JP2005210887A - ダイアフラム型圧電素子、該ダイアフラム型圧電素子を用いた液体吐出機構及びインクジェットヘッド、並びに該インクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 開口部１ａを有する基板１上に、開口部１ａを覆うように設けられた振動板層３と、該振動板層３上に設けられた下電極層４と、該下電極層４上に設けられた圧電体層５と、該圧電体層５上に設けられ、上記開口部１ａ内側上に位置する上電極本体部７ａと該上電極本体部７ａの周縁の一部から開口部１ａ外側に向かって延びて開口部１ａ縁上を跨ぐ配線部７ｂとからなるようにパターン化された上電極層７とを備えたダイアフラム型圧電素子の上記圧電体層５にクラックが生じるのを出来る限り抑制して、信頼性を向上させる。
【解決手段】 圧電体層５と下電極層４との間及び圧電体層５と上電極層７との間の少なくとも一方における配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分に、低誘電率層６を該開口部１ａ縁上を跨ぐように形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、開口部を有する基板上に該開口部を覆うように設けられた振動板層を備えていて圧電体層の圧電効果により該振動板層を厚み方向に振動させるダイアフラム型圧電素子、該ダイアフラム型圧電素子を用いた液体吐出機構及びインクジェットヘッド、並びに該インクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置に関する技術分野に属する。

従来より、圧電体層に電圧を印加することで機械振動する圧電素子として、開口部を有する基板上に該開口部を覆うように振動板層が設けられていて該振動板層上において上電極層と下電極層との間に圧電体層が配設されてなるダイアフラム型圧電素子が知られており、このダイアフラム型圧電素子は、液体吐出機構やインクジェットヘッド（インクジエツト式記録装置）等に広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。

上記ダイアフラム型圧電素子は、例えば図１８〜図２０に示すように、開口部１０１ａを有するシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１と、この基板１０１上に形成したＳｉＯ₂からなる振動板層１０２と、この振動板層１０２上に形成した白金（Ｐｔ）からなる下電極層１０３と、この下電極層１０３上に形成したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層１０４と、この圧電体層１０４上に形成したＰｔからなる上電極層１０５とで構成されている。この上電極層１０５は、上記開口部１０１ａ内側上に位置する上電極本体部１０５ａと、この上電極本体部１０５ａの周縁の一部から開口部１０１ａ外側に向かって延びて開口部１０１ａ縁上を跨ぐ配線部１０５ｂとからなるようにパターン化されている。この構成において、上記下電極層１０３及び上電極層１０５を介して圧電体層１０４にパルス電圧を印加すると、図１９において二点鎖線で示すように振動板層１０２における開口部１０１ａ中央に対応する部分が開口部１０１ａ側に凸状に変形し、このことで、基板１０１における振動板層１０２とは反対側の面に設けたノズル部材の吐出ノズルより、開口部１０１ａ内に収容されたインク等の液体を吐出させるようになっている。

このような構成のダイアフラム型圧電素子では、圧電体層１０４にパルス電圧を繰り返し印加したり、比較的高い電圧を印加したりすると、図１９に示すように、圧電体層１０４における上記配線部１０５ｂが跨ぐ開口部１０１ａ縁上の部分に、かなり大きな応力が生じるためにクラック１０８が生じ易く、特に圧電体層１０４が配向している場合には、柱状の内部構造によってクラックがより一層生じ易くなることが知られている。

そこで、図２１及び図２２に示すように、開口部３０２を有する基板３０３と、該開口部３０２に対応する領域に絶縁体層３０４を介して設けられた下電極層３０９と、該下電極層３０９上に設けた圧電体層３０８と、該圧電体層３０８上に設けた上電極層３０７とからなるダイアフラム型圧電素子において、下電極層３０９の一部３０５を除去することにより、圧電体層３０８を、実質的に駆動されない圧電体非能動部３０１と駆動される圧電体能動部３００とに分割し、その圧電体非能動部３０１上の上電極本体部に配線部３０６を接続する構造とすることにより、圧電体層３０８における配線部３０６が跨ぐ開口部縁上の部分３１０の応力を低減して、クラックの発生を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２８４６７１号公報 特開２０００−１９８１９７号公報

しかしながら、上記の如く下電極層３０９の一部３０５を除去する構成のダイアフラム型圧電素子では、その除去部分３０５においては、上電極層３０７と下電極層３０９との間の電界が平行にならず、局所的に電界集中が生じ、これにより、圧電体層３０８に発生するひずみが大きくなって、クラックが生じやすくなる。

しかも、そのダイアフラム型圧電素子を駆動すると、絶縁体層３０４が、図２２に二点鎖線で示すように変形し、このとき、圧電体層３０８が圧電体非能動部３０１と圧電体能動部３００との境界（上記除去部分３０５に対応する位置）において大きく曲げられることになるため、高速で長時間駆動すると圧電体材料の内部摩擦により、圧電体層３０８に局所的に熱が発生する。一般的に、圧電特性を有する材料は、温度が上昇するとキュリー温度までは、圧電特性も上昇する。このため、圧電体層３０８の中に圧電特性が部分的に高い部分が生じ、圧電体層３０８における圧電体能動部３００と圧電体非能動部３０１との境界（上記除去部分３０５に対応する位置）にクラックが生じやすくなる。

