JP2014072511A - 積層体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体層を備えた圧電／電歪膜型素子であって、圧電体層内を流れるリーク電流の発生」、並びに「圧電体層の側面からの脱粒の発生」を共に抑制すること。
【解決手段】この圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上に順に積層された下部電極２０、圧電体層３０、及び上部電極４０を備える。圧電体層３０を構成する圧電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５〜１０μｍの範囲内にあり、圧電体層３０の断面形状が、「高さが０．５〜１５μｍの範囲内にあり、且つ、底辺の端点にある角の大きさθが８５〜１０５°の範囲内の四角形（略長方形）」である。圧電体層３０の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠）で、０．０５ｄ〜０．５ｄμｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、支持体の上に設けられた「下部電極、誘電体層、及び上部電極を含む積層体」に関し、特に、誘電体層が圧電体層であって圧電／電歪膜型素子として機能するものに係る。

従来より、支持体の上に設けられた平板状の下部電極と、前記下部電極の上に設けられた焼成体である圧電体層と、前記圧電体層の上に前記下部電極と平行に向かい合うように設けられた平板状の上部電極と、を備えた積層体である圧電／電歪膜型素子が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような圧電／電歪膜型素子は、例えば、インクジェットプリンタのインクジェットヘッド（支持体内部の圧力室内に貯留された液体を微粒子化して吐出する部分）の駆動源として広く使用されている。

上記文献には、図８等において、圧電体層の厚さ方向の断面形状を「下部電極との界面に対応する下底が上部電極との界面に対応する上底より長い台形」とする技術が開示されている。これにより、以下の作用・効果があると記載されている。即ち、このように、圧電体層の断面形状が「下部電極側に拡がる台形」である場合、圧電体層の側面が下部電極の上面に対して裾が拡がるように傾斜していること等によって、「圧電体層の側面における下部電極に接触する周縁部」にて応力が集中し難くなる。この結果、圧電体層の前記周縁部が下部電極から剥離する事態が発生し難くなり、前記剥離に起因する圧電／電歪膜型素子の駆動効率の低下の発生が抑制され得る。

特開２０１０−２１９１５３号公報

ところで、上述のように、圧電体層の断面形状が「下部電極側に拡がる台形」である場合、（上方からみた場合において）下部電極の面積に対する上部電極の面積の割合が小さくなる。この結果、（上方からみた場合において）「下部電極の面積」に対する「圧電体層における上下電極間に挟まれる部分（即ち、駆動に係る部分）の面積」の割合が小さくなる。このことは、圧電/電歪膜型素子の駆動効率の低下に繋がる。

この問題に対処するため、圧電体層の断面形状を、「台形」に代えて、「長方形」（或いは、長方形に近い形状、以下、「略長方形」と呼ぶ）、即ち、圧電体層の側面が下部電極の上面から上方に向けて（略）垂直に延びる形状、とすることが考えられる。これにより、（上方からみた場合において）「下部電極の面積に対する、上部電極の面積の割合」、従って、「下部電極の面積に対する、圧電体層における上下電極間に挟まれる部分（即ち、駆動に係る部分）の面積の割合」を大きくすることができ、圧電/電歪膜型素子の駆動効率を高めることができる。

しかしながら、上記のように、圧電体層の断面形状が「長方形」である場合、同断面形状が「台形」である場合と比べて、圧電体層の側面における上下端間の距離（従って、上下電極の向かい合う端部間の距離）が小さくなる。この結果、上部・下部電極間への電圧印加時にて、圧電体層内を流れるリーク電流が発生し易くなる。前記リーク電流が多いと、圧電／電歪膜型素子の駆動効率が低下するなどの問題が発生し得る。

本発明者は、上述の圧電/電歪膜型素子のような積層体に含まれる焼成体の誘電体層（圧電体層）として、「誘電体層の厚さ方向の断面の形状の輪郭を近似した仮想線で表される形状が、高さが０．５μｍ以上１５μｍ以下であり且つ底辺の端点にある角の大きさが８５°以上１０５°以下の四角形」（換言すれば、誘電体層の断面形状が、高さが０．５μｍ以上１５μｍ以下である略長方形）であり、且つ、「誘電体層を構成する誘電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５μｍ以上１０μｍ以下」であるもの、を想定している。

