JP2008211965A - 圧電体素子、インクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置 - Google Patents

圧電体素子、インクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置 Download PDF

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慎太郎 原
Hideaki Horio
英明 堀尾
Osamu Watanabe
渡邊　　修
Kazumi Sadamatsu
和美 貞松
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Abstract

【課題】圧力室の縁部に対応する位置の圧電体、圧電体の縁部を跨ぐリード電極、および圧電体の電極と接続されるＦＰＣ基板実装部等にクラック等が発生せず、駆動耐久性が高く、信頼性の高い圧電体素子を得ること。
【解決手段】ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、開口部を覆うように圧力室部材上に設けられた振動板と、この振動板上に設けられた下電極と、この下電極上に設けられた圧電体５と、この圧電体５上にあって、開口部１と対向する領域の内側に設けられた上電極６と、圧電体５上にあって、上電極６から延伸され上電極６よりも幅が狭いリード電極７とを備え、圧電体５は、開口部の縁部２ａに沿って所定の領域に設けられた溝部１２と、この溝部１２以外の領域であって、開口部の縁部２ａに沿って設けられた圧電体素子として実質的に機能しない非能動領域（圧電体非能動部１１）を備え、リード電極７を圧電体非能動部１１に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子や液体噴射装置等の圧電アクチュエータ、半導体記録装置および焦電型赤外線検出装置等に用いられる圧電体素子、この圧電体素子を用いたインクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置に関するものである。
圧電体素子は、一般的に、二つの電極（以下の説明では、下電極と上電極と呼称する）間に層状の圧電体（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））を配置したものである。この圧電体が、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する。この機能を利用して、圧電体素子は種々のデバイスに応用されている。
圧電体を構成する材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックが用いられている。ＰＺＴに代表される鉛系の圧電性セラミックは、高い圧電定数を示す等、種々の優れた特性を有し、圧電アクチュエータや焦電型赤外線検出素子、不揮発性メモリ素子などの様々な電子部品に用いられている。
圧電体素子の構成として、例えば（特許文献１）には、圧力室孔が設けられた基板上に、該圧力室孔を覆うように振動板が積層され、該振動板上に下電極、圧電体および上電極が積層されたダイアフラム型圧電体素子が知られている。
また、例えば（特許文献２）には、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電体を層状に積層し、この圧電体をリソグラフィー法等により各圧力室に対応させて切り分け、圧力室毎に独立した圧電体素子を形成する技術が提案されている。
また、例えば（特許文献３）には、圧電体素子の上電極を延伸して、上電極の周縁部から圧力室の周壁の外側に向かってリード電極をパターン化する構造が提案されている。
特開２００１−２８４６７１号公報 特開平０５−２８６１３１号公報 特開２００５−２１０８８７号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば、上電極と圧電体と下電極とが積層され、圧力室に実質的に圧力を発生する部分（以降、圧電体能動部と称する）が圧力室領域から圧力室の周壁領域外（即ち、圧力室の縁部の外側）にはみ出ていると、圧電体能動部で発生した圧力を効果的にインクへ伝えることができず、圧力室領域の発生圧力に不均一が生じる。
また、リード電極に、圧力室とその周壁の境界部でクラック等が発生しやすいという問題がある。リード電極にクラックが発生すると、断線が起こったり、圧電体にリーク電流が流れたりする。
さて、圧電体素子の駆動による振動板の変位効率を向上させるために、圧電体素子の周縁部の振動板を薄くする構造が提案されているが、このような構造は、特に、圧力室とその周壁の境界部でのクラック発生を助長するおそれがある。
これらのクラックの問題は、特に、圧電体を成膜技術で形成した場合に生じやすい。これは、成膜技術で形成した層状の圧電体（圧電体薄膜）が非常に薄く、膜の形成過程における残留応力が残っていて、圧電体を貼り付けにより形成したものと比較して、剛性、強度が低いためである。特に、結晶成長を制御して形成した柱状構造の圧電体は、クラックが入りやすい傾向がある。
また、成膜技術で圧電体を形成すれば、リソグラフィー法等による製造過程において、パターン形成の高精度化や高密度化を行いやすいという利点があるが、素子を高密度化するには、設計上、種々の問題が残されている。
即ち、圧電体素子を平面上に高密度に配列するためには、圧電体素子間の間隔を狭くする必要があり、千鳥配列等の複数列の配列を採用したりして、同一面積になるべく多くの素子を配置する工夫がなされる。しかし、このような構造とすると、配線が同一平面上で行なわれ、圧電体素子間にリード配線を配置しなければならない等の制約がある。
更に、圧電体素子はその製造工程において、圧力室とその周壁の境界部以外でも、圧電体にクラック等の破壊が発生する場合がある。特に、成膜技術で形成された圧電体は、残留応力を残しており、製造工程を経るに従って応力バランスが崩れ、結果として、クラック等の割れが生じることがある。
即ち、電極パターンニングや圧電体のエッチング工程、これらの工程に付随するアニール工程等で圧電体の応力集中部や応力に弱い構造部分にクラックが発生し、このクラックがリード電極部分まで及べば断線となる。これらの問題は、圧電体素子作成工程における応力制御の問題でもあるが、工程ばらつき等があるので、クラックの発生を抑えるのはかなり困難である。