本発明は、斯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、上記のように電極の配線部が開口部縁上を跨ぐダイアフラム型圧電素子に対して、その構成を改良することによって、高速で長時間駆動した際に、圧電体層にクラックが生じるのを出来る限り抑制して、信頼性を向上させようとすることにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、開口部を有する基板と、上記基板上に上記開口部を覆うように設けられた振動板層と、上記振動板層上に設けられた下電極層と、上記下電極層上に設けられた圧電体層と、上記圧電体層上に設けられ、上記開口部内側上に位置する上電極本体部と該上電極本体部の周縁の一部から開口部外側に向かって延びて開口部縁上を跨ぐ配線部とからなるようにパターン化された上電極層とを備えたダイアフラム型圧電素子を対象として、上記下電極層と圧電体層との間及び圧電体層と上電極層との間の少なくとも一方における上記配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層が該開口部縁上を跨ぐように形成した。

上記の構成により、低誘電率層によって、圧電体層における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分にかかる電圧が低く抑えられ、圧電体層における開口部縁上に位置する部分が圧電体非能動部となり、その部分に生じる応力が軽減されてクラックが生じ難くなる。

請求項２の発明では、開口部を有する基板と、上記基板上に上記開口部を覆うように設けられた金属振動板層と、上記金属振動板層上に設けられた圧電体層と、上記圧電体層上に設けられ、上記開口部内側上に位置する上電極本体部と該上電極本体部の周縁の一部から開口部外側に向かって延びて開口部縁上を跨ぐ配線部とからなるようにパターン化された上電極層とを備えたダイアフラム型圧電素子を対象として、上記金属振動板層と圧電体層との間及び圧電体層と上電極層との間の少なくとも一方における上記配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層が該開口部縁上を跨ぐように形成されているものとする。

このことにより、圧電体層が、絶縁体層に比べて熱伝導率が大きい金属振動板層を介して、熱容量の大きい基板及び基板開口部内に収容される流体に接することになり、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界で材料の内部摩擦によって発生した熱が上記基板及び流体に伝導し、圧電体層の温度上昇を抑制することができる。これにより、高速で長期駆動した場合のクラック発生を防止し、信頼性を向上させることができる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、低誘電率層の誘電率を圧電体層の誘電率のａ倍とし、低誘電率層の厚みを圧電体層の厚みのｂ倍としたとき、ａ／（ａ＋ｂ）＜１の関係を満たしているものとする。

このような構成にすることにより、圧電体層における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に生じる応力を低減し、クラックの発生を有効に抑えることができる。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、ａ／（ａ＋ｂ）＜０．５の関係を満たしているものとする。

このような構成にすることにより、圧電体層における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に生じる応力をさらに低減し、クラックの発生をより効果的に抑えることができる。

請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、低誘電率層の配線部が延びる方向の長さが、圧電体層の厚み以上であり、上記低誘電率層の開口部内側上に位置する部分の配線部が延びる方向の長さが、１００μｍ以下であるものとする。

こうすることで、圧電素子の圧電特性の低下を抑制しつつ、圧電体層における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分にクラックが発生するのを有効に抑えることができる。しかも、低誘電率層の開口部内側上に位置する部分の長さが１００μｍ以下であるので、基板と、圧電体層における圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分（低誘電率層の開口部側の端部に対応する部分）との間の距離が小さく、これにより、特に請求項２の発明のように金属振動板層を用いる場合には、当該境界部分で材料の内部摩擦により発生した熱が、熱伝導により基板により一層伝わりやすくなり、クラック発生を有効に抑えることができる。

請求項６の発明は、液体吐出機構の発明であり、この発明では、請求項１〜５のいずれか１つに記載のダイアフラム型圧電素子と、上記ダイアフラム型圧電素子の基板における振動板層とは反対側の面に設けられ、該基板の開口部内に液体を供給する液体供給孔と該開口部内の液体を吐出する吐出ノズルとを有するノズル部材とを備え、上記ダイアフラム型圧電素子の作動により上記開口部内の液体を上記吐出ノズルより吐出させるように構成されているものとする。この発明により、信頼性の高い液体吐出機構が得られる。

請求項７の発明は、インクジェットヘッドの発明であり、この発明では、請求項１〜５のいずれか１つに記載のダイアフラム型圧電素子と、上記ダイアフラム型圧電素子の基板における振動板層とは反対側の面に設けられ、該基板の開口部内にインクを供給するインク供給孔と該開口部内のインクを吐出する吐出ノズルとを有するノズル部材とを備え、
上記ダイアフラム型圧電素子の作動により上記開口部内のインクを上記吐出ノズルより吐出させるように構成されているものとする。