ここで、好ましくは、前記四角形における底辺の長さが３０μｍ以上５００μｍ以下である。前記四角形は、長方形、正方形、台形、或いは、平行四辺形であってもよい。また、この積層体（圧電/電歪膜型素子）を上方からみた形状が長手方向を有する場合、前記誘電体層の断面形状は、「前記誘電体層の厚さ方向」且つ「前記長手方向に垂直な方向」の断面形状である。

本発明者は、上記のように想定される誘電体層を備えた積層体において、前記リーク電流の大きさが、誘電体層の側面の表面粗さと密接に関係していることを見出した。具体的には、本発明者は、誘電体層の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで０．０５ｄμｍ以上である場合、そうでない場合と比べて、前記リーク電流が格段に小さいことを見出した（詳細は後述する）。

加えて、本発明者は、誘電体層の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで０．５ｄμｍ以下である場合、そうでない場合と比べて、上部・下部電極間への電圧印加時（特に、長時間に亘る電圧印加時）における誘電体層の側面からの「脱粒」（前記側面を形成する粒子が前記側面から離脱する現象）が格段に発生し難いことも見出した（詳細は後述する）。

以上の知見に基づき、本発明に係る積層体の特徴は、前記誘電体層の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで、０．０５ｄμｍ以上０．５ｄμｍ以下であること、にある。これによれば、上部・下部電極間への電圧印加時における「誘電体層内を流れるリーク電流の発生」、並びに「誘電体層の側面からの「脱粒」の発生」を共に抑制することができる。

上記本発明に係る積層体において、前記誘電体層が、圧電材料の粒子からなる焼成体である圧電体層であり、従って、積層体が圧電／電歪膜型素子として機能する場合、前記圧電体層の断面形状における底辺の端点にある角の大きさが９０°以上１０５°以下であることが好適である。

誘電体層が圧電体層である場合（従って、積層体が圧電/電歪膜型素子である場合）、上部・下部電極間に所定のパターンで電圧を印加すると、圧電体層が駆動され、その結果、圧電/電歪膜型素子の（上方からみて）中央部が、（上方からみて）周縁部に対して上下方向に変位する。本発明者は、前記「角の大きさ」が９０°以上１０５°以下である場合、８５°以上９０°未満である場合と比べて、圧電/電歪膜型素子の前記変位の大きさ（変位量）が格段に大きいことを見出した（詳細は後述する）。

以下、上記本発明に係る積層体の誘電体層（圧電体層）について付言する。この誘電体層（圧電体層）は、スパッタ法、ＣＶＤ法等の所謂「薄膜法」を用いて作製されてもよいが、スクリーン印刷法、スピンコート法、テープ成形法等の所謂「厚膜法」を用いて作製されることが好適である。ここにいう「厚膜法」とは、作製・合成された粉末（スラリー）を基板上にて膜状に成形し、得られた成形体を焼成して焼結膜を得る方法を指す。

誘電体層を構成する誘電材料の粒子の平均粒径を０．５〜１０．０μｍの範囲内とするためには、誘電体層が所謂「厚膜法」を用いて作製されることが好適である。誘電体層が所謂「薄膜法」を用いて作製された場合、前記粒子の平均粒径は、この範囲内の値に対して著しく小さい値となる。

また、本発明に係る積層体（圧電／電歪膜型素子）の誘電体層（圧電体層）の表面（側面を除く）の全域が、前記範囲の平均粒径を有する誘電材料の複数の粒子が集合してなる焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）である。誘電体層（圧電体層）の側面は、前記焼結面であってもよいし、焼成後においてエッチングによって形成（出現）された面（エッチング面）であってもよい。

支持体の上面の複数個所にそれぞれ設けられた本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子の平面図である。 図１に示した圧電／電歪膜型素子の２−２断面図である。 図１、図２に示した圧電／電歪膜型素子の製造過程の前半を示す工程図である。 図１、図２に示した圧電／電歪膜型素子の製造過程の後半を示す工程図である。 図１、図２に示した圧電体層の詳細を示す主要断面図である。 図５に示した圧電体層の断面形状の輪郭を近似した仮想線で表される四角形（長方形）を示した図である。

（構成）
以下、本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子の構成について図面を参照しながら説明する。図１、図２に示すように、本発明の実施形態に係る圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上面の複数個所に所定の間隔を置いて整列するように、それぞれ設けられている。各圧電／電歪膜型素子１０は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動源として使用される。