更に、上電極から延伸されたリード電極の端部に設けられたパッド部にＦＰＣ基板を実装する場合にも、実装時の押圧により圧電体にクラック等の破壊が生じリード電極が断線したり、実装時の異物の噛み込みにより圧電体にクラックが発生し、このクラックにより上電極と下電極との間でショートが発生したり、長期駆動時のリーク電流発生等が起こり、信頼性が低下する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、圧力室の縁部領域における圧電体、リード電極部およびＦＰＣ基板実装部にクラック等が発生せず、高効率で駆動耐久性が高く、信頼性の高い圧電体素子をえることを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明の圧電体素子は、ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、開口部を覆うように圧力室部材上に設けられた振動板と、この振動板上に設けられた下電極と、この下電極上に設けられた圧電体と、この圧電体上にあって、開口部と対向する領域の内側に設けられた上電極と、圧電体上にあって、上電極から延伸され上電極よりも幅が狭いリード電極とを備え、圧電体は、開口部の縁部に沿って所定の領域に設けられた溝部と、この溝部以外の領域であって、開口部の縁部に沿って設けられた圧電体素子として実質的に機能しない非能動領域を備え、リード電極を非能動領域に配置するようにしたものである。
本発明によれば、圧力室孔の縁部の上方に形成された圧電体において、圧電体素子の駆動時の応力が緩和され、クラック等による破壊が防止される。
本発明の圧電体素子は、ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、開口部を覆うように圧力室部材上に設けられた振動板と、この振動板上に設けられた下電極と、この下電極上に設けられた圧電体と、この圧電体上にあって、開口部と対向する領域の内側に設けられた上電極と、圧電体上にあって、上電極から延伸され上電極よりも幅が狭いリード電極とを備え、圧電体は、開口部の縁部に沿って所定の領域に設けられた溝部と、この溝部以外の領域であって、開口部の縁部に沿って設けられた、圧電体素子として実質的に機能しない非能動領域（圧電体非能動部）を備え、この非能動領域にリード電極を配置、延伸するようにしたものである。
この構成によって、振動拘束部（圧力室孔の縁部）を跨いで延伸されるリード電極に対する応力を緩和し、クラック等の破壊を防止することができる。
また本発明は、ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、開口部を覆うように、圧力室部材上に設けられた振動板と、この振動板上に設けられた下電極と、この下電極上に設けられた圧電体と、この圧電体上にあって、開口部と対向する領域の内側に設けられた上電極と、圧電体上にあって、上電極から延伸され開口部の縁部を跨ぐ、上電極よりも幅が狭いリード電極とを備え、リード電極が開口部の縁部を跨ぐ領域の近傍を除き、圧電体には開口部の縁部に沿う領域に溝部が設けられ、この溝部のリード電極に面する側の端部を、リード電極側が凸となる曲線形状としたものである。
この構成によって、振動拘束部（圧力室孔の縁部）を跨いで延伸されるリード電極に対する応力を緩和し、クラック等の破壊を防止することができる。
また本発明は、上述した溝部を、開口部の縁部とオーバーラップする領域に、少なくとも下電極の表面まで到達する深さで設けている。
この構成によって、圧電体素子の高密度化を可能にし、圧電体素子の駆動による振動板の変位効率を向上させ、更に振動拘束部（圧力室孔の縁部）近傍の圧電体の振動による応力を緩和し、圧電体のクラック等による破壊を防止することができる。
また本発明は、開口部の縁部の形状を、略楕円形状としたものである。
この構成によって、実質的に圧電体素子として機能する圧電体能動部の形状も、事実上楕円形状となり、この形状にはエッジ部分が存在しないため、応力集中による圧電体素子の破壊を防止することができる。
また本発明は、上述の溝部の端部を、リード電極に面する側において、溝部よりも幅の広い略円形状としたものである。
この構成によって、振動拘束部（圧力室孔の縁部）を跨いで延伸されるリード電極に対する応力を緩和し、クラック等の破壊を防止することができる。
また本発明は、上電極から延伸されて配置されたリード電極の側方に、圧電体を除去した凹部を設けたものである。
この構成によって、圧電体素子の高密度配列を保ったまま、圧電体非能動部に内在する応力が開放され、振動拘束部の近傍での振動が抑制され、クラック等の破壊を防止することができる。
また本発明は、上述の圧電体を除去した凹部と、上述の溝部とを連通させたものである。
この構成によって、振動拘束部の近傍での振動が更に抑制され、クラック等の破壊を防止することができる。
また本発明は、開口部と対向する領域の外側において、上電極と圧電体の間、または圧電体と下電極の間のいずれかに、絶縁体層を備えるものである。
この構成によって、絶縁体層が積層された領域の境界に生じる段差部が、実質的に圧電体素子の駆動時の振動の影響を受けない領域に配置されることにより、段差部を起点とするクラック等の破壊が起こらない。また、リード電極は絶縁層を介して圧電体上に延伸されていることにより、リード電極部の絶縁性を確保され、更に、リード電極の蓄電容量を低減させて圧電体素子の駆動時の信頼性と性能を向上させることができる。
また本発明は、溝部の端部と上電極から延伸されたリード電極の間に、開口部の縁部を跨ぐように振動抑制部を設けたものである。
この構成によって、振動拘束部近傍の圧電体非能動部の応力を抑制することができる。
また本発明は、振動抑制部を、圧電体よりヤング率の高い材料で構成したものである。
この構成によって、圧電体非能動部の剛性や強度を向上させ、更に振動を抑制することができる。
また本発明は、振動抑制部を、上電極と同じ材料で構成したものである。
この構成によって、振動抑制部を圧電体素子の製造工程において上電極と同時に形成することができ、素子製造工程が簡略化される。
また本発明は、振動抑制部を、水分を透過しない金属、無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性材料で構成したものである。
この構成によって、圧電体非能動部の圧電体が、水分の侵入、吸着により劣化し、物性変化によりクラック等の破壊が起こりやすくなるのを防ぐことができる。
また本発明は、振動抑制部を、気相成膜法により形成したものである。
これによって、振動抑制部を均一に高精度に形成することができる。