請求項８の発明は、インクジェット式記録装置の発明であり、この発明では、請求項７記載の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相対移動手段と、上記インクジェットヘッドに記録信号を供給する信号供給手段とを備え、上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、上記信号供給手段から供給される記録信号に応じて、該インクジェットヘッドのダイアフラム型圧電素子を作動させることにより、該インクジェットヘッドのノズル部材の吐出ノズルより基板開口部内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されているものとする。

これら請求項７及び８の発明により、信頼性の高いインクジェットヘッド、延いては信頼性の高いインクジェット式記録装置が得られる。

以上説明したように、本発明によると、下電極層と圧電体層との間及び圧電体層と上電極層との間の少なくとも一方における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層を該開口部縁上を跨ぐように形成することにより、圧電素子の圧電特性の低下を抑制しつつ、圧電体層における配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、高い応力によりクラックが発生するのを抑え、さらに、熱伝導率が大きい金属材料を振動板に用いると、高速で長時間駆動した場合に圧電体層における圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分に生じる材料の内部摩擦による熱を、基板及び基板開口部内に収容される流体に伝熱して温度を低下させ、クラック発生を防止することができる。特に圧電体層が配向している場合に、クラック抑制効果が有効に得られる。また、上電極層の上電極本体部及び配線部の形状に関係なく、クラック抑制効果が得られる。

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〜図３は、本発明の実施形態に係るダイアフラム型圧電素子を示し、このダイアフラム型圧電素子は、厚み方向両面に開口する複数（この実施形態では、１００個）の開口部１ａを有する厚さ０．２ｍｍのシリコン基板１を備えている。この基板１の各開口部１ａは、該基板１の厚み方向から見て、長さＥが１ｍｍで幅Ｇが０．１５ｍｍの矩形状をなしていて、開口部１ａの幅方向に互いに所定間隔をあけて並設されている。

上記基板１の厚み方向一方の面上には、ＳｉＯ₂からなる厚さ２μｍの振動板層３が上記全開口部１ａを覆うように設けられ、この振動板層３上には、Ｐｔからなる厚さ０．２μｍの下電極層４が設けられ、この下電極層４上には、ＰＺＴ（ＰｂＴｉ_0.57Ｚｒ_0.43Ｏ₃）からなる厚さ３μｍの圧電体層５が設けられている。この圧電体層４の比誘電率は８００である。

上記圧電体層５上には、Ｐｔからなる厚さ０．２μｍの上電極層７が設けられている。この上電極層７は、上記各開口部１ａ内側上にそれぞれ位置しかつ上電極層７の厚み方向から見て開口部１ａに対応した形状（開口部１ａよりも小さい矩形状（長さＨ＝０．９ｍｍ、幅Ｉ＝０．１３ｍｍ））をなす上電極本体部７ａと、該各上電極本体部７ａの周縁の一部（上電極本体部７ａの長さ方向一端側の縁）から開口部１ａの長さ方向外側に向かって延びて開口部１ａ縁（開口部１ａの長さ方向一端側の縁）上を跨ぐ配線部７ｂとからなるようにパターン化されている。

上記下電極層４と圧電体層５との間における上記各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁（開口部１ａの長さ方向一端側の縁）上の部分には、該圧電体層５よりも誘電率が低い低誘電率層６が該開口部１ａ縁上を跨ぐように形成されている。この実施形態では、低誘電率層６は、基板１上（下電極層４上）において開口部１ａが並ぶ方向全体に亘って連続的に延びているが、各配線部７ｂが跨ぐ各開口部１ａ縁上のそれぞれの位置に分割した状態で配設するようにしてもよい。また、低誘電率層６を、配線部７ｂが延びる方向に延ばして、配線部７ｂ全体に対応して基板１外周まで延長してもよい。これにより、配線部７ｂと下電極層４との短絡による不良を低減することができる。

上記低誘電率層６の誘電率を圧電体層５の誘電率のａ（０＜ａ＜１）倍とし、低誘電率層６の厚みを圧電体層５の厚みのｂ倍としたとき、
ａ／（ａ＋ｂ）＜１
の関係を満たしていることが好ましく、より好ましいのは、
ａ／（ａ＋ｂ）＜０．５
の関係を満たすことであり、ａ／（ａ＋ｂ）の値を出来る限り小さくするのがよい。

本実施形態では、低誘電率層６は厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂からなっており、比誘電率は３．８である。このことより、
ａ＝３．８／８００＝０．００４７５
ｂ＝０．１／３＝０．０３３３
ａ／（ａ＋ｂ）＝０．１２５
となる。

また、低誘電率層６の配線部７ｂが延びる方向（開口部１ａが並ぶ方向と垂直な方向）の長さＦが、圧電体層５の厚み以上であり、低誘電率層６の開口部１ａ内側上に位置する部分（開口部１ａ縁から開口部１ａ内側へはみ出している部分）の配線部７ｂが延びる方向の長さＫが１００μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態では、低誘電率層６の配線部７ｂが延びる方向の長さＦが３０μｍであって、圧電体層５の厚み３μｍよりも大きい。そして、低誘電率層６の上記長さＫが２０μｍである。