図１に示すように、各圧電／電歪膜型素子１０を上方（ｚ軸正方向）からみた平面形状は、長手方向（ｙ軸方向）を有する長方形である。図２は、圧電／電歪膜型素子１０の、厚さ方向（ｚ軸方向）、且つ「長手方向に垂直な方向」（ｘ軸方向、以下、「短手方向」と呼ぶこともある）に沿う断面を示す。以下、説明の便宜上、厚さ方向（ｚ軸方向）且つ短手方向（ｘ軸方向）に沿う断面（即ち、ｘ−ｚ平面に沿う断面）を「基準断面」と呼ぶ。

図２に示すように、各圧電／電歪膜型素子１０は、支持体Ｓの上面（平面）に設けられた下部電極２０と、下部電極２０の上に設けられた圧電体層３０と、圧電体層３０の上に下部電極と平行に向かい合うように設けられた上部電極４０と、を備える。圧電／電歪膜型素子１０の長さ（ｙ軸方向）Ｌ１は５００〜５０００μｍであり、幅（ｘ軸方向）Ｌ２は３０〜５００μｍであり、高さ（ｚ軸方向）Ｌ３は１〜２０μｍである。

支持体Ｓは、電気的絶縁材料（例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２））で構成された焼成体である。支持体Ｓの内部における、各圧電／電歪膜型素子１０に対応する位置には、圧力室Ｓ１がそれぞれ形成されている。各圧力室Ｓ１の下部には、圧力室Ｓ１と連通し且つ下方に開口する吐出ノズルＳ２がそれぞれ形成されている。各圧力室Ｓ１の上部には、振動膜Ｓ３がそれぞれ形成されている。各振動膜Ｓ３は、厚さ（ｚ軸方向）が１〜１０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。なお、支持体Ｓを構成する材料は、セラミックスに限らず、電気的絶縁性を有する限りにおいて、ガラス、樹脂等であってもよく、また、単結晶であっても多結晶であっても非晶質であってもよい。

下部電極２０は、耐酸性の導電材料（例えば、白金（Ｐｔ））で構成された薄い平板状の焼成体である。各下部電極２０は、対応する振動膜Ｓ３の上面に、上方からみて下部電極２０の全体が対応する振動膜Ｓ３の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各下部電極２０は、厚さ（ｚ軸方向）が０．１〜１０．０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。なお、下部電極２０を構成する材料は、貴金属に限らず、電気的導電性を有する限りにおいて、導電性高分子、導電性酸化物等であってもよい。

圧電体層３０は、多結晶の圧電材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系、特に、チタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ））で構成された焼成体である。各圧電体層３０は、対応する下部電極２０の上面に、上方からみて圧電体層３０の全体が対応する下部電極２０の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各圧電体層３０は、基準断面の形状が長方形（或いは、長方形に近い形状、以下、「略長方形」と呼ぶ）であり且つ長手方向（ｙ方向）に延びる薄板状を呈している。即ち、各圧電体層３０の側面は、下部電極２０の上面から上方に向けて（略）垂直に延びている。圧電体層３０の詳細については後に詳述する。

上部電極４０は、耐酸性の導電材料（例えば、金（Ａｕ））で構成された薄い平板状の焼成体である。各上部電極２０は、対応する圧電体層３０の上面に、上方からみて上部電極４０の全体が対応する圧電体層３０の範囲内に包含されるように、それぞれ設けられている。各上部電極４０は、厚さ（ｚ軸方向）が０．０１〜１．０μｍ、幅（ｘ軸方向の長さ）が３０〜５００μｍ、長さ（ｙ軸方向）が５００〜５０００μｍの、長手方向（ｙ方向）に延びる薄い直方体状を呈している。なお、上部電極４０を構成する材料は、貴金属に限らず、電気的導電性を有する限りにおいて、導電性高分子、導電性酸化物等であってもよい。

以下、図１、図２に示すインクジェットヘッドの作動について簡単に説明する。支持体Ｓ内の各圧力室Ｓ１には液体（インク）が充填されている。圧電／電歪膜型素子１０の上部・下部電極２０、４０間に所定のパターンで電圧を印加すると、圧電体層３０が前記所定のパターンに応じて（主として）ｘ−ｙ平面方向において伸縮する。この圧電体層３０の伸縮に起因して、圧電/電歪膜型素子１０の（上方からみて）中央部が、（上方からみて）周縁部に対して上下方向（ｚ軸方向）に変位する。この結果、対応する振動膜Ｓ３が厚さ方向（ｚ軸方向）に振動する。この振動膜Ｓ３の振動に起因して、対応する圧力室Ｓ１内に貯留された液体が、前記所定のパターンに応じて、微粒子化されて対応するノズルＳ２から吐出される。