また本発明は、リード電極が引き出される方向における、上電極の端部と開口部の縁部までの水平距離をＮとし、リード電極が引き出される方向と反対の方向における、上電極の端部と開口部の端部までの水平距離をＭとするとき、Ｎ＞Ｍの関係を満たすようにしたものである。
この構成によって、圧電体素子の駆動による振動板の変位効率を低下させずに、振動拘束部における応力を低減させることができる。
また本発明は、圧電体の厚みをｔとし、圧電体の上に設けられたリード電極と溝部までの最端距離をＷとするとき、Ｗ＞２ｔの関係を満たすようにしたものである。
この構成によって、圧電体非能動部の効果が有効に発揮され、振動拘束部の応力を低減することができる。
また本発明は、縁部を跨ぐリード電極の幅をｗとするとき、更に（２Ｗ＋ｗ）≧３ｔの関係を満たすようにしたものである。
この構成によって、リード電極の幅が、圧電体非能動部の効果を有効に発揮させる幅となり、圧電体素子の高密度化と振動拘束部の応力の低減を両立させることができる。
また本発明は、上電極から延伸されたリード電極の端部に表面実装用のパッド部が形成され、このパッド部の側方に、圧電体を除去した凹部を形成したものである。
この構成によって、圧電体の除去により内部応力を解放し、隣接するパッド部間で圧電体層を不連続としてＦＰＣ実装時の押圧による圧電体層のクラック、特に、パッド部を横断するクラックの発生を防止することができる。
また本発明は、振動板と下電極とを兼ねる導電性部材を備え、溝部を、開口部の縁部とオーバーラップする領域に、導電性部材の表面まで到達する深さで設けたものである。
この構成によって、圧電体素子の駆動による振動板と下電極を兼ねる導電性部材の変位効率を向上させ、更に振動拘束部（圧力室孔の縁部）近傍の圧電体の振動による応力を緩和し、圧電体のクラック等による破壊を防止することができる。
また本発明は、振動板が圧縮応力になるように形成したものである。
この構成によって、振動エネルギーの有効活用と、圧電体の応力調整により振動拘束部のクラックの発生を防止することができる。
また本発明は、振動板と下電極と圧電体と上電極からなる積層体の内部応力の総和が圧縮応力になるように形成したものである。
この構成によって、圧電体を含む積層体の応力調整により振動拘束部のクラックの発生を防止することができる。
また本発明は、上電極の縁部と圧電体との段差部を覆う絶縁体を形成したものである。
この構成によって、圧電体と上電極の密着性の向上が図れ、長期駆動における信頼性が向上する。
また本発明は、絶縁体を圧電体層よりヤング率の低い材料で形成したものである。
この構成によって、圧電体の振動特性を阻害することなく、長期駆動における信頼性が向上する。
また本発明は、絶縁体を、水分を透過しない無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性材料で構成したものである。
この構成によって、圧電体と上電極の界面剥離の進行を防止することが出来、振動特性を阻害することなく、長期駆動における信頼性が向上する。
また、本発明の圧電体素子を備えるインクジェットヘッドは、駆動耐久性が高く、長期信頼性が確保できる
また、本発明の圧電体素子を備えるインクジェット式記録装置は、高性能で信頼性が向上したものとなる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を示す平面図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を図示したものである。
図３は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の断面図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を図示したものである。
図１〜図３に示すように、平板状の圧力室部材Ａには、圧力室２を形成する複数の楕円形（図１に一点破線で示してある）の圧力室孔１が設けられている（圧力室孔１は圧力室部材Ａに設けられた開口部である）。圧力室部材Ａの一方の面には、圧力室孔１を覆うように振動板３が設けられている。
なお、圧力室部材Ａにおいて、振動板３が設けられる面と反対側の面には、後述するように、ノズル１０８（ノズル開口）が設けられる（図１８を参照。図１８において、符号１０８がノズルを示し、符号１０２が圧力室を示す。そしてノズル１０８と連通して、開口部である圧力室孔１０１が設けられている）。
楕円形の圧力室孔１（圧力室２）は、圧力室部材Ａの長手方向に所定の間隔で配列され、この圧力室孔１を覆うように（あるいは塞ぐように）振動板３が設けられ、この振動板３の上に下電極４が設けられ、更に下電極４上に圧電体５が設けられ、更に圧電体５上に上電極６が設けられ、この上電極６からリード電極７が延伸されている。なお、振動板３、下電極４、圧電体５、上電極６は後述するようにスパッタ法によって積層体として形成される。
楕円形の圧力室孔１とその周壁２ｂとの境界（以降、「開口部の縁部２ａ」と呼称する）の上方の圧電体５は、開口部の縁部２ａに対向（より具体的には開口部の縁部２ａとオーバーラップ）するように、所定幅で下電極４の深さまで、即ち下電極４の表面に到達する深さまで除去されている。即ち、圧力室孔１の平面領域内に楕円形の半島状の圧電体能動部９を形成する（囲む）所定幅の楕円状の溝部１２が設けられている。即ち、溝部１２は環状に設けられる。
なお、振動板３と下電極４は１つの導電性部材（例えばＣｒをスパッタリングして形成する）によって兼用することができる。この場合、上述した溝部１２は、開口部の縁部２ａとオーバーラップする領域に、この導電性部材の表面まで到達する深さで設けられることとなる。
なお、溝部１２の深さは、少なくとも、下電極４あるいは振動板３と下電極４を兼用する導電性部材の表面に到達する深さに設けられていればよく、下電極４あるいは振動板３と下電極４を兼用する導電性部材の内部にまで及ぶ深さであってもよい。圧電体素子の製造プロセスにおいて、エッチング等によって圧電体５のみを除去しようとしても、実際は下電極４等まで溝部１２の深さが及ぶ場合があるが、本発明はそのような状況を除外するものではない。
また、振動板３によって、上電極６側へのインクの浸透等を防ぐことが可能であれば、下電極４を除去しても支障は起こらない。即ち、このとき溝部１２は下電極４を貫通し、振動板３に到達する深さに構成されている。
この溝部１２によって、上電極６と下電極４の間に圧電体５を備える領域と、下電極４と圧電体５は備えるが、上電極６が設けられない「残存する圧電体部６０」が分断される（図２参照）。