次に、上記ダイアフラム型圧電素子の製造方法を図４により説明する。

先ず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１（この段階では、開口部１ａは形成されていない）上に振動板層３をスパッタリング法により形成し、その後、図４（ｂ）に示すように、上記振動板層３上に下電極層４をスパッタリング法により形成する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、上記下電極層４上に低誘電率層６をスパッタリング法により形成し、この低誘電率層６を、下電極層４上において、後に基板１に形成する開口部１ａの長さ方向一端側の縁上に位置しかつ該開口部１ａが並ぶ方向全体に亘って連続的に幅３０μｍ（低誘電率層６の配線部７ｂが延びる方向の長さＦの値に相当）で延びる形状にする。

次いで、図４（ｄ）に示すように、上記下電極層４及び低誘電率層６上に、圧電体層５をスパッタリング法により形成する。その後、図４（ｅ）に示すように、上記圧電体層５上に上電極層７をスパッタリング法により形成し、この上電極層７を、上電極本体部７ａと配線部７ｂとからなるようにパターン化する。すなわち、上電極層７上に感光性樹脂を形成し、この感光性樹脂を露光及び除去して所定形状にパターン化し、その後、上電極層７における上記感光性樹脂が存在しない部分をＡｒによりドライエッチングして、１００個の上電極本体部７ａ及び配線部７ｂを形成する。

続いて、図４（ｆ）に示すように、基板１に開口部１ａを形成する。すなわち、基板１の振動板層３と反対側の面上に感光性樹脂を形成し、この感光性樹脂を露光及び除去して所定形状にパターン化し、その後、基板１における上記感光性樹脂が存在しない部分をＳＦ₆を主成分とするエッチングガスにより、ドライエッチングして、１００個の開口部１ａを形成する。

ここで、上記実施形態１と同様のダイアフラム型圧電素子を、上記実施形態１で説明した方法で作製し（このダイアフラム型圧電素子を実施例１とする）、このダイアフラム型圧電素子の下電極層４及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかった。しかし、駆動周波数２０ｋＨｚの矩形波で１０日間印加したところ、圧電体層５において１００箇所の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界（低誘電率層６の開口部１ａ側の端部に対応する部分）のうち２５箇所にクラックが認められた。但し、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じた。

一方、比較のために、上記実施例１に対して、低誘電率層がなくかつ下電極層４の一部が除去されて圧電体層５が圧電体能動部と圧電体非能動部とに分割されてなる点が異なる、図２１及び図２２で示した従来と同様のダイアフラム型圧電素子を作製し（このダイアフラム型圧電素子を比較例とする）、このダイアフラム型圧電素子の下電極層４及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから３０Ｖに変化する矩形波を連続１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかったが、周波数２０ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を連続１０日間印加したところ、圧電体層５において配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁に対応する部分１００箇所のうち４０箇所にクラックの発生が認められ、残り６０箇所の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界部分のうち２０箇所にクラックが認められた。また、印加電圧の最大値を６０Ｖとした場合に、駆動直後にクラックが生じた。

したがって、上記実施形態１では、下電極層４と圧電体層５との間における各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分に、圧電体層５よりも誘電率が低い低誘電率層６を該開口部１ａ縁上を跨ぐように形成したので、低誘電率層６によって、圧電体層５における各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分にかかる電圧が低く抑えられ、これにより、その部分に生じる応力が軽減されてクラックが生じ難くなる。そして、低誘電率層６の配線部７ｂが延びる方向の長さＦを、圧電体層５の厚み以上とし、低誘電率層６の開口部１ａ内側上に位置する部分の配線部７ｂが延びる方向の長さＫを１００μｍ以下としておくことで、圧電素子の圧電特性の低下を抑制しつつ、クラックの発生を有効に抑えることができ、圧電素子の信頼性を向上させることができる。

（実施形態２）
図５〜図７は、本発明の実施形態に係る別のダイアフラム型圧電素子を示し（尚、以下の各実施形態では、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する）、低誘電率層６の配設位置と材料とを上記実施形態１とは異ならせたものである。

すなわち、この実施形態では、低誘電率層６を、上記実施形態１のように下電極層４と圧電体層５との間に配設するのではなくて、圧電体層５と上電極層７との間に配設する。具体的には、圧電体層５と上電極層７との間における各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分に、低誘電率層６を該開口部１ａ縁上を跨ぐように形成する。この低誘電率層６の寸法及び形状は上記実施形態１と同じであり、低誘電率層６の開口部１ａ内側上に位置する部分の配線部７ｂが延びる方向の長さＫも、上記実施形態１と同じ２０μｍである。但し、低誘電率層６の材料を、ＳｉＯ₂に代えてポリイミド（比誘電率はＳｉＯ₂と同じ程度か僅かに小さい値である）としている。この低誘電率層６の形成は、上記実施形態１で説明したダイアフラム型圧電素子の製造方法において、圧電体層５の形成後でかつ上電極層７の形成前に行えばよい。

