JP2005253274A - 長形ダイアフラム型圧電素子、該長形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】 開口形状が、幅に対する長さの比が２以上の細長状である開口部１ａを有する基材１と、該基材１上に上記開口部１ａを覆うように設けられ、圧電体層４と該圧電体層に電圧を印加するための電極層３，５と該圧電体層４を厚み方向にたわませるための振動板層６とが積層された圧電駆動部２とを備えた長形ダイアフラム型圧電素子に対して、圧電駆動部２の圧電体層４に高電圧を印加しても出来る限りクラックが生じないようにして信頼性を向上させる。
【解決手段】 圧電駆動部２における開口部１ａ上の部分に、該圧電駆動部２の駆動時に圧電体層４において上記開口部１ａの長さ方向に作用する内部応力を緩和させる少なくとも１つの応力緩和部１０を、上記開口部１ａの幅方向に延びるように形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、開口形状が、幅に対する長さの比が２以上の細長状である開口部を有する基材上に該開口部を覆うように設けられた圧電駆動部を備えた長形ダイアフラム型圧電素子、該長形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、開口部を有する基材と、該基材上に上記開口部を覆うように設けられ、圧電体層と該圧電体層に電圧を印加するための第１及び第２の電極層と該圧電体層を厚み方向にたわませるための振動板層とが積層された圧電駆動部とを備えた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、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を用いたインクジェットヘッドは、例えば図１１に示すように、ダイアフラム型圧電素子の基材１０１における圧電駆動部１０２とは反対側の面に接着層１１８を介して設けられたノズル部材１１７を備えており、このノズル部材１１７と圧電駆動部１０２とにより基材１０１の開口部１０１ａが塞がれてインク室１１９となる。上記ノズル部材１１７には、インク室１１９内にインクを供給するインク供給孔１１７ａと、インク室１１９内のインクを吐出するノズル孔１１７ｂと、上記インク供給孔１１７ａに接続された共通インク室１１７ｃとが形成されている。尚、図１１中、１０３は第１の電極層であり、１０４は圧電体層であり、１０５は第２の電極層であり、１０６は振動板層である。

上記第１及び第２の電極層１０３，１０５を介して圧電体層１０４に電圧を印加して圧電駆動部１０２を駆動すると、圧電体層１０４が厚み方向と垂直な幅方向に収縮し、この収縮が振動板層１０６により拘束されることで、圧電体層１０４が厚み方向にたわみ、これにより、圧電駆動部１０２の開口部１０１ａ上の部分が積層方向のインク室１１９側にたわみ、このたわみによりインク室１１９内のインクがノズル孔１１７ｂより外部へ吐出される。

上記のようなインクジェットヘッドでは、高精細の画像を印刷するために１つのノズル部材１１７に複数のインク室１１９及びノズル孔１１７ｂを並設する必要があり、これに対応して複数のダイアフラム型圧電素子を並設する（基材１０１、第２の電極層１０５及び振動板層１０６は、全圧電素子に共通の１つのもので構成し、その基材１０１に複数の開口部１０１ａを並設する）が、インク室１１９を高密度に配置しなければならないことから、基材１０１の開口部１０１ａの開口形状は、通常、幅に対する長さの比が２以上の細長状となっており、これに対応して圧電体層１０４及び第１の電極層１０３も細長状となっている。このように開口形状が細長状である開口部１０１ａを有する基材１０１を備えたダイアフラム型圧電素子を、長形ダイアフラム型圧電素子という。尚、図１１において、図面の左右方向が開口部１０１ａの長さ方向であり、複数の開口部１０１ａは開口部１０１ａの幅方向（紙面に垂直な方向）に並設される。
特開２００１−２８４６７１号公報

ところで、上記インクジェットヘッドにおいては、ノズル孔１１７ｂからのインクの吐出量は、電圧印加時の圧電駆動部１０２のたわみ量と基材１０１の開口部１０１ａの開口面積とに依存する。このため、インクの吐出量を印刷が良好に行える程度に確保するためには、上記たわみ量又は開口部１０１ａの開口面積を出来る限り大きくする必要がある。

ところが、インクジェットヘッドの小型化及びインク室１１９（開口部１０１ａ）やノズル孔１１７ｂの高密度配置の要求から、開口部１０１ａの開口面積を大きくすることは困難であり、インクの吐出量を確保するためには、圧電駆動部１０２のたわみ量を大きくする必要があり、このたわみ量を大きくするためには、駆動電圧を高くする必要がある。