（製造方法）
次に、上述した圧電／電歪膜型素子１０の製造方法について図３、図４を参照しながら説明する。

先ず、図３（ａ）に示すように、図１、図２に示した支持体Ｓが周知の手法を利用して作製される。具体的には、例えば、対応するそれぞれのパターンが打ち抜かれた複数枚のＺｒＯ_２テープが準備され、これらが積層される。この積層体が焼成されることによって支持体Ｓが作製され得る。

次いで、図３（ｂ）に示すように、支持体Ｓの上面における「複数の圧力室Ｓ１の上方に対応するそれぞれの位置」に、下部電極２０が周知の手法を利用してそれぞれ形成される。具体的には、例えば、支持体Ｓの上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、フォトレジスト膜が形成される。このフォトレジスト膜が、フォトリソグラフィによって、それぞれの下部電極２０をパターニングするためのマスク形状にパターニングされる。次いで、このマスク形状にパターニングされたフォトレジスト膜の上に、例えば、下部電極２０用の「Ｐｔ粉末を含むスラリー」がスピンコート法などで塗布される。成膜方法は、後述する圧電体層の焼成温度に対して十分な耐熱性がある限りにおいて特に限定されるものではなく、めっき法やスパッタリングでも良い。これにより、それぞれの下部電極２０用の成形体がパターニングされる。その後、フォトレジスト膜が除去され、前記成形体が焼成されることによって、それぞれの下部電極２０が形成される。焼成温度は８００〜１４００℃であり、焼成時間は０．５〜５．０時間である。

次に、図３（ｃ）に示すように、複数の下部電極２０が形成された支持体Ｓの上面に「圧電体粉末を含むスラリー」がスピンコート法等によって塗布されて、圧電体層３０用の膜３０ｇが形成される。成膜方法として、他に、テープ成形法等が採用されてもよい。なお、符号の末尾の「ｇ」は「焼成の前の状態」を表す。膜３０ｇの厚さは、後述する「本焼成」の後において圧電体層３０（焼成体）として要求される厚さとなるように調整される。「圧電体粉末を含むスラリー」には、例えば、圧電体粉末としてＰＺＴ＋Ｂｉ（Ｎｉ２／３Ｎｂ１／３）Ｏ_３、焼結助剤としてＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３の粉末、その他、分散剤、有機バインダ等が含まれる。粉末の粒子径は０．１５μｍ程度である。膜３０ｇの形成後、膜３０ｇに対して脱脂処理が行われる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、膜３０ｇが焼成されることによって、膜３０（圧電体層３０）が形成される。焼成温度は１０００℃であり、焼成時間は２時間である。

次に、図４（ａ）に示すように、膜３０の上面における「複数の圧電体層３０に対応するそれぞれの位置」に、保護膜Ｒが周知の手法を利用して形成される。保護膜Ｒは、後述するエッチングを行う際にマスクとして機能する膜である。従って、各保護膜Ｒは、上方からみて保護膜Ｒの形状が対応する圧電体層３０の上面の形状と一致するように形成される。保護膜Ｒとしては、具体的には、例えば、フォトレジスト膜が使用される。即ち、焼成後の膜３０の上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、保護膜Ｒが形成される。この保護膜Ｒが、フォトリソグラフィによって、図４（ａ）に示すように、それぞれの圧電体層３０の上面の形状と同形のマスク形状にパターニングされる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、圧電材料（例えば、ＰＺＴ）用のエッチング液を利用して膜３０に対してエッチングが行われて、膜３０が、対応する圧電体層３０の形状にパターニングされる。具体的には、エッチングは以下のように行われた。

エッチング液としては、酸を主成分とするものが使用され、例えば、濃度１０％の希塩酸に、微量のフッ化アンモニウムと増粘剤、錯化剤、界面活性剤等を添加したもの（フッ素濃度１％未満）が使用された。ノズルに貯留されたエッチング液、及び、膜３０が加熱されて室温より高い温度（例えば、４０℃程度）に維持された。膜３０の上面から所定の距離（噴霧距離、例えば、８ｃｍ）だけ上方（ｚ軸正方向の位置）にて下向き（ｚ軸負方向）に配置されたノズルの先端部の開口から、エッチング液が、膜３０の上面（特に、隣接する保護膜Ｒ，Ｒ間）に向けて、所定の噴霧圧力（例えば、０．２ＭＰａ）で所定の噴霧時間（例えば、２分間）に亘って下向きに噴霧された。その後、エッチングされた膜３０が純水で洗浄された。このような噴霧と洗浄とが所定回数だけ交互に実行されて、エッチングが完了された。