尚、この実施形態においても、低誘電率層６は、基板１上（圧電体層５上）において開口部１ａが並ぶ方向全体に亘って連続的に延びているが、各配線部７ｂが跨ぐ各開口部１ａ縁上のそれぞれの位置に分割した状態で配設するようにしてもよい。また、低誘電率層６を、配線部７ｂが延びる方向に延ばして、配線部７ｂ全体に対応して基板１外周まで延長してもよい。これにより、配線部７ｂと下電極層４との短絡による不良を低減することができる。

ここで、上記実施形態２と同様のダイアフラム型圧電素子を作製し（このダイアフラム型圧電素子を実施例２とする）、このダイアフラム型圧電素子の下電極層４及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかった。しかし、駆動周波数２０ｋＨｚの矩形波で１０日間印加したところ、圧電体層５において１００箇所の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界のうち２５箇所にクラックが認められた。但し、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じた。

したがって、上記実施形態２では、圧電体層５と上電極層７との間における各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分に、低誘電率層６を該開口部１ａ縁上を跨ぐように形成したので、上記実施形態１と同様に、低誘電率層６によって、圧電体層５における各配線部７ｂが跨ぐ開口部１ａ縁上の部分にかかる電圧が低く抑えられ、その部分にクラックが生じ難くなり、圧電素子の信頼性を向上させることができる。

尚、上記実施形態１では、下電極層４と圧電体層５との間に低誘電率層６を設け、上記実施形態２では、圧電体層５と上電極層７との間に低誘電率層６を設けたが、下電極層４と圧電体層５との間及び圧電体層５と上電極層７との間の両方に低誘電率層６をそれぞれ設けるようにしてもよい。

（実施形態３）
図８〜図１０は、本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示し、上記実施形態１に対して圧電体層５を各開口部１ａにそれぞれ対応して個別分割化した点が異なる。

すなわち、この実施形態では、圧電体層５において相隣接する開口部１ａ間に対応する部分に、開口部１ａの長さ方向（配線部７ｂが延びる方向）に延びる溝５ａ（この実施形態では、溝５ａの幅Ｊを１０μｍとする）が形成されて、この溝５ａにより圧電体層５が各開口部１ａにそれぞれ対応して個別分割化されており（低誘電率層６も、圧電体層５と同様に分割してもよい）、その他の部分は上記実施形態１と同様の構成である。このことにより、振動板層３における開口部１ａ中央に対応する部分の変位量を上記実施形態１に比べて大きくすることができる。尚、上記圧電体層５の溝５ａは、圧電体層５をフッ酸及び硝酸の水溶液でエッチングすることで形成できる。

ここで、上記実施形態３と同様のダイアフラム型圧電素子を作製し（このダイアフラム型圧電素子を実施例３とする）、このダイアフラム型圧電素子の下電極層４及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかった。しかし、駆動周波数２０ｋＨｚの矩形波で１０日間印加したところ、圧電体層５において１００箇所の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界のうち２５箇所にクラックが認められた。但し、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じた。さらに、振動板層３における開口部１ａ中央に対応する部分の変位量は、上記実施例１に比べて２０％大きくなった。

したがって、上記実施形態３では、上記実施形態１と同様の作用効果が得られるとともに、振動板層３の変位量の増大化を図ることができる。

（実施形態４）
図１１〜図１３は、本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示し、上記実施形態２に対して圧電体層５を各開口部１ａにそれぞれ対応して個別分割化した点が異なる。

すなわち、この実施形態では、上記実施形態３と同様に、圧電体層５において相隣接する開口部１ａ間に対応する部分に、開口部１ａの長さ方向（配線部７ｂが延びる方向）に延びる溝５ａ（この実施形態においても、溝５ａの幅Ｊを１０μｍとする）が形成されて、この溝５ａにより圧電体層５が各開口部１ａにそれぞれ対応して個別分割化されている。この圧電体層５の分割により、低誘電率層６も分割されることになるが、その他の部分は、上記実施形態２と同様の構成である。

ここで、上記実施形態４と同様のダイアフラム型圧電素子を作製し（このダイアフラム型圧電素子を実施例４とする）、このダイアフラム型圧電素子の下電極層４及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかった。しかし、駆動周波数２０ｋＨｚの矩形波で１０日間印加したところ、圧電体層５において１００箇所の圧電体能動部と圧電体非能動部との境界のうち２５箇所にクラックが認められた。但し、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じた。さらに、振動板層３における開口部１ａ中央に対応する部分の変位量は、上記実施例２に比べて２０％大きくなった。

したがって、上記実施形態４では、上記実施形態３と同様に、圧電素子の信頼性の向上化と振動板層３の変位量の増大化を図ることができる。

（実施形態５）
図１４は、本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示し、上記実施形態１における振動板層３及び下電極層４に代えて、熱伝導率が大きい金属振動板層８を用いたものである。

すなわち、この実施形態では、金属振動板層８は下電極層４を兼ねるものであって、Ｃｕからなっている。この金属振動板層８の熱伝導率は３９０Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫであるＳｉＯ₂からなる振動板層３に比べてかなり大きい。