しかしながら、圧電駆動部１０２は高速駆動が可能でありかつ発生力が大きいという特徴を持つものの、駆動電圧を高くすると、図１１に示すように、圧電体層１０４にクラック１０８が生じるという問題がある。すなわち、長形ダイアフラム型圧電素子では、圧電体層１０４に電圧を印加すると、圧電体層１０４において開口部１０１ａの幅方向よりも長さ方向に作用する内部応力が大きくなるために、圧電体層１０４に開口部１０１ａの幅方向（圧電体層１０４の幅方向）に延びるクラックが生じ易くなる。

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、上記のような長形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、圧電駆動部の圧電体層に高電圧を印加しても出来る限りクラックが生じないように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、この発明では、圧電駆動部における開口部上の部分に、該圧電駆動部の駆動時に該圧電駆動部の圧電体層において上記開口部の長さ方向に作用する内部応力を緩和させる少なくとも１つの応力緩和部を、上記開口部の幅方向に延びるように形成した。

具体的には、請求項１の発明では、開口形状が、幅に対する長さの比が２以上の細長状である開口部を有する基材と、該基材上に上記開口部を覆うように設けられ、圧電体層と該圧電体層に電圧を印加するための電極層と該圧電体層を厚み方向にたわませるための振動板層とが積層された圧電駆動部とを備えた長形ダイアフラム型圧電素子を対象とする。

そして、上記圧電駆動部における上記開口部上の部分に、該圧電駆動部の駆動時に該圧電駆動部の圧電体層において該開口部の長さ方向に作用する内部応力を緩和させる少なくとも１つの応力緩和部が、上記開口部の幅方向に延びるように形成されているものとする。

上記の構成により、圧電駆動部における開口部上の部分に応力緩和部を開口部の幅方向に延びるように形成することで、圧電体層において開口部の長さ方向に作用する内部応力を低減することができ、圧電体層に高い駆動電圧を印加しても、圧電体層に長形ダイアフラム型圧電素子特有のクラックが生じるのを防止することができる。一方、圧電駆動部のたわみは、圧電体層が開口部の幅方向（圧電体層の幅方向）に収縮する力によって得られるため、応力緩和部を設けても、たわみの低下は少ない。よって、圧電駆動部のたわみ量を高レベルに維持しつつ、信頼性を向上させることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、応力緩和部は、電極層においてその一部を切除してなる切除部で構成されているものとする。

このことにより、圧電体層において電極層の切除部に対応する部分では、電圧を印加しても収縮しなくなるので、開口部の長さ方向に作用する内部応力が緩和される。よって、応力緩和部を容易に形成することができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、応力緩和部は、電極層と圧電体層との間に設けられかつ該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層で構成されているものとする。

こうすることで、圧電体層において低誘電率層に対応する部分では、印加される電圧が低誘電率層によって他の部分よりも小さくなって収縮量も小さくなるので、開口部の長さ方向に作用する内部応力が緩和される。よって、応力緩和部を容易に形成することができる。

請求項４の発明では、請求項１の発明において、応力緩和部は、圧電体層において他の部分よりも圧電定数を低下させた低圧電定数部で構成されているものとする。

このことで、圧電体層において圧電定数が他の部分よりも低下した低圧電定数部では、他の部分よりも収縮量が小さくなるので、開口部の長さ方向に作用する内部応力が緩和される。このように圧電体層の一部の圧電定数を低下させるには、圧電体層に対しレーザー光を部分的に照射したり、局所的に加熱したりすることで、圧電体層の構造を部分的に変化させればよく、よって、応力緩和部を容易に形成することができる。

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、応力緩和部の幅が、圧電体層の厚さ以上でかつ開口部の幅以下であるものとする。

すなわち、応力緩和部の幅（開口部の長さ方向に沿った長さ）は、圧電体層の厚さよりも小さいと、開口部の長さ方向の内部応力低減の効果が不十分となって、クラック発生防止効果が小さくなる一方、開口部の幅よりも大きいと、開口部の長さ方向の内部応力は十分に低減できるものの、圧電体層が収縮する領域が小さくなりすぎて圧電駆動部のたわみ量が減少するので、圧電体層の厚さ以上でかつ開口部の幅以下とするのがよい。よって、この発明により、圧電駆動部のたわみ量の減少を抑制しつつ、信頼性を確実に向上させることができる。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１つの発明において、圧電駆動部における開口部上の部分に、複数の応力緩和部が該開口部の長さ方向に所定ピッチで並んで配設されており、上記応力緩和部の幅をｘとし、上記配設ピッチをｙとしたとき、１＜ｙ／ｘ≦１００を満たすものとする。

このことにより、請求項５の発明と同様に、圧電駆動部のたわみ量の減少を抑制しつつ、信頼性を確実に向上させることができる。

請求項７の発明では、請求項６の発明において、１＜ｙ／ｘ≦１０を満たすものとする。このことで、圧電駆動部のたわみ量の減少を抑制しつつ、クラック発生の防止の効果が最大限に得られる。