ここで、上電極６と下電極４の間に圧電体５を備える領域は、圧電体能動部９を構成する。圧電体能動部９とは実質的に圧電体素子として機能する部分であり、下電極４と上電極６に電圧を印加することで、その間に挟まれた圧電体５が変形する。その結果振動板３が圧力室２側に凸に変形し、振動板３によって覆われた圧力室２に対して圧力が付与される。そして、圧力室２に充填されたインク（図示せず）をノズル（図示せず）から吐出する。
図１に明瞭に示されるように、溝部１２は開口部の縁部２ａの全領域にわたって設けられているわけではない。即ち、上電極６から延伸するリード電極７が配置された領域には溝部１２は設けられていない。この溝部１２が設けられていない領域は、実質的に圧電体素子として機能しない非能動領域（以降、圧電体非能動部１１と呼称する）であり、図１に示すようにリード端子７で分断されているという意味で不連続な領域となっている。
また楕円形の上電極６が、圧電体能動部９の平面領域内に設けられている。
溝部１２の不連続部（圧電体非能動部１１）は圧電体５が除去されていない領域であり、圧電体能動部９における圧電体５と溝部１２の外の圧電体５を繋ぐ領域である。
さて、リード電極７は、楕円形の上電極６の一端部から上電極６の幅より狭い幅で延伸され、このリード電極７は圧電体非能動部１１上に配置され、開口部の縁部２ａを跨いでＦＰＣを実装するパッド部８まで延設されている。
このような構成において、開口部の縁部２ａは圧電体５の振動拘束部１０となっている。即ち、開口部の縁部２ａを境に、上電極６の側は圧電体素子として変位し、一方のパッド部８の側は変位しない。よって振動拘束部１０は圧電体素子の変位による屈曲が集中する部位であり、金属疲労等に基づくクラックが生じやすい。
圧電体素子を高密度化するためには、素子間隔を狭くする必要があり、更に、千鳥配列等の複数列の配列にすると、一部の素子間にリード配線（図示せず）を設ける必要がある。溝部１２は、高密度化の程度によってその溝幅が決まるが、エッチング工程の精度や位置精度の面から、少なくとも圧電体５の層厚（膜厚）より溝幅を広くするのが望ましい（図２は、デフォルムされて溝幅が膜厚より狭く描かれている）。
図２２は、本発明の実施の形態１における溝部１２の他の構成例を示す断面図である。
図２２に示すように、溝部１２の断面形状は上電極６側の開口部が広く、下電極４側に向かって狭くなる略台形状となっていることが好ましい。このとき、残存する圧電体６０および圧電体５の断面形状は下電極４側が広いテーパー状となる。
また、溝部１２の環が途切れる端部においても、圧電体非能動部１１に面した溝部１２の断面は略台形状であり、ここでも圧電体５の断面はテーパー状をなす。
このように、溝部１２の側面は圧電体非能動部１１の一部をなすが、圧電体能動部９が振動した場合、上電極６側から下電極４側にかけて、圧電体５を末広がり状のなだらかな斜面を持つ（即ちエッジ部分を持たない）ように構成すると応力緩和が図れ、圧電体５の端部のクラックを防ぐのに非常に有効である。このとき図２２に示すように、圧電体５の斜面が下電極４と接する部分が、開口部の縁部２ａの内側に収まる範囲でないと逆に振動の拘束点ができてクラックが増加してしまう場合があるため、圧電体５に設けられた斜面が下電極４と接する部分を、開口部の縁部２ａの内側に設けることが望ましい。
また、圧電体素子を千鳥配列等の複数列の配列にすると、圧電体素子と圧電体素子の間の「残存する圧電体６０」の上にリード電極７を設ける必要がでてくる。ここで溝部１２の断面形状が逆（順テーパー状）とすると、「残存する圧電体６０」において強度が不足し、製造時のばらつきを考慮すると、圧電体素子およびリード電極７の配置等の高密度化に支障をきたす可能性がある。
また、配線部や隣接する圧電体素子に影響を及ぼさない位置まで溝部１２の幅を広げてもよい。
なお、溝部１２を開口部の縁部２ａの外側に設けることも考えられるが、そのように構成した場合、開口部の縁部２ａとオーバーラップする領域には圧電体５が配置されることとなる。従って開口部の縁部２ａとオーバーラップする圧電体５の領域は全て振動拘束部となるため、この部分にクラックが生じる場合がある。また、振動拘束部が増え、圧電体５の発生圧力を効率的にインクに伝えることができない。
また圧電体５に電界を印加し、振動させた場合には、残存する内部応力もクラックや発生圧力に影響を与える。特に振動板３はインクに有効にエネルギーを伝えるため、圧縮の内部応力を持つように形成することが好ましい。これは伸びきった弦で弓を引くより、緊張状態の弦で弓を引く方が、矢はより遠くに飛ばせるのに例えられる。更に振動板３の内部応力は圧電体５にも影響を及ぼし、振動板３として圧縮応力を備える膜を形成することで圧電体５のクラック、特に振動拘束部１０を防ぐことが可能となる。
これは一般的に振動板３は圧電体５よりヤング率が大きく、膜厚も厚いため、圧電体素子を構成する上電極６と下電極４も含めた積層体の中で応力制御を行う役目も担い、結果的に圧電体５に有効な圧縮応力を与えることとなる。圧電体５は通常高温状態で成膜されるが、たとえばシリコンのようなＰＺＴより線膨張係数が低い基板を使い、この基板上にＰＺＴで圧電体５を形成すると、室温に戻したときに線膨張係数の差により引っ張り応力となる。引っ張り応力の薄膜は一般的にクラックが入りやすいが、振動板３に圧縮応力を付与し、圧電体素子をこの振動板３を含む積層体として捉えて、全体で応力調整を行うと、クラックが防止できることがわかった。なお振動板３を含めず、下電極４と上電極６と、これらに挟まれた圧電体５からなる積層体の内部応力の総和が圧縮応力になるように形成されている場合も同様の効果が示される。この場合振動板以外の電極に圧縮応力の一部を肩代わりさせるような応力配分が好適である。
なお、振動板３が圧縮応力を備えるようにするには、振動板３を形成する際のスパッタ条件において、イオンの打ち込みエネルギーを大きくするような方法が一般的に用いられる。例えば基板温度を維持したままで、スパッタガス圧を低下させ、高出力でスパッタリングすればよい。具体的な条件は後述する。
実施の形態１によれば、上電極６に覆われた圧電体能動部９の周縁部の殆どの圧電体５を、溝部１２により除去しているので、圧電体素子の駆動による振動板３の変位効率が向上するとともに、圧電体素子間の変位ばらつきが小さくなっている。更に圧電体能動９における振動拘束部となり得る部分の圧電体５は、溝部１２によって除去されているので、環状に形成された溝部１２の周囲の圧電体５にクラックが発生することはなく、高い信頼性を確保することが可能となる。