本実施例では、エッチングによるパターニング完了後の圧電体層３０の基準断面の形状が、上記「略長方形」、即ち、「圧電体層３０の側面が下部電極２０の上面から上方に向けて（略）垂直に延びる形状（後述する図６のθ≒９０°）」とされる。これにより、「下部電極２０の面積に対する、圧電体層３０における上下電極間に挟まれる部分（即ち、駆動に係る部分）の面積の割合」を大きくすることができ、圧電/電歪膜型素子１０の駆動効率を高めることができる。

ここで、エッチングレート（エッチングによって膜を除去していく速度）が、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において下方にいくほど小さくなる場合、隣接する保護膜Ｒ，Ｒ間において膜３０がエッチングにより除去されるｘ軸方向の範囲が、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において下方にいくほど小さくなり、この結果、圧電体層３０の基準断面の形状が、「上底が下底よりも短い台形（θ＜９０°）」となる。一方、エッチングレートが、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において下方にいくほど大きくなる場合、膜３０がエッチングにより除去されるｘ軸方向の範囲が、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において下方にいくほど大きくなり、この結果、圧電体層３０の基準断面の形状が、「上底が下底よりも長い台形（θ＞９０°）」となる。従って、圧電体層３０の基準断面の形状を上記「略長方形」（θ≒９０°）とするためには、エッチングレートが、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において略一定となるように調整される必要がある。

エッチングレートの調整は、例えば、エッチング液の濃度、噴霧距離、噴霧圧力、噴霧時間、ノズルの開口径、エッチング液及び膜３０の温度を制御することによって達成され得る。具体的には、エッチング液の濃度が高いほど、噴霧距離が短いほど、噴霧圧力が高いほど、噴霧時間が長いほど、ノズルの開口径が大きいほど、エッチング液及び膜３０の温度が高いほど、エッチング速度が大きくなる。

本実施例では、上記のように、エッチングレートが、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）において略一定となるように調整されることによって、θが８５°〜１０５°の範囲内に調整される。膜３０のエッチングの完了後、それぞれの保護膜Ｒが除去されるとともに、膜３０に対して脱脂処理が行われる。

そして、図４（ｃ）に示すように、各圧電体層３０の上面に、上部電極４０が周知の手法を利用してそれぞれ形成される。具体的には、例えば、各圧電体層３０の上面にスピンコート法などでフォトレジスト（ポジ型レジスト）が塗布されて、フォトレジスト膜がそれぞれ形成される。各フォトレジスト膜が、フォトリソグラフィによって、対応する上部電極４０をパターニングするためのマスク形状にパターニングされる。次いで、マスク形状にパターニングされた各フォトレジスト膜の上に、上部電極４０用の例えば「Ａｕ粉末を含むスラリー」がスピンコート法などで塗布される。上部電極４０の形成に用いる材料や方法は、上部電極の機能が十分に達成され得る範囲内であれば特に限定されるものではない。即ち、材料としてＡｕ以外の金属が使用され得、スラリーとして「レジネートのような有機金属化合物」が使用され得、形成方法として、めっき法やスパッタリングが使用されてもよい。これにより、それぞれの上部電極４０用の成形体がパターニングされる。その後、フォトレジスト膜が除去され、前記成形体が焼成されることによって、それぞれの上部電極４０が形成される。焼成温度は４００〜１０００℃であり、焼成時間は１分〜２時間である。

以上のようにして、図１、図２に示すように、複数の圧電／電歪膜型素子１０（焼成体）が支持体Ｓの上に形成される。以上のように、各圧電体層３０（焼成体）は、スピンコート法、テープ成形法等の所謂「厚膜法」を用いて容易に作製され得る。

（圧電体層の特徴）
次に、上述の製造方法によって形成された圧電／電歪膜型素子１０の圧電体層３０（焼成体）の特徴について図５、図６を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、図５、図６では、圧電体層３０の上面に上部電極４０が形成されていない形態が表されている。また、図５、図６は、横方向（ｘ軸方向）において圧縮されて（縦方向（ｚ軸方向）において誇張されて）描かれている。