請求項８の発明では、請求項１〜７のいずれか１つの発明において、圧電体層の厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下であるものとする。

こうすることで、圧電体層を薄膜形成工程で容易に成膜することができるとともに、圧電特性を有効に発揮させることができるようになる。一方、このように成膜した薄膜の結晶は、膜厚方向に延びる柱状となっているため、膜厚方向に垂直な方向の引張強度が低く、このため、クラックが特に生じ易くなる。しかし、この発明では、圧電体層が薄膜からなっていても、クラックの発生を有効に防止することができ、信頼性を向上させることができる。

請求項９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１〜８のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子と、上記長形ダイアフラム型圧電素子の基材における圧電駆動部とは反対側の面に設けられ、該基材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ノズル孔とを有するノズル部材とを備え、上記長形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ノズル孔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、圧電駆動部のたわみ量を高レベルに維持しつつ、開口部（液体室）の高密度配置並びに液体吐出機構の小型化及び高信頼性化を図ることができる。

請求項１０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１〜８のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子と、上記長形ダイアフラム型圧電素子の基材における圧電駆動部とは反対側の面に設けられ、該基材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ノズル孔とを有するノズル部材とを備え、上記長形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ノズル孔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、圧電駆動部のたわみ量を高レベルに維持しつつ、開口部（インク室）の高密度配置並びにインクジェットヘッドの小型化及び高信頼性化を図ることができる。

請求項１１の発明は、インクジェト式記録装置の発明であり、この発明では、請求項１０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おける長形ダイアフラム型圧電素子の圧電駆動部を駆動するための電圧供給手段とを備え、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、上記電圧供給手段により上記圧電駆動部を駆動して、該インクジェットヘッドのノズル孔より基材の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。

この発明により、高精細の画像を印刷することが可能な小型で高信頼性の記録装置が容易に得られる。また、相対移動手段としては、通常、インクジェットヘッドを所定方向に往復動させるヘッド移送手段と、記録媒体をその所定方向と略垂直な方向に移送する記録媒体移送手段とで構成されるが、インクジェットヘッドが小型であるので、複数のインクジェットヘッドを上記所定方向に並べて配置することが容易となり、こうすれば、相対移動手段は、記録媒体を上記所定方向と略垂直な方向に移送する記録媒体移送手段のみで構成することができ、その構成を簡略化することができるとともに、インクジェットヘッドを往復動させることなく記録が可能となるので、記録速度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の長形ダイアフラム型圧電素子によると、圧電駆動部における開口部上の部分に少なくとも１つの応力緩和部を開口部の幅方向に延びるように形成したことにより、圧電駆動部のたわみ量を高レベルに維持しつつ、圧電駆動部の圧電体層にクラックが生じる電圧（耐電圧）を向上させることができる。

また、上記長形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（インクジェット式記録装置）においては、開口部（液体室やインク室）の高密度配置並びに液体吐出機構及びインクジェットヘッドの高信頼性化を図ることができる。

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及び図２は、本発明の実施形態に係る長形ダイアフラム型圧電素子を示し、この長形ダイアフラム型圧電素子は、厚み方向両面に開口する開口部１ａを有する基材１を備えている。本実施形態では、この基材１は、後述の如く、Ｎｉ電解めっきにより形成されたものである。この基材１の開口部１ａの開口形状は、幅Ｂに対する長さＬの比（Ｌ／Ｂ）が２以上の細長状であり、この実施形態では、短辺の長辺に対する長さの比が２以上の矩形状とされている。尚、開口形状は、矩形状に限らず、例えば長さ方向両端部が円弧状であってもよい。

上記基材１の厚み方向一方の面上には、圧電駆動部２が該基材１の開口部１ａを覆うように設けられている。この圧電駆動部２は、基材１とは反対側から順に、第１の電極層３、圧電体層４、第２の電極層５及び振動板層６が積層されてなっている。

上記圧電体層４は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなっているとともに、上記基材１の開口部１ａ上に位置していて、開口部１ａに対応した形状（この実施形態では、圧電体層４の厚み方向から見て矩形状）をなしている。尚、圧電体層４の長さ及び幅は、開口部１ａよりも僅かに小さい。

上記第１及び第２の電極層３，５は、圧電体層４の厚み方向両面にそれぞれ設けられていて、圧電体層４に電圧を印加するための電極層である。第１の電極層３は、圧電体層４と同じ矩形状をなしている。一方、第２の電極層５は、上記基材１上全体に亘って設けられている。