さて上述のように、リード電極７は開口部の縁部２ａを跨いでパッド部８へと延伸されており、リード電極７において、開口部の縁部２ａの真上に位置する振動拘束部１０は、圧電体５の変位の拘束点になるため、応力により圧電体５にクラックの破壊が生じやすい。そこで、リード電極７を上電極６より幅を狭くし、実質的に圧電体素子として機能しない領域である圧電体非能動部１１にリード電極７を延伸して、リード電極７にかかる応力を緩和している。
次に、図１４〜図１７を参照して、実施の形態１の圧電体素子の製造方法を説明する。
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の積層工程を示す説明図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室孔形成工程を示す説明図、（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の接着剤の付着工程を示す説明図である。
図１４（ａ）に示すように、基板１２０上に順に（ただし図面上は、上下を逆に記載している）、密着層１２１、上電極１０３、層状の圧電体１１０（図１における圧電体５に相当）、絶縁体層１１５を積層形成する。絶縁体層１１５は、リード電極７およびパッド部８（共に図１等を参照）を覆うように所定の形状にパターンニングする。更に、下電極１１２および振動板１１１を、スパッタリング法により成膜、積層する。
密着層１２１は、基板１２０と上電極１０３との密着性を高めるために、基板１２０と上電極１０３との間に形成するものであり、これらの間の密着性が高いのであれば必ずしも密着層１２１を形成する必要はない。密着層１２１は、後述するように、基板１２０と同様に除去される。振動板１１１の素材はＣｒである。
基板１２０は、１８ｍｍ角に切断したＳｉ基板であるが、この基板１２０は、Ｓｉ基板に限られるものではなく、ガラス基板、金属基板またはセラミックス基板を用いてもよい。また、基板サイズも１８ｍｍ角に限られるものではなく、Ｓｉ基板であれば、φ２〜φ１０インチのウエハを用いてもよい。
密着層１２１は、Ｔｉターゲットを用い、基板１２０を４００℃に加熱しながら１００Ｗの高周波電力を印加し、１Ｐａのアルゴンガス中で１分間成膜することにより得られる。
この条件において、密着層１２１の膜厚は０．０２μｍとなる。なお、密着層１２１の素材は、Ｔｉに限られず、タンタル、鉄、コバルト、ニッケルまたはクロム、もしくは、それら（Ｔｉを含む）の化合物であってもよい。また、膜厚は、０．００５μｍ〜０．２μｍの範囲であればよい。
上電極１０３は、Ｐｔターゲットを用い、基板１２０を６００℃に加熱しながら、１Ｐａのアルゴンガス中で、２００Ｗの高周波電力で１２分間成膜することにより得られる。
この条件において、上電極１０３の膜厚は０．２μｍとなり、（１１１）面に配向する。なお、上電極１０３の素材は、Ｐｔ、イリジウム、パラジウムおよびルテニウムの群から選ばれた少なくとも１種の貴金属、もしくは、それらの化合物であればよく、膜厚は、０．０５μｍ〜２μｍの範囲であればよい。
圧電体１１０は、多元スパッタ装置を用いて形成する。ターゲットには、化学量論組成よりＰｂ量の多いＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７、Ｐｂが２０モル％過剰）の焼結体ターゲットを用いる。真空中で予めヒーターにより基板加熱を行い、基板１２０の温度５８０℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１５：５）において、真空度０．３Ｐａ、高周波電力２５０Ｗの条件で１８０分間成膜することにより、３μｍの膜厚を堆積させる。
なお、圧電体１１０のＺｒ／Ｔｉ組成は、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０〜７０／３０であればよく、膜厚は、１〜５μｍの範囲であればよい。また、圧電体１１０の素材としては、ＰＺＴにＬａ、Ｓｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の添加物を添加したもの等、ＰＺＴを主成分とする圧電材料を用いてもよく、ＰＭＮやＰＺＮであってもよい。
圧電体１１０は、上述したスパッタ条件で作成したものを、断面ＳＥＭ観察を行うと、結晶粒が柱状構造を有しており、その柱状粒子径は、０．２μｍであった。
絶縁体層１１５は、感光性ポリイミド樹脂をスピンコート法により塗布し、露光および除去により所定形状にパターン化した後、所定温度により焼成、硬化させる。他の方法として、ＳｉＯ2等の無機材料をスパッタリング法により成膜することも可能である。
下電極１１２は、Ｐｔターゲットを用い、室温において１Ｐａのアルゴンガス中、２００Ｗの高周波電力で１０分間成膜することにより得られる。
この条件において、下電極１１２の膜厚は、０．２μｍとなる。なお、層状の下電極１１２の素材は、Ｐｔに限られず、導電性素材であればよく、膜厚は、０．１μｍ〜０．４μｍの範囲であればよい。
振動板１１１は、Ｃｒターゲットを用い、室温において１Ｐａのアルゴンガス中、２００Ｗの高周波電力で６時間成膜することにより得られる。
この条件において、振動板１１１の膜厚は３．０μｍとなる。振動板１１１の素材は、Ｃｒに限られず、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン、もしくは、これらの酸化物または窒化物（例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）等であってもよい。また、振動板１１１の膜厚は、１μｍ〜１０μｍであればよい。
なお上述したスパッタ条件により、振動板３は圧縮応力を付与した状態で形成される。成膜された膜が圧縮応力を備えるか否かは上記したものと同一条件で所定の基板（たとえばフラットなシリコン）上に成膜してみて、基板の反りを測定することで判断できる。膜面を上にして基板が上に凸状態であれば、その膜は圧縮応力を備えると判断でき、反り量から内部応力の計算を行い、好適な範囲で成膜条件を制御する。また実施の形態１において、振動板１１１まで積層した状態で反り量を測定すると、膜面を上にして凸形状となっており、成膜前の状態から比較すると圧縮応力となっていることが確認できた。
一方、図１４（ｂ）に示すように、圧力室部材Ａを形成する。
図１９は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材が形成される基板を示す説明図である。
図１９に示すように、圧力室部材Ａは、上述の基板１２０よりも大きいサイズ、例えば、４インチウエハのＳｉ基板１３０を用いて形成する。