ここで、上記実施形態５と同様のダイアフラム型圧電素子を作製し（このダイアフラム型圧電素子を実施例５とする）、このダイアフラム型圧電素子の金属振動板層８及び上電極層７の間に、周波数５ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加したところ、圧電体層５にクラックは全く発生しなかった。さらに、駆動周波数２０ｋＨｚの矩形波で１０日間印加したところ、圧電体層５における圧電体能動部と圧電体非能動部との境界にもクラックは発生しなかった。但し、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じた。

したがって、上記実施形態５では、熱伝導率の大きい金属振動板層８を用いることにより、圧電体層５における圧電体能動部と圧電体非能動部の境界部分（低誘電率層６の開口部１ａ側の端部に対応する部分）で発生する熱を、熱容量の大きい基板１に効率良く拡散させることができ、当該境界部分で圧電材料の内部摩擦によって発生した熱によるクラックの発生を防止することができる。さらに、各圧電素子の温度が均一になることから、温度分布による素子特性のばらつきが低減する。このように上記境界部分で発生する熱を基板１に伝わりやすくするためにも、低誘電率層６の開口部１ａ内側上に位置する部分の配線部７ｂが延びる方向の長さＫを１００μｍ以下とすることが好ましい。

尚、上記実施形態５では、金属振動板層８を単層としたが、必ずしも単層である必要はなく、複数の金属層を積層して応力調整を行うようにしてもよい。また、金属振動板層８と圧電体層５との間に、圧電体層５の配向特性を向上させるための配向制御層を設けたり、基板１と金属振動板層８との間や、金属振動板層８と圧電体層５との間に、その間の密着性を良くする密着層を介在させたりするようにしてもよい。

さらに、上記実施形態５では、上記実施形態１における振動板層３及び下電極層４を、金属振動板層８に変更する場合について説明を行ったが、実施形態２〜４の場合についても同様の変更を行うことができ、これらの場合についても同様の効果が得られる。

さらにまた、上記実施形態１〜５においては，低誘電率層６の構成材料をＳｉＯ₂又はポリイミドとしたが、これに限定されるものではなく、圧電体層５よりも誘電率が低いものであればどのような材料であってもよい。そして、上記したようにａ／（ａ＋ｂ）＜１の関係を満たすように低誘電率層６と圧電体層５との材料（誘電率）及び厚さを決定するようにすれば、信頼性向上効果が確実に得られ、ａ／（ａ＋ｂ）の値が小さくなるほど、その効果が大きくなり、ａ／（ａ＋ｂ）＜０．５の関係を満たすようにすれば、信頼性向上効果が十分に得られる。図１５は、ａ及びｂの値を変化させた場合のａ／（ａ＋ｂ）の値の変化を示すグラフであり、例えば低誘電率層６の厚さが圧電体層５の厚さの１０分の１（ｂ＝０．１）の場合、ａ／（ａ＋ｂ）＜０．５となるのは、同図中の斜線部の範囲、つまり低誘電率層６の誘電率が圧電体膜５の１０分の１未満（ａ＜０．１）となる範囲であることが分かる。

また、上記実施形態１〜５では、シリコン基板１上に振動板層３（又は金属振動板層８）、圧電体層５、上電極層７等を積層し、シリコン基板１の一部を加工してダイアフラム型圧電素子を作製するようにしたが、この方法に限る必要はなく、基板１とは別の基板上に、上電極層７、圧電体層５、振動体層３及び下電極層４（或いは振動体層３及び下電極層４に代えて金属振動板層８）をこの順に積層し（但し、必要なところで低誘電率層を形成する）、この振動体層３（金属振動板層８）上に、開口部１ａを有する基板１を接合したり、感光性樹脂により型を作って、型のない部分に電界めっきや無電界めっきを施すことにより、開口部１ａを有する基板１を形成したりするようにしてもよい。

（実施形態６）
図１６は、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示し、このインクジェットヘッドは、上記実施形態５におけるダイアフラム型圧電素子を備えている。このダイアフラム型圧電素子の基板１における金属振動板層８とは反対側の面には、ノズル部材１３が接着層１４を介して設けられており、このノズル部材１３と上記金属振動板層８とによって、基板１の各開口部１ａが塞がれてその内部がインク室１８とされる。

上記ノズル部材１３は、上記各開口部１ａ（インク室１８）にそれぞれ接続された複数のインク供給孔１３ａと吐出ノズル１３ｂとを有している。この各インク供給孔１３ａの開口部１ａと反対側端は、ノズル部材１３内において開口部１ａが並ぶ方向に延びるように設けられたインク供給室１３ｃにそれぞれ接続され、このインク供給室１３ｃは図外のインクタンクと接続されており、上記インク供給孔１３ａより各開口部１ａ（インク室１８）内にインクが供給されるようになっている。そして、上記ダイアフラム型圧電素子の作動により、開口部１ａ内のインクが上記吐出ノズル１３ｂより外部（記録媒体）に吐出されるようになっている。