図５は、圧電／電歪膜型素子１０を長手方向（ｙ軸方向）の任意の位置で切断して得られる基準断面の一例である。図５から理解できるように、基準断面が「略長方形」となる圧電体層３０は、複数の圧電材料（ＰＺＴ）の粒子が集合してなる集合体であるといえる。また、上述のように、圧電／電歪膜型素子１０の製造過程において、圧電体層３０の焼成の後には、圧電体層３０の表面（側面を除く）には何等かの追加工が施されていない。換言すれば、圧電体層３０の表面（側面を除く）の全域が、焼結面（焼成によって形成された面、焼成後に何等かの追加工が施されていない面）であり、従って、複数の粒子に対応する部分が突出し隣接する粒子間が窪んだ凹凸面となっている。一方、圧電体層３０の側面は、エッチング面（焼成後においてエッチングによって形成（出現）された面、エッチング後に何等かの追加工が施されていない面）である。この側面も、上記と同様、複数の粒子に対応する部分が突出し隣接する粒子間が窪んだ凹凸面となっている。

圧電体層３０内に分布する圧電材料の粒子の平均粒径は０．５〜１０μｍである。なお、或る粒子の粒径とは、断面上で認識できるその粒子に対応する領域の面積と等しい面積を有する円の直径であると定義することができる。上述した圧電材料の粒子の平均粒径の範囲は、例えば、圧電体層３０を長手方向（ｙ軸方向）の異なる位置で切断して得られる複数の基準断面を利用して得ることができる。例えば、上述した圧電材料の粒子の平均粒径の範囲の下限値は、各基準断面から得られたそれぞれの平均粒径のうちの最小値であり、上述した圧電材料の粒子の平均粒径の範囲の上限値は、各基準断面から得られたそれぞれの平均粒径のうちの最大値である。圧電体層３０を構成する圧電材料の粒子の平均粒径が０．５〜１０μｍの範囲にあるのは、圧電体層３０がスピンコート法、テープ成形法等の所謂「厚膜法」を用いて作製されたことに基づく。圧電体層が所謂「薄膜法」を用いて作製された場合、前記粒子の平均粒径は、この範囲内の値に対して著しく小さい値となる。

図６は、図５に示した圧電体層３０の基準断面形状（略長方形）の輪郭を細い二点鎖線で示し、その輪郭線（二点鎖線）を近似した仮想線（略長方形）を太い実線で示す。この仮想線は、例えば、以下のように得ることができる。即ち、上記の輪郭線（略長方形）を、長方形の上辺、下辺、及び２つの側辺に対応する４つの部分に分割し、各部分について、その部分に含まれる輪郭線上に位置する多数の点に基づいて、最小二乗法等を利用して近似直線をそれぞれ求める。このようにして得られた４つの近似直線を結ぶことによって、上記の仮想線（略長方形）が得られる。

このようにして得られた仮想線で表される略長方形について、下辺の長さＬ４は３０〜５００μｍであり、高さＬ５は０．５〜１５μｍである。上述したように、下辺の端点にある角θの大きさは８５〜１０５°である。上述したそれぞれの長さ、高さ、角度の範囲の下限値は、上述した複数の基準断面のそれぞれから得られた長さ、高さ、角度のそれぞれの最小値のうちの最小値、又は、前記それぞれの最小値の平均値であり、上述したそれぞれの長さ、高さ、角度の範囲の上限値は、上述した複数の基準断面のそれぞれから得られた長さ、高さ、角度のそれぞれの最大値のうちの最大値、又は、前記それぞれの最大値の平均値である。なお、上述したＬ４、Ｌ５の範囲は、圧電／電歪膜型素子１０がインクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動源として使用される場合において、このインクジェットヘッドが微細なインク滴を適切に噴射するために要求される好適な範囲である。圧電／電歪膜型素子１０が他の用途に使用される場合には、上述したＬ４、Ｌ５の範囲は上述の範囲の限りではなく、その用途に適した範囲とされ得る。

（リーク電流の抑制、並びに、圧電体層の側面からの脱粒の抑制）
上述のように、本実施例では、圧電/電歪膜型素子１０の圧電体層３０として、「前記仮想線で表される形状が、Ｌ４が３０〜５００μｍであり、Ｌ５が０．５〜１５μｍであり、且つ、θが８５〜１０５°の四角形」（換言すれば、圧電体層３０の断面形状が、長さが３０〜５００μｍであり、高さが０．５〜１５μｍである略長方形）であり、且つ、「圧電体層３０を構成する圧電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５〜１０μｍ」であるもの、が想定される。