具体的には、まず、Ｓｉ基板１３０（圧力室部材用）に対し、複数の圧力室孔１０１形状をパターンニングする。このパターンニングは、図１４（ｂ）に示すように、４つの圧力室孔１０１を１組とし、各組を区画する区画壁１０２ｂの厚さを、各組内の圧力室孔１０１を区画する周壁１０２ａの厚さの約２倍の厚さとしている。
次に、パターンニングされたＳｉ基板１３０を、ケミカルエッチングまたはドライエッチング等でエッチング加工し、長手方向に複数の圧力室孔１０１を配列形成した圧力室部材Ａが得られる。
次に、成膜後の基板１２０と圧力室部材Ａとを接着剤を用いて接着する。この接着剤の付着は電着による。即ち、まず、図１４（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａの接着面としての圧力室の区画壁１０２ｂおよび周壁１０２ａの上面に、接着剤１１４を電着により付着させる。
具体的には、図示はしないが、区画壁１０２ｂおよび周壁１０２ａの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのＮｉ薄膜をスパッタ法により形成し、次に、このＮｉ薄膜上に、パターンニングされた樹脂接着層となる接着剤１１４を形成する。
電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に０〜５０重量部の純水を加えてよく攪拌混合した溶液を用いる。Ｎｉ薄膜の膜厚を光が透過するほど薄くするのは、Ｓｉ基板１３０（圧力室部材Ａ）に樹脂接着剤が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。
実験によれば、電着条件は、液温約２５℃、直流電圧３０Ｖ、通電時間６０秒が好適であり、この条件下で約３〜１０μｍのアクリル樹脂を、Ｓｉ基板１３０（圧力室部材Ａ）のＮｉ薄膜上に電着させる。
図１５（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の成膜後の基板と圧力室部材との接着工程を示す説明図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の縦壁の形成工程を示す説明図である。
図１５（ａ）に示すように、成膜後の基板１２０と圧力室部材Ａとを、電着された接着剤１１４により接着する。基板１２０に成膜された中間層１１３を基板側接着面として接着する。
また、成膜用の基板１２０は１８ｍｍ角のサイズであり、圧力室部材Ａを形成するＳｉ基板１３０は、４インチサイズと大きいので、図１９に示すように、複数個（図１９では１４個）の基板１２０を１個の圧力室部材Ａ（Ｓｉ基板１３０）に貼り付ける。この貼り付けは、図１５（ａ）に示すように、各基板１２０の中心が圧力室部材Ａの区画壁１０２ｂの中心に位置するように位置決めされた状態で行われる。
基板１２０を貼り付けた後、圧力室部材Ａを基板１２０側に押圧して密着させ、接着部の液密性を高める。更に、接着した基板１２０および圧力室部材Ａを加熱炉内で徐々に加熱昇温し、接着剤１１４を完全に硬化させる。硬化後、プラズマ処理を行ない、接着部から圧力室孔１０１側にはみ出た接着剤１１４を除去する。
なお、上記では、成膜後の基板１２０と圧力室部材Ａとを接着したが、圧力室孔１０１を形成する前の段階で、Ｓｉ基板１３０（圧力室部材用）を成膜後の基板１２０に接着するようにしてもよい。
次に、図１５（ｂ）に示すように、圧力室部材Ａの各区画壁１０２ｂおよび周壁１０２ａをマスクとして、中間層１１３をエッチングし、各区画壁１０２ｂおよび周壁１０２ａに連続する縦壁形状に仕上げる。
なお、この周壁１０２ａの縁部が、図３等を用いて説明した開口部の縁部２ａに相当する。
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の成膜用基板および密着層の除去工程を示す説明図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の上電極層の個別化工程を示す説明図である。
図１６（ａ）に示すように、成膜用の基板１２０および密着層１２１をエッチングにより除去する。
次に、図１６（ｂ）に示すように、上電極１０３層をフォトリソグラフィー技術を用いてエッチングし、圧力室部材Ａの各圧力室孔１０１の上方に形成される各圧電体能動部９（図１等を参照）に対応させて個別化する。このとき同時に、各上電極１０３（図１の符号６が対応する）から延長されるリード電極７およびパッド部８（いずれも図１等を参照）を、エッチングにより所定形状に形成する。なお、図１６（ｂ）では、リード電極７およびパッド部８は図面に垂直な方向に形成されており、図面上は省略されている。
図１７（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧電体の個別化工程を示す説明図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材の切断工程を示す説明図である。
図１７（ａ）に示すように、圧電体１１０が複数の半島状の圧電体能動部９（図１参照）および半島の幅狭の付け根部（圧電体非能動部１１（図１参照））の形状になるように、感光性樹脂を塗布、除去してパターンニングし、ドライエッチングにより溝部１２（図１等を参照）を設ける。既に説明したように、溝部１２は下電極１１２に到達する深さまで形成される。圧電体能動部９は、圧力室孔１０１の平面領域内に形成され、各上電極１０３および各圧電体能動部の中心が、対応する各圧力室孔１０１の中心に高精度で一致するように形成される。
なお、図１７（ａ）、（ｂ）においては、図面が複雑になることを避けるために、分断された各圧電体１１０の間に本来は残存する圧電体（図２に示す「残存する圧電体６０」）の記載を省略しているが、実際は図２の記載に従う。
なお、エッチングによる溝壁形状は、前述したように断面形状は上電極側の開口部が広く、下電極側に向かって狭くなる略台形状となっている（図２２を参照）。また、エッチングは、ドライエッチングとしたが、ウェットエッチングでもよい。以上のようにして、上電極層１０３および圧電体１１０を圧力室孔１０１毎に個別化して圧電体素子を形成する。なお、実施の形態１では、接着により圧力室部材を形成したが、振動板形成後に、Ｎｉメッキ等により、振動板上に直接、圧力室部材を形成してもよい。