上記振動板層６は、第１及び第２の電極層３，５を介して圧電体層４に電圧を印加したときに、該圧電体層４を厚み方向にたわませるためのものであり、上記第２の電極層５と同様に、基材１上全体に亘って設けられている。すなわち、圧電体層４に電圧を印加すると、圧電体層４は厚み方向と垂直な幅方向に収縮し、この収縮が振動板層４により拘束されることで、圧電体層４が厚み方向の開口部１ａ側にたわみ、これにより、圧電駆動部２の開口部１ａ上の部分が積層方向の開口部１ａ側にたわむようになっている。この振動板層６をＮｉやＣｒ等の導電材料で構成した場合には、上記第２の電極層５を省略して振動板層６が電極層を兼ねるようにしてもよい。

尚、後述のインクジェットヘッドのように、長形ダイアフラム型圧電素子を複数並設する場合には、基材１、第２の電極層５及び振動板層６は、全圧電素子に共通の１つのもので構成し、その基材１に複数の開口部１ａを該開口部１ａの幅方向に互いに所定間隔をあけて並設すればよく、その際、第１の電極層３は個別電極となり、第２の電極層５は共通電極となる。

上記圧電駆動部２における上記開口部１ａ上の部分には、該圧電駆動部２の駆動時に該圧電駆動部２の圧電体層４において上記開口部１ａの長さ方向に作用する内部応力を緩和させる複数の応力緩和部１０が、上記開口部１ａの幅方向に延びるように形成されている。

上記応力緩和部１０は、本実施形態では、上記第１の電極層３においてその一部（応力緩和部１０となる部分）を切除してなる切除部１１で構成されている。この切除部１１は、第１の電極層３の幅方向の一端から他端近傍に至るように該幅方向に延びている。第１の電極層３を幅方向全体に亘って切除してもよいが、本実施形態では、幅方向の一端部を切除しないで残し（相隣接する切除部１１同士で互いに反対側の端部を残す）、第１の電極層３が分割されないようにする。こうすれば、第１の電極層３への配線は１つで済み、圧電駆動部２の駆動時に第１の電極層３全体を同じ電位に維持することが容易にできる。そして、上記圧電体層４において上記第１の電極層３の切除部１１に対応する部分は、電圧が印加されないために収縮することはなく、これにより、圧電体層４において開口部１ａの長さ方向に作用する内部応力が低減（緩和）されることになる。この結果、高電圧を印加しても圧電体層４にクラックが生じ難くなる。尚、応力緩和部１０は、第２の電極層５の一部を切除してなる切除部で構成することも可能である。

上記応力緩和部１０（切除部１１）の幅ｘ（開口部１ａの長さ方向に沿った長さ）は、圧電体層４の厚さ以上でかつ開口部１ａの幅Ｂ以下であることが好ましい。これは、応力緩和部１０の幅ｘが圧電体層４の厚さよりも小さいと、開口部１ａの長さ方向の内部応力低減の効果が不十分となって、クラック発生防止の効果が小さくなる一方、開口部１ａの幅Ｂよりも大きいと、開口部１ａの長さ方向の内部応力は十分に低減できるものの、圧電体層４が収縮する領域が小さくなりすぎて圧電駆動部２のたわみ量が減少するからである。

上記のような応力緩和部１０は、１つの開口部１ａ上において少なくとも１つあればよいが、本実施形態のように、複数設ける場合には、複数の応力緩和部１０を開口部１ａの長さ方向に所定ピッチで並ぶように配設する。このとき、その配設ピッチ（相隣接する応力緩和部１０の幅方向中央間の距離）をｙとして、１＜ｙ／ｘ≦１００を満たすようにすることが好ましい。これは、ｙ／ｘの値は、１００よりも大きいと、クラック発生防止の効果が十分に得られなくなるからである。また、１＜ｙ／ｘ≦１０を満たすようにすることがより一層好ましい。尚、ｙ／ｘの値は、物理的に当然に１を超える。

上記圧電体層４の厚みは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。これは、圧電体層４を後述のような薄膜形成工程で容易に成膜することができるとともに、圧電特性を有効に発揮させることができるからである。

次に、上記長形ダイアフラム型圧電素子の製造方法を図３により説明する。

先ず、図３（ａ）に示すように、成膜基板としてのシリコン基板３１上に、第１の電極層３、圧電体層４、第２の電極層５及び振動板層６を順次スパッタリング法により形成し、その後、図３（ｂ）に示すように、上記振動板層６上にアルカリ現像型ドライフィルム３２をラミネートし、このドライフィルム３２を露光及び現像して、後に形成する開口部１ａに対応する位置において該開口部１ａと略同形状にパターニングする。

続いて、図３（ｃ）に示すように、上記振動板層６上における上記ドライフィルム３２が存在しない部分に、Ｎｉ電解めっきにより基材１を形成し、その後、図３（ｄ）に示すように、上記シリコン基板３１をＫＯＨ水溶液でエッチングすることで除去する。このとき、上記ドライフィルム３２も、アルカリにより劣化するために除去され、開口部１ａを有する基材１が出来上がる。