このように厚さが極めて小さい圧電体層３０を備えた圧電／電歪膜型素子１０では、上部・下部電極２０、４０間への電圧印加時にて、圧電体層３０内を流れるリーク電流が発生し易くなる。前記リーク電流が多いと、圧電／電歪膜型素子１０の駆動効率が低下するなどの問題が発生し易い。

本発明者は、係るリーク電流を抑制するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係るリーク電流の大きさが、圧電体層３０の側面の表面粗さと密接に関係していることを見出した。具体的には、本発明者は、圧電材料の平均粒径を「ｄ」μｍとしたとき、圧電体層３０の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠）で０．０５ｄμｍ以上である場合、そうでない場合と比べて、前記リーク電流が格段に小さいことを見出した。以下、このことを確認した試験について説明する。

（試験）
この試験では、図３、図４に示す手順に従って作製される圧電／電歪膜型素子１０について、圧電材料、圧電体層３０の幅（層幅）Ｌ４（図６を参照）、圧電体層３０の厚さ（層厚）Ｌ５（図６を参照）、圧電材料の平均粒径ｄ、角度θ（図６を参照）、並びに、圧電体層３０の側面の表面粗さ、の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、２４種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。

各サンプルについて、層幅及び層厚の調整は、圧電体層３０用の膜３０ｇ（図３（ｃ）を参照）の幅及び厚さの調整によって達成される。前記平均粒径の調整は、膜３０ｇ用のスラリーに含まれる圧電体粉末の粒径、焼成温度、焼成時間の調整によって達成される。θの調整は、上述のように、膜３０の厚さ方向（ｚ軸方向）についてのエッチングレートの調整によって達成される。また、圧電体層３０の側面の表面粗さの調整は、例えば、上述した「エッチング液の噴霧時間」の調整によって達成される。具体的には、「噴霧時間」が長いほど、表面粗さが大きくなる。これは、以下の理由に基づく。即ち、一般に、凹凸がある表面に対してエッチングがなされる場合、凸部より凹部においてエッチングレートが大きくなる。従って、「噴霧時間」（即ち、表面がエッチング液に連続して曝される時間）が長いほど、表面の凹凸の度合が増加し易い。他方、上述のように、圧電体層３０の側面は、複数の粒子に対応する部分が突出し隣接する粒子間が窪んだ凹凸面となっている。以上のことから、「エッチング液の噴霧時間」が長いほど、圧電体層３０の表面粗さが大きくなる。なお、表面粗さは、白色干渉式の非接触表面粗さ計（キャノン（株）製：ｚｙｇｏ ＮｅｗＶｉｅｗ７３００）を用いて測定された。

また、表１から理解できるように、各サンプルでは、Ｌ４（図６を参照）が３０〜５００μｍの範囲内であり、Ｌ５（図６を参照）が０．５〜１５μｍの範囲内であり、且つ、θ（図６を参照）が８５〜１０５°であり、且つ、圧電材料の平均粒径ｄが０．５〜１０μｍの範囲内となっている。

作製された各サンプルに対して、温度７５℃、直流で電界１５ｋＶ／ｍｍ相当の電圧、電圧印加時間１０秒の「分極処理」が行われた。その後、湿度８５％の高湿の状況下、各サンプルに対して、上下電極間に対するリーク電流評価が行われた。具体的には、リーク電流評価では、上下電極間に対して３０ｋＶ／ｍｍの電界を印加したときの最大リーク電流値が計測された。この結果（各水準についてＮ＝１０の平均値）を表１に示す。

表１の水準１〜２４（特に、水準９〜１５）から理解できるように、圧電体層３０の側面の表面粗さが大きいほど、リーク電流値が小さくなる傾向がある。これは、表面粗さが大きいほど、「圧電体層３０の側面上における、微細な凹凸をも考慮した場合の上下端間の距離（道のり）」、従って、「上下電極の向かい合う端部間において電子が流れる道のり」が長くなることに起因する、と考えられる。そして、表面粗さが最大高さ粗さＲｚで０．０５ｄμｍ以上である場合（水準９、１０、２２以外の水準を参照）、そうでない場合（表面粗さが０．０５ｄμｍ未満）（水準９、１０、２２を参照）と比べて、リーク電流が格段に小さい、ということができる。

また、各サンプルに対して、電界強度１０ｋＶ／ｍｍ、１Ｈｚの三角波のパターンの電界を印加したときの圧電／電歪膜型素子１０の変位量が計測された。この変位量の計測は、圧電／電歪膜型素子１０の上面の中央部の上下方向（ｚ軸方向）における変位量をレーザードップラー変位計で測定することでなされた。この結果（各水準についてＮ＝１０の平均値）も表１に示す。