このインクジェットヘッドを製造するには、上記実施形態５において作製したダイアフラム型圧電素子の基板１における金属振動板層８とは反対側の面に、予め作製しておいたノズル部材１３を接着層１４を介して接着固定すればよい。

ここで、上記実施形態６と同様のインクジェットヘッドを作製し（このインクジェットヘッドを実施例６とする）、このインクジェットヘッドのダイアフラム型圧電素子の金属振動板層８及び上電極層７の間に、周波数２０ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波（０Ｖであるときの時間：４０Ｖであるときの時間＝９５：５）を連続１０日間印加して吐出ノズル１３ｂよりインクを吐出させたところ、圧電体層５にクラックは全く発生せず、インクの吐出量の低下も認められなかった。また、印加電圧の最大値を８０Ｖとすると、駆動直後にクラックが生じ、インクが吐出されなくなった。

したがって、上記実施形態６では、上記実施形態５におけるダイアフラム型圧電素子を用いてインクジェットヘッドを製造したので、インクの吐出特性を長期間に亘って良好に維持することができ、インクジェットヘッドの信頼性を向上させることができる。

尚、上記実施形態６では、ダイアフラム型圧電素子として上記実施形態５のものを用いたが、上記実施形態１〜４のいずれか１つを用いてもよい（上記実施例６のインクジェットヘッドにおけるダイアフラム型圧電素子（実施例５と同じもの）を、実施例１〜４と同じのものに代えても、良好な結果が得られた）。

また、上記実施形態６では、ダイアフラム型圧電素子をインクジェットヘッドに適用したが、上記インクジェットヘッドと同様の構成で、インクの代わりに、金属コロイド溶液、有機半導体溶液、ＤＮＡ溶液、誘電体溶液等の液体を微少液滴として吐出ノズル１３ｂより吐出させる液体吐出機構（インクジェットヘッドのインク室１８、インク供給孔１３ａ及びインク供給室１３ｃは、液体吐出機構では、それぞれ、液体を収容する液体室、開口部１ａ（液体室）内に液体を供給する液体供給孔、及び液体供給室となる）にも適用することができ、この液体吐出機構により、配線基板や、ディスプレイ、ＤＮＡチップ、薄膜回路用コンデンサー、抵抗体等を容易に作製することができる。

（実施形態７）
図１７は、本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置を示し、このインクジェット式記録装置は、上記実施形態６で説明したものと同様のインクジェットヘッド２２を備えている。このインクジェットヘッド２２においてインク室（上記実施形態６におけるインク室１８）に連通するようにノズル部材（上記実施形態６におけるノズル部材１３）に設けた吐出ノズル（上記実施形態６における吐出ノズル１３ｂ）から該インク室内のインクを記録媒体２６（記録紙等）に吐出させて記録を行うように構成されている。

上記インクジェットヘッド２２は、主走査方向Ｘに延びるキャリッジ軸２３に設けられたキャリッジ２４に搭載されていて、このキャリッジ２４がキャリッジ軸２３に沿って往復動するのに応じて主走査方向Ｘに往復動するように構成されている。このことで、キャリッジ２４は、インクジェットヘッド２２と記録媒体２６とを主走査方向Ｘに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。

また、このインクジェット式記録装置は、上記記録媒体２６を主走査方向Ｘと略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数のローラ２５を備えている。このことで、複数のローラ２５は、インクジェットヘッド２２と記録媒体２６とを副走査方向Ｙに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。尚、図１７中、Ｚは上下方向である。

上記インクジェットヘッド２２には、該インクジェットヘッド２２に記録信号を供給する信号供給手段２７（コントローラ等）が接続されており、インクジェットヘッド２２がキャリッジ２４により主走査方向Ｘに移動しているときに、上記信号供給手段２７から供給される記録信号に応じて、ダイアフラム型圧電素子を作動させることにより、インクジェットヘッド２２のノズル部材の吐出ノズルよりインク室内のインクを記録媒体２６に吐出させて記録を行う。そして、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ２５により記録媒体２６を所定量移動させて次の一走査の記録を行う。

したがって、このインクジェット式記録装置は、上記実施形態６と同様のインクジェットヘッド２２を備えているので、インクの吐出特性が長期間に亘って良好に維持され、信頼性が高いものとなる。

尚、上記実施形態７では、インクジェットヘッド２２を記録媒体２６の移動方向（Ｙ方向）と垂直な方向（Ｘ方向）に移動させるようにしたが、複数のインクジェットヘッド２２を記録媒体２６の移動方向と垂直な方向全体に亘って並べることで、その並ぶ方向（Ｘ方向）の走査が不要となる。このように構成した場合、記録媒体２６がローラ２５（インクジェットヘッド２２と記録媒体２６とを相対移動させる相対移動手段を構成する）により移動しているときに、信号供給手段２７から供給される記録信号に応じて、ダイアフラム型圧電素子を作動させることにより、インクジェットヘッド２２のノズル部材の吐出ノズルよりインク室内のインクを記録媒体２６に吐出させて記録を行えばよく、こうすることで、高速で印刷が可能となる。