次いで、図３（ｅ）に示すように、上記第１の電極層３及び圧電体層４を上記開口部１ａと略同形状にパターニングするとともに、応力緩和部１０を形成するために第１の電極層３の一部を切除して切除部１１を形成することで圧電駆動部２が完成するとともに、長形ダイアフラム型圧電素子が完成する。

ここで、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例１）
先ず、上記実施形態１と同様に、シリコン基板３１上に、第１の電極層３、圧電体層４、第２の電極層５及び振動板層６を順次スパッタリング法により形成した。具体的には、第１の電極層３として、厚さ０．２μｍのＰｔ膜を、高周波電力１００Ｗ、プロセス圧力０．７Ｐａ、基板温度５００℃で成膜した。また、圧電体層４として、厚さ２μｍのＰＺＴ膜（Ｚｒ／Ｔｉ＝５８／４２、比誘電率８００）を、高周波電力８００Ｗ、プロセス圧力１Ｐａ、基板温度７００℃で成膜した。さらに、第２の電極層５として、厚さ３μｍのＣｕ膜を成膜し、振動板層６として、厚さ５μｍのＮｉ膜を成膜した。

続いて、上記振動板層６上にアルカリ現像型ドライフィルム３２をラミネートし、このドライフィルム３２を露光及び現像して、開口部１ａ（長さＬ＝１０００μｍ、幅Ｂ＝１００μｍ）に対応する位置において該開口部１ａと略同形状にパターニングし、この振動板層６上におけるドライフィルム３２が存在しない部分に、Ｎｉ電解めっきにより厚さ１００μｍの基材１を形成した。

次いで、上記シリコン基板３１を、８０℃、４ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ水溶液でエッチングすることで除去した。このとき、上記ドライフィルム３２も除去して開口部１ａを形成した。

その後、上記第１の電極層３及び圧電体層４を上記開口部１ａと略同形状（長さ９５０μｍ、幅９０μｍ）にパターニングするとともに、応力緩和部１０を形成するために第１の電極層３を切除して切除部１１を形成した。この切除部１１の長さは８０μｍであり、幅ｘ＝１０μｍ、配設ピッチｙ＝５０μｍ（ｙ／ｘ＝５）とした。

こうして作製した長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の第１及び第２の電極層３，５間に４０Ｖの駆動電圧を印加して１０００時間の連続駆動を行ったところ、圧電体層４等にクラックは全く生じなかった。また、駆動電圧を徐々に上げていったところ、１００Ｖで圧電体層４にクラックが生じた。

（実施例２）
この実施例２では、応力緩和部１０（切除部１１）の幅ｘを５μｍとし、配設ピッチｙを１０μｍ〜６００μｍの間で変化させ、その他は上記実施例１のものと同様とした。そして、ｙ／ｘの値が、クラック発生電圧（耐電圧）及び圧電駆動部２のたわみ量（振動板層６のたわみ量）にそれぞれどのように影響するかを調べた。尚、圧電駆動部２のたわみ量は、所定電圧（耐電圧よりも小さい）印加時におけるたわみ量である。

この結果を図６に示す。すなわち、ｙ／ｘの値が１００を越えると、クラック発生電圧は２５Ｖと略一定であり、応力緩和部１０を設けない場合と殆ど変わらない（後述の比較例参照）。一方、ｙ／ｘの値が１００以下では、クラック発生電圧の向上効果が得られるとともに、ｙ／ｘの値が小さいほど、クラック発生電圧が向上して、１０以下になると、その向上効果が著しいことが判る。尚、ｙ／ｘの値が１０以下になると、圧電駆動部１０のたわみ量も減少するが、クラック発生電圧が向上するので、駆動電圧を高くすることで、最大たわみ量は殆ど減少しなくなる。したがって、１＜ｙ／ｘ≦１００（特に１＜ｙ／ｘ≦１０）を満たすようにすることで、圧電駆動部１０のたわみ量の減少を抑制しつつ、耐電圧を向上させることができる。

（比較例）
この比較例では、上記実施例１に対して応力緩和部１０を形成しない点のみが異なり、その他は上記実施例１と同様とした。この比較例の長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の耐電圧を調べたところ、２５Ｖであった。また、４０Ｖの駆動電圧を印加して１０００時間の連続駆動を行うとしたが、途中で圧電体層４にクラックが生じて連続駆動を行うことはできなかった。

したがって、第１の電極層３の一部を切除して応力緩和部１０を形成することで、圧電駆動部１０のたわみ量を高レベルに維持しつつ、圧電体層４におけるクラックの発生を抑制して信頼性を向上させることができる。