また、実施の形態１では、成膜用の基板１２０に対し順に、上電極１０３以下の膜を積層し、積層後、成膜用の基板１２０を除去したが、圧力室部材Ａの上に振動板１１１を形成し、順に、下電極１１２、絶縁体層１１５、圧電体１１０、上電極１０３を成膜してもよい。また、絶縁体層１１５は、圧電体１１０と上電極１０３の間に形成してもよい。
図１８は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を用いたインクジェットヘッドの要部の構成を示す構成図である。
図１８に示すように、圧力室部材Ａには、その厚さ方向（上下方向）に貫通する圧力室孔１０１が形成されている。圧力室孔１０１の上部を覆うように、圧電体素子部Ｂが配置され、圧力室孔１０１の下部を覆うように、インク流路部材Ｃが配置されている。圧力室孔１０１は、その上下を圧電体素子部Ｂおよびインク流路部材Ｃにより閉塞され、圧力室１０２となっている。
インク流路部材Ｃは、各圧力室１０２が共用する共通液室１０５と、共通液室１０５のインクを各圧力室１０２に供給するための各供給口１０６と、圧力室１０２内のインクを吐出させるためのインク流路１０７とを有している。インク流路部材Ｃの下側に貼付されたノズル板Ｄには、インク流路１０７に連通するノズル１０８が形成されている。
次に、図２０を参照して、実施の形態１に係る圧電体素子を用いたインクジェットヘッドの製造方法を説明する。
図２０（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を応用したインクジェットヘッドのインク流路部材およびノズル板の形成工程を示す説明図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子のインク流路部材とノズル板の接着工程を示す説明図、（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材とインク流路部材の接着工程を示す説明図、（ｄ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を応用したインクジェットヘッドの完成した状態を示す説明図である。
図２０（ａ）に示すように、インク流路部材Ｃに、共通液室１０５、供給口１０６およびインク流路１０７を形成するとともに、ノズル板Ｄにノズル１０８を形成する。
次に、図２０（ｂ）に示すように、インク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを接着剤１０９により接着する。
次に、図２０（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａの下面またはインク流路部材Ｃの上面に接着剤（図示せず）を転写し、圧力室部材Ａとインク流路部材Ｃとのアライメント調整を行ない、両者を接着剤により接着する。
以上により、図２０（ｄ）に示すように、圧力室部材Ａ、圧電体素子部Ｂ、インク流路部材Ｃおよびノズル板Ｄを備えるインクジェットヘッドが完成する。
なお、図２０（ｃ）、（ｄ）においても分断された各圧電体１１０の間に本来は残存する圧電体（図２に示す「残存する圧電体６０」）の記載を省略しているが、実際は図２の記載に従う。
図４は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例１を示す平面図である。
変形例１においては、圧力室孔１の平面領域内に半島状の圧電体能動部９を形成する（囲む）所定幅の環状の溝部１２が、その端部を除いて同じ溝幅で上電極６の周縁部に沿って形成されている。
変形例１の最大の特徴は、溝部１２の端部１２ａが、端部１２ａを除く溝部１２の溝幅より幅の広い略円形に形成されている点である。
上記の形状により、溝部１２の端部１２ａの応力集中が緩和される。圧電体素子を高密度に配列しようとすると、インクジェットヘッドの長手方向（圧電体素子が列上に配列される方向）において、溝部１２の溝幅を狭くする必要があるが、溝部１２の端部１２ａは、隣接する圧電体素子間のいわばデッドスペースに設けられることになるため、圧電体素子の配列上の制約を受けない。
また、溝部１２の端部１２ａは、圧電体能動部９と圧電体非能動部１１（いずれも図１参照）の中間領域ともいえる領域であり、応力集中が大きい部分なので、上記のような形状にすると、端部１２ａの応力集中を有効に防ぐことができる。
なお、既に説明したように、変形例１においても、溝部１２は開口部の縁部２ａとオーバーラップする領域に設け、溝部１２の深さは下電極４（図２参照）に到達する深さまで設けることが望ましい。
ただし、変形例１の技術的効果は、端部１２ａの形状に直接的に由来するものである。従って、溝部１２は開口部の縁部２ａと完全にオーバーラップして設ける必要はなく（即ち、開口部の縁部２ａに沿うようにして設けても十分である）、また溝部１２の深さは、下電極４の深さまで到達していなくてもよい。
また、変形例１では溝部１２の端部１２ａの形状を略円形としているが、変形例１の目的は圧電体能動部９と圧電体非能動部１１の中間領域における応力緩和であり、従って応力緩和に実質的に有効な形状であれば、いずれの形状を採用してもよい。
即ち、リード電極７が開口部の縁部２ａを跨ぐ領域の近傍を除き、圧電体５に、開口部の縁部２ａに沿う領域に溝部１２を設け、この溝部１２ａのリード電極７に面する側の端部１２ａを、リード電極７側が凸となる曲線形状に構成すればよい。このようにすれば、溝部１２の端部１２ａには、応力が集中する部位（エッジ部）が実質的になくなるため、圧電体素子の信頼性が大幅に向上する。
また、実施の形態１では上電極６、および溝部１２によって囲まれる圧電体能動部９の形状を略楕円形としているが、圧電体能動部９を構成する圧電体５の外縁に作用する応力を緩和するという目的を達せられれば、他の形状であってもよい。即ち、平面形状（トップビュー）としてエッジ部が存在しないような形状であればよく、例えば小判様の形状、あるいは競技場におけるトラック様の形状であっても構わない。また、圧電体能動部９の形状は、長方形に近いものであってもよい。即ち、圧電体能動部９の基本形状を長方形とし、かつその各頂点部分を滑らかな曲線に置き換えた形状であっても構わない。
なお、このとき圧電体能動部９の形状に合わせて（圧電体能動部９の周囲に沿うように）溝部１２を構成することが望ましい。更に、開口部の縁部２ａの形状も同様に構成することが望ましい。即ち、開口部の縁部２ａ、溝部１２、圧電体能動部９の形状を、相互に相似形とすることが望ましい。
図５は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例２を示す平面図である。