表１の水準１〜２４（特に、水準１〜８）から理解できるように、θが９０〜１０５°である場合（水準６〜８、１６、２２以外の水準を参照）、θが８５°以上９０°未満である場合（水準６〜８、１６、２２を参照）と比べて、圧電/電歪膜型素子１０の変位量が格段に大きい、ということができる。これは、θが９０〜１０５°である場合、θが８５°以上９０°未満である場合と比べて、「下部電極２０の面積に対する、圧電体層３０における上下電極間に挟まれる部分（即ち、駆動に係る部分）の面積の割合」を大きくすることができ、圧電/電歪膜型素子１０の駆動効率を高めることができることに起因する、と考えられる。

また、上述した「変位量」の計測時と同様なパターン（即ち、１０ｋＶ／ｍｍ、１Ｈｚの三角波のパターン）で長時間に亘って電界を印加したときにおける、圧電体層３０の側面からの「脱粒」（前記側面を形成する粒子が前記側面から離脱する現象）の発生の有無も併せて評価された。この結果（表１には示されていない）、圧電体層３０の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで０．５ｄμｍ以下である場合、そうでない場合（表面粗さが０．５ｄμｍより大きい場合）と比べて、圧電体層３０の側面からの「脱粒」が格段に発生し難い、ことも判明した。

以上、圧電/電歪膜型素子１０の圧電体層３０として、「前記仮想線（図６を参照）で表される断面形状が、Ｌ４が３０〜５００μｍであり、Ｌ５が０．５〜１５μｍであり、且つ、θが８５〜１０５°の四角形」（換言すれば、圧電体層３０の基準断面の形状が、長さが３０〜５００μｍであり、高さが０．５〜１５μｍである略長方形）であり、且つ、「圧電体層３０を構成する圧電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５〜１０μｍ」であるもの、が使用される場合において、圧電体層３０の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで、０．０５ｄ〜０．５ｄμｍの範囲内に調整されることによって、上部・下部電極間への電圧印加時における「圧電体内を流れるリーク電流の発生」、並びに「圧電体層の側面からの「脱粒」の発生」を共に抑制することができる、ことがわかった。

以上、本発明に係る「誘電体層」が圧電体層３０であり、本発明に係る「積層体」が圧電／電歪膜型素子１０である場合について説明した。これに対し、本発明に係る「誘電体層」が圧電体層以外の誘電体層（例えば、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムなどの誘電体材料からなる層）である場合においても、上記と同様、「前記仮想線（図６を参照）で表される形状が、Ｌ４が３０〜５００μｍであり、Ｌ５が０．５〜１５μｍであり、且つ、θが８５〜１０５°の四角形」であり、且つ、「誘電体層を構成する誘電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５〜１０μｍ」であるもの、が使用される場合において、誘電体層の側面の表面粗さが、最大高さ粗さＲｚで、０．０５ｄ〜０．５ｄμｍの範囲内に調整されることによって、上部・下部電極間への電圧印加時における「誘電体内を流れるリーク電流の発生」、並びに「誘電体層の側面からの「脱粒」の発生」を共に抑制することができる、ことが別途確認されている。

Ｓ…支持体、１０…圧電／電歪膜型素子、２０…下部電極、３０…圧電体層、４０…上部電極

Claims (3)

1. 支持体の上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極の上に設けられた誘電体層と、
   前記誘電体層の上に前記下部電極と平行に向かい合うように設けられた上部電極と、
   を備えた積層体であって、
   前記誘電体層は焼成体であり、前記誘電体層を構成する誘電材料の粒子の平均粒径ｄが０．５μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記誘電体層における厚さ方向の断面の形状の輪郭を近似した仮想線で表される形状が、高さが０．５μｍ以上１５μｍ以下であり、且つ、底辺の端点にある角の大きさが８５°以上１０５°以下の四角形であり、
   前記誘電体層の側面の表面粗さは、最大高さ粗さＲｚで、０．０５ｄμｍ以上０．５ｄμｍ以下である、積層体。
2. 請求項１に記載の積層体において、
   前記誘電体層が、圧電材料の粒子からなる焼成体である圧電体層であり、
   圧電／電歪膜型素子として機能する、積層体。
3. 請求項２に記載の積層体において、
   前記圧電体層の断面形状における底辺の端点にある角の大きさが９０°以上１０５°以下である、積層体。

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