（実施形態２）
図５及び図６は、本発明の実施形態に係る別の長形ダイアフラム型圧電素子を示し（尚、図１及び図２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）、応力緩和部１０の構成を上記実施形態１とは異ならせたものである。

すなわち、この実施形態２では、応力緩和部１０は、第１の電極層３と圧電体層４との間の一部に設けられかつ該圧電体層４よりも誘電率が低い低誘電率層１２（例えばポリイミドからなる）で構成されている。この構成により、圧電体層４において低誘電率層１２に対応する部分では、印加される電圧が他の部分よりも小さくなって収縮量も小さくなる。この結果、圧電体層４において開口部１ａの長さ方向に作用する内部応力が低減されることになる。尚、低誘電率層１２は、第２の電極層５と圧電体層４との間に設けてもよく、振動板層６が電極層を兼ねる場合には、その電極層としての振動板層６と圧電体層４との間に設けてもよい。

本実施形態２においても、上記実施形態１と同様に、応力緩和部１０（低誘電率層１２）の幅ｘは、圧電体層４の厚さ以上でかつ開口部１ａの幅Ｂ以下であることが好ましい。また、１＜ｙ／ｘ≦１００を満たすようにすることが好ましく、１＜ｙ／ｘ≦１０を満たすようにすることがより一層好ましい。さらに、圧電体層４の厚みは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態２に係る長形ダイアフラム型圧電素子の製造方法を図７により説明する。

先ず、図７（ａ）に示すように、基材１（この実施形態２では、シリコンからなる）を成膜基板として、該基材１上に、振動板層６、第２の電極層５及び圧電体層４を順次スパッタリング法により形成し、その後、図７（ｂ）に示すように、低誘電率層１２をスパッタリング法により形成し、この低誘電率層１２を、所定幅ｘで、後に形成する開口部１ａに対応する位置において該開口部１ａの長さ方向に所定ピッチ（配設ピッチｙ）で並ぶようにパターニングする。

続いて、図７（ｃ）に示すように、上記低誘電率層１２を形成した圧電体層４上に、第１の電極層３をスパッタリング法により形成し、その後、図７（ｄ）に示すように、上記第１の電極層３及び圧電体層４を開口部１ａと略同形状にパターニングすることで圧電駆動部２が完成する。

次いで、図７（ｅ）に示すように、上記基材１の一部をドライエッチングにより除去することで開口部１ａを形成し、このことで、長形ダイアフラム型圧電素子が完成する。

尚、上記実施形態１のように基材１とは別の基板３１上に各層を形成するようにして本実施形態２に係る長形ダイアフラム型圧電素子を製造してもよく、逆に、本実施形態２のように基材１上に各層を形成するようにして上記実施形態１に係る長形ダイアフラム型圧電素子を製造してもよい。

ここで、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例３）
この実施例３では、第２の電極層５と圧電体層４との間に、ポリイミドからなる応力緩和部１０としての低誘電率層１２を設けるとともに、上記実施例１と同様の方法（但し、圧電体層４形成後で第２の電極層５形成前に低誘電率層１２を形成する）により、長形ダイアフラム型圧電素子を製造した。低誘電率層１２は、厚さ０．５μｍで、幅ｘ＝５μｍ、配設ピッチｙ＝５０μｍ（ｙ／ｘ＝１０）とした。

こうして作製した長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の第１及び第２の電極層３，５間に４０Ｖの駆動電圧を印加して１０００時間の連続駆動を行ったところ、圧電体層４等にクラックは全く生じなかった。また、耐電圧は１２０Ｖであった。

（実施例４）
この実施例４では、上記実施形態２と同様に第１の電極層３と圧電体層４との間に応力緩和部１０としての低誘電率層１２を設けるとともに、上記実施形態２で説明した方法で長形ダイアフラム型圧電素子を製造した。このとき、振動板層６として、厚さ６μｍのＣｒ膜を、高周波電力２００Ｗ、プロセス圧力１Ｐａで成膜した。また、第２の電極層５として、厚さ０．２μｍのＰｔ膜を、高周波電力１００Ｗ、プロセス圧力０．７Ｐａ、基板温度５００℃で成膜した。さらに、圧電体層４として、厚さ２μｍのＰＺＴ膜（Ｚｒ／Ｔｉ＝５８／４２、比誘電率８００）を、高周波電力８００Ｗ、プロセス圧力１Ｐａ、基板温度７００℃で成膜した。さらに、第１の電極層３として、厚さ０．２μｍのＰｔ膜を、高周波電力１００Ｗ、プロセス圧力０．７Ｐａで成膜した。また、低誘電率層１２は、ポリイミドからなっていて、厚さ０．５μｍで、幅ｘ＝５μｍ、配設ピッチｙ＝１００μｍ（ｙ／ｘ＝２０）とした。そして、第１の電極層３及び圧電体層４は、上記実施例１と同様に、長さ９５０μｍ、幅９０μｍにパターニングした。