変形例２においては、溝部１２の両端部１２ａの外方（開口部の縁部２ａの外側）であって、リード電極７の延伸方向側方の圧電体５（この部分も圧電体素子として実質的に機能しない領域であり圧電体非能動部１１に該当する）に、圧電体５（図示せず）を除去した凹部としての穴１３を形成してある。穴１３は、圧電体素子配列の高密度化の程度によって穴面積が決められ、隣接する圧電体素子への影響が出ない程度の面積、形状に形成する。
なお、穴１３の深さは下電極４（図２参照）に到達する深さまで設けることが望ましい。
図６は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例３を示す平面図である。
変形例３では、上述した変形例２において、圧電体５（図示せず）を除去した穴１３と溝部１２の両端部１２ａを連通させている。
図６では２ヶ所を連通させているが、１ヶ所のみを連通させても圧電体５の応力が低減される。
図７は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例４を示す平面図である。
図８は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例４を示す断面図であり、図７のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
図７、図８に示すように、絶縁体層１４は、圧力室孔１の平面領域の外側の領域に積層形成され、リード電極７およびパッド部８の領域を覆うように形成される。
図８に示すように、変形例４では絶縁体層１４を、圧電体５と下電極４の間に形成しているが、絶縁体層１４を、リード電極７およびパッド部８と圧電体５との間に形成してもよい。絶縁体層１４は、圧電体素子毎に個別に形成しても、平面的に連続させて圧電素子全体の領域に形成してもよい。
図９は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例５を示す平面図である。
変形例５では、圧電体非能動部１１（溝部１２の端部１２ａとリード電極７の間）の表面、つまり圧電体５（図示せず）の表面に、圧力室孔１と周壁２ｂの境界である開口部の縁部２ａ上を跨ぐように、振動抑制部１５が形成されている。
振動抑制部１５は上電極６と同一の素材（Ｐｔ）で形成されている。また振動抑制部１５は、上電極６のパターンニング工程と同一の工程で形成することができる。
振動抑制部１５を設けることにより、圧電体能動部９の駆動時に発生する振動によって振動拘束部１０に集中するたわみ変形を緩和することができる。
変形例５では、圧電体素子の製造工程の簡略化を図るために、振動抑制部１５は、上電極６と同一の素材、同一の膜厚としている。上電極６と同一の膜厚でも十分な効果が得られるが、膜厚を増加させてもよい。また、振動抑制部１５を、上電極６とは異なる素材で形成してもよく、好ましくは、圧電体５よりヤング率の大きい素材にする。
振動抑制部１５を構成する材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔの多層膜、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｉｒ合金等とすればよい。ヤング率が大きい素材を用いることにより、薄膜でも十分な振動抑制効果が得られる。また、振動抑制部１５の形成方法としては、剛体やシート状のものを接着剤等により貼付けたり、メッキ等の手法を用いて直接形成してもよい。形成精度のばらつきをなくし均一にするためには、気相成長法により形成することが好ましい。
さて、「気相成膜法」とは、物理蒸着法（ＰＶＤ法）と化学気相成膜法（ＣＶＤ法）とを総称したものである。物理蒸着法の具体例としては、抵抗加熱真空蒸着法、電子ビーム加熱真空蒸着法、高周波誘導加熱真空蒸着法、蒸着重合法、プラズマ蒸着法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、クラスターイオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法（高周波励起イオンプレーティング法）、スパッタリング法、反応性スパッタリング法等がある。化学気相成長法の具体例としては、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ガスソースＣＶＤ法等がある。
また、振動抑制部１５の更に好適な素材として、水分を透過しない金属や無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性物質を用いるとよい。吸水率０．１％以下の防湿性物質は、金属や無機材料にほぼ近い性能が得られ、圧電体５に対する水分のバリア層としての機能を発揮する。
圧電体５には、一般的に、圧電性セラミック材料が用いられており、高湿度環境下において微小な欠陥部等から水分が浸入し、ヤング率の低下等、材料の劣化が起こる可能性がある。
圧電体非能動部１１は、圧電体材料により構成されているため、高湿度環境下に長期間曝されたり、高湿度環境下で電圧印加され駆動されると、材料の劣化が進行し、変形によって生じる応力によってクラックや割れ等が発生し、長期的な信頼性が確保できない。特に、ＰＺＴに代表される鉛系の圧電性セラミックは、高い圧電特性等、種々の優れた特性を有するが、鉛が水分と電気化学的な反応を起こして材料特性が変質する。
振動抑制部１５に用いる材料としての金属は、ピンホール等の物理的な欠陥が生じない膜厚と膜質とすれば、水分の透過を防ぐことが可能である。吸水率０．１％以下の防湿性物質の例としては、例えば、ソーダガラス、白板ガラス、青板ガラス、石英ガラス、アモルファスカーボン、アモルファスシリコン等の無機非晶質材料、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ゲルマニウム等の無機酸化物、窒化ホウ素、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の窒化物等がある。
また、吸水率が０．１％以下の有機材料も用いることができる。
ここでいう「吸水率」は、ＡＳＴＭＤ５７０−８１（２４ｈ試験）に基づいて決定される。具体例としては、ポリエチレン（吸水率０．０１５％以下）、ポリプロピレン（吸水率０．０１％以下）、ポリテトラフルオロエチレン（吸水率０．００％）、ポリクロロトリフルオロエチレン（吸水率０．００％）、ポリパラキシレン等の高分子有機材料がある。
図９に示す変形例５の圧電体素子を実施の形態１で説明した製造方法と同様な方法で製作し、従来の技術との比較を行った。変形例５に係る圧電体素子は、上電極６にＰｔを用