本発明のダイアフラム型圧電素子は、インクを吐出するインクジェットヘッド（インクジェット式記録装置）に有用であり、また、配線基板や、ディスプレイ、ＤＮＡチップ、薄膜回路用コンデンサー、抵抗体等を作製するために、金属コロイド溶液、有機半導体溶液、ＤＮＡ溶液、誘電体溶液等の液体を吐出する液体吐出機構にも有用である。

本発明の実施形態に係るダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 ダイアフラム型圧電素子の製造方法を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る別のダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図５のVI−VI線断面図である。 図５のVII−VII線断面図である。 本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図８のIX−IX線断面図である。 図８のX−X線断面図である。 本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図１１のXII−XII線断面図である。 図１１のXIII−XIII線断面図である。 本発明の実施形態に係る更に別のダイアフラム型圧電素子を示す図２相当図である。 ａ及びｂの値を変化させた場合のａ／（ａ＋ｂ）の値の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。 従来のダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図１８のXIX−XIX線断面図である。 図１８のXX−XX線断面図である。 下電極層の一部が除去されて圧電体層が圧電体能動部と圧電体非能動部とに分割されてなる従来のダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 図２１のXXII−XXII線断面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 開口部
３ 振動板層
４ 下電極層
５ 圧電体層
６ 低誘電率層
７ 上電極層
７ａ 上電極本体部
７ｂ 配線部
８ 金属振動板層
１３ ノズル部材
１３ａ インク供給孔
１３ｂ 吐出ノズル
１８ インク室
２２ インクジェットヘッド
２４ キャリッジ（相対移動手段）
２５ ローラ（相対移動手段）
２６ 記録媒体
２７ 信号供給手段

Claims (8)

1. 開口部を有する基板と、
   上記基板上に上記開口部を覆うように設けられた振動板層と、
   上記振動板層上に設けられた下電極層と、
   上記下電極層上に設けられた圧電体層と、
   上記圧電体層上に設けられ、上記開口部内側上に位置する上電極本体部と該上電極本体部の周縁の一部から開口部外側に向かって延びて開口部縁上を跨ぐ配線部とからなるようにパターン化された上電極層とを備えたダイアフラム型圧電素子であって、
   上記下電極層と圧電体層との間及び圧電体層と上電極層との間の少なくとも一方における上記配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層が該開口部縁上を跨ぐように形成されていることを特徴とするダイアフラム型圧電素子。
2. 開口部を有する基板と、
   上記基板上に上記開口部を覆うように設けられた金属振動板層と、
   上記金属振動板層上に設けられた圧電体層と、
   上記圧電体層上に設けられ、上記開口部内側上に位置する上電極本体部と該上電極本体部の周縁の一部から開口部外側に向かって延びて開口部縁上を跨ぐ配線部とからなるようにパターン化された上電極層とを備えたダイアフラム型圧電素子であって、
   上記金属振動板層と圧電体層との間及び圧電体層と上電極層との間の少なくとも一方における上記配線部が跨ぐ開口部縁上の部分に、該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層が該開口部縁上を跨ぐように形成されていることを特徴とするダイアフラム型圧電素子。
3. 低誘電率層の誘電率を圧電体層の誘電率のａ倍とし、低誘電率層の厚みを圧電体層の厚みのｂ倍としたとき、
   ａ／（ａ＋ｂ）＜１
   の関係を満たしていることを特徴とする請求項１又は２記載のダイアフラム型圧電素子。
4. ａ／（ａ＋ｂ）＜０．５
   の関係を満たしていることを特徴とする請求項３記載のダイアフラム型圧電素子。
5. 低誘電率層の配線部が延びる方向の長さが、圧電体層の厚み以上であり、
   上記低誘電率層の開口部内側上に位置する部分の配線部が延びる方向の長さが、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のダイアフラム型圧電素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のダイアフラム型圧電素子と、
   上記ダイアフラム型圧電素子の基板における振動板層とは反対側の面に設けられ、該基板の開口部内に液体を供給する液体供給孔と該開口部内の液体を吐出する吐出ノズルとを有するノズル部材とを備え、
   上記ダイアフラム型圧電素子の作動により上記開口部内の液体を上記吐出ノズルより吐出させるように構成されていることを特徴とする液体吐出機構。
7. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のダイアフラム型圧電素子と、
   上記ダイアフラム型圧電素子の基板における振動板層とは反対側の面に設けられ、該基板の開口部内にインクを供給するインク供給孔と該開口部内のインクを吐出する吐出ノズルとを有するノズル部材とを備え、
   上記ダイアフラム型圧電素子の作動により上記開口部内のインクを上記吐出ノズルより吐出させるように構成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
8. 請求項７記載の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相対移動手段と、
   上記インクジェットヘッドに記録信号を供給する信号供給手段とを備え、
   上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、上記信号供給手段から供給される記録信号に応じて、該インクジェットヘッドのダイアフラム型圧電素子を作動させることにより、該インクジェットヘッドのノズル部材の吐出ノズルより基板開口部内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されてい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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