この長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の第１及び第２の電極層３，５間に４０Ｖの駆動電圧を印加して１０００時間の連続駆動を行ったところ、圧電体層４等にクラックは全く生じなかった。また、耐電圧は１２０Ｖであった。

したがって、第１の電極層３と圧電体層４との間又は第２の電極層５と圧電体層４との間に低誘電率層１２を設けて応力緩和部１０を形成することで、上記実施形態１と同様に、圧電駆動部１０のたわみ量を高レベルに維持しつつ、圧電体層４におけるクラックの発生を抑制して信頼性を向上させることができる。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態に係る更に別の長形ダイアフラム型圧電素子を示し、応力緩和部１０の構成を上記実施形態１，２とは更に異ならせたものである。

すなわち、この実施形態３では、応力緩和部１０は、圧電体層４において他の部分よりも圧電定数を低下させた低圧電定数部１３で構成されている。この低圧電定数部１３は、圧電体層４に対しレーザ光を部分的に照射したり、局所的に加熱したりして、圧電体層４の構造を部分的に変化させることで得られる。この構成により、圧電体層４において圧電定数が他の部分よりも低下した低圧電定数部１３では、他の部分よりも収縮量が小さくなる。この結果、圧電体層４において開口部１ａの長さ方向に作用する内部応力が低減されることになる。

本実施形態３においても、上記実施形態１と同様に、応力緩和部１０（低圧電定数部１３）の幅ｘは、圧電体層４の厚さ以上でかつ開口部１ａの幅Ｂ以下であることが好ましい。また、１＜ｙ／ｘ≦１００を満たすようにすることが好ましく、１＜ｙ／ｘ≦１０を満たすようにすることがより一層好ましい。さらに、圧電体層４の厚みは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。

ここで、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例５）
上記実施例１において圧電体層４形成後で第２の電極層５形成前に、ＹＡＧレーザ装置を用いて、該圧電体層４に対してレーザ光を部分的に照射して、圧電特性を持たないパイロクロア層に改質することで、応力緩和部１０としての低圧電定数部１３を形成した。この低圧電定数部１３は、幅ｘ＝５μｍ、配設ピッチｙ＝８０μｍ（ｙ／ｘ＝１６）とした。

この長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の第１及び第２の電極層３，５間に４０Ｖの駆動電圧を印加して１０００時間の連続駆動を行ったところ、圧電体層４等にクラックは全く生じなかった。また、耐電圧は１１０Ｖであった。

したがって、圧電体層４の一部を低圧電定数部１３として応力緩和部１０を形成することで、上記実施形態１、２と同様の作用効果が得られる。

（実施形態４）
図９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１に係る長形ダイアフラム型圧電素子（上記実施形態２又は３に係る長形ダイアフラム型圧電素子であってもよい）を複数備えている。この複数の長形ダイアフラム型圧電素子は、基材１の開口部１ａの幅方向（図９において紙面に垂直な方向）に並んでいる。そして、基材１、第２の電極層５及び振動板層６は、全圧電素子に共通の１つのもので構成されており、その基材１に複数の開口部１ａが該開口部１ａの幅方向に互いに所定間隔をあけて並設されている。

上記基材１における振動板層６とは反対側の面には、ノズル部材１７が接着層１８を介して設けられており、このノズル部材１７と上記振動板層６とによって、基材１の各開口部１ａが塞がれてその内部がインク室１９とされる。

上記ノズル部材１７は、上記各開口部１ａ（インク室１９）にそれぞれ接続された複数のインク供給孔１７ａとノズル孔１７ｂとを有している。この各インク供給孔１７ａの開口部１ａと反対側端は、ノズル部材１７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１７ｃにそれぞれ接続され、このインク供給室１７ｃ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１７ａより各開口部１ａ（インク室１９）内にインクが供給されるようになっている。そして、上記長形ダイアフラム型圧電素子の作動により、開口部１ａ内のインクが上記ノズル孔１７ｂ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１と同様にして作製したダイアフラム型圧電素子（但し、基材１には複数の開口部１ａを形成するとともに、その各開口部１ａにそれぞれ対応するように第１の電極層３及び圧電体層４をパターニングする）の基材１における振動板層６とは反対側の面に、予め作製しておいたノズル部材１７を接着層１８を介して接着固定すればよい。

