の形成工程において、スパッタ法のターゲットとして、Ｐｂ［（Ｚｒ０．２Ｔｉ０．３（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．３（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３）０．１（Ｍｇ１／３Ｗ２／３）０．１］Ｏ３を用いる。
【００７２】
【表２】
表２に示されるように、バリア層４を有する各実施例４〜７では、それぞれ対応する比較例に比べて、いずれもｄ３１が１．３〜１．５倍に高くなり、圧電定数の向上を示している。
【００７３】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００７４】
１ 圧電素子
２ 基板
３ 酸化層
４ バリア層
５ 下部電極
６ 圧電部
７ 上部電極
２０ ポンプヘッド
２１ ノズル板
２２ インク室基板
２１１ ノズル口
２２２ キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を備える圧電部と、
前記圧電部の主面上に形成された電極と、
前記電極上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された酸化層とを備え、
前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなること
を特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記バリア層は、チタン酸鉛であること
を特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することによって形成されること
を特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することによって形成されること
を特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を備えたポンプ。
【請求項６】
圧電材料を備える圧電部の面上に電極を形成する工程と、
前記電極上にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に酸化層を形成する工程とを備え、
前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなること
を特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成すること
を特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成すること
を特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１】
圧電材料を備える圧電部と、
前記圧電部の主面上に形成された電極と、
前記電極上に形成されたバリア層と、
前記バリア層上に形成された酸化層とを備え、
前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなること
を特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記バリア層は、チタン酸鉛であること
を特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することによって形成されること
を特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記チタン酸鉛は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することによって形成されること
を特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を備えたポンプ。
【請求項６】
圧電材料を備える圧電部の面上に電極を形成する工程と、
前記電極上にバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に酸化層を形成する工程とを備え、
前記バリア層は、鉛系ペロブスカイト型化合物に含まれる元素のうち、チタンと酸素を除く元素の少なくとも１つがドープされた酸化チタンからなること
を特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成すること
を特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
前記バリア層を形成する工程は、前記酸化膜上にチタン層を形成し、前記チタン層上に鉛または酸化鉛を形成し、前記鉛または前記酸化鉛の上に電極を形成した後、熱処理することで、チタン酸鉛からなる前記バリア層を形成すること
を特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１１９６０８（Ｐ２０１１−１１９６０８Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７７８３６（Ｐ２００９−２７７８３６）
【出願日】平成２１年１２月７日（２００９．１２．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月７日（２００９．１２．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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