（実施例６）
ここで、上記実施形態４と同様のインクジェットヘッド（長形ダイアフラム型圧電素子は上記実施例１と同様のもの）を作製し、このインクジェットヘッドの長形ダイアフラム型圧電素子における圧電駆動部２の第１及び第２の電極層３，５間に、周波数２０ｋＨｚで電圧が０Ｖから４０Ｖに変化する矩形波（４０Ｖであるときの時間：０Ｖであるときの時間＝９５：５）を連続１０日間印加してノズル孔１７ｂよりインクを吐出させたところ、圧電体層４等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１００Ｖ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。

また、上記実施例３、４及び５と同様の長形ダイアフラム型圧電素子をそれぞれ備えたインクジェットヘッドを作製して上記と同様の試験を行っても、同様の効果が得られた。

したがって、本発明の長形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することで、圧電駆動部２のたわみ量を高レベルに維持しつつ、インク室１９（開口部１ａ）の高密度配置並びにインクジェットヘッドの小型化及び高信頼性化を図ることができる。

尚、上記実施形態４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ノズル孔１７ｂ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１９、インク供給孔１７ａ及びインク供給室１７ｃ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５）
図１０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４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４におけるインク室１９）に連通するように設けたノズル孔（上記実施形態４におけるノズル孔１７ｂ）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１０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における長形ダイアフラム型圧電素子の圧電駆動部（上記実施形態４における圧電駆動部２）を駆動するための電圧供給手段２７（電源等）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、上記電圧供給手段２７により上記圧電駆動部を駆動して、インクジェットヘッド２２のノズル孔からインクを記録媒体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４と同様のインクジェットヘッド２２を備えているので、小型で信頼性が高く、また、高精細の画像を印刷することが可能となる。

尚、上記実施形態５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、電圧供給手段２７により圧電駆動部を駆動して、インクジェットヘッド２２のノズル孔からインクを記録媒体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。

本発明の長形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長形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の長形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。 ｙ／ｘの値と、クラック発生電圧及び圧電駆動部のたわみ量との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る別の長形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の長形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更に別の長形ダイアフラム型圧電素子を示す平面図である。 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。 従来の長形ダイアフラム型圧電素子を備えたインクジェットヘッドを示す断面図である。

符号の説明

１ 基材
２ 圧電駆動部
３ 第１の電極層
４ 圧電体層
５ 第２の電極層
６ 振動板層
１０ 応力緩和部
１１ 切除部
１２ 低誘電率層
１３ 低圧電定数部
１７ ノズル部材
１７ａ インク供給孔
１７ｂ ノズル孔
１９ 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

Claims (11)

1. 開口形状が、幅に対する長さの比が２以上の細長状である開口部を有する基材と、該基材上に上記開口部を覆うように設けられ、圧電体層と該圧電体層に電圧を印加するための電極層と該圧電体層を厚み方向にたわませるための振動板層とが積層された圧電駆動部とを備えた長形ダイアフラム型圧電素子であって、
   上記圧電駆動部における上記開口部上の部分に、該圧電駆動部の駆動時に該圧電駆動部の圧電体層において該開口部の長さ方向に作用する内部応力を緩和させる少なくとも１つの応力緩和部が、上記開口部の幅方向に延びるように形成されていることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
2. 請求項１記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   応力緩和部は、電極層においてその一部を切除してなる切除部で構成されていることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
3. 請求項１記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   応力緩和部は、電極層と圧電体層との間に設けられかつ該圧電体層よりも誘電率が低い低誘電率層で構成されていることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
4. 請求項１記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   応力緩和部は、圧電体層において他の部分よりも圧電定数を低下させた低圧電定数部で構成されていることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   応力緩和部の幅が、圧電体層の厚さ以上でかつ開口部の幅以下であることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   圧電駆動部における開口部上の部分に、複数の応力緩和部が該開口部の長さ方向に所定ピッチで並んで配設されており、
   上記応力緩和部の幅をｘとし、上記配設ピッチをｙとしたとき、
   １＜ｙ／ｘ≦１００
   を満たすことを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
7. 請求項６記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   １＜ｙ／ｘ≦１０
   を満たすことを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子において、
   圧電体層の厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする長形ダイアフラム型圧電素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子と、
   上記長形ダイアフラム型圧電素子の基材における圧電駆動部とは反対側の面に設けられ、該基材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ノズル孔とを有するノズル部材とを備え、上記長形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ノズル孔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。
10. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の長形ダイアフラム型圧電素子と、
    上記長形ダイアフラム型圧電素子の基材における圧電駆動部とは反対側の面に設けられ、該基材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ノズル孔とを有するノズル部材とを備え、上記長形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ノズル孔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。
11. 請求項１０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おける長形ダイアフラム型圧電素子の圧電駆動部を駆動するための電圧供給手段とを備え、
    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、上記電圧供給手段により上記圧電駆動部を駆動して、該インクジェットヘッドのノズル孔より基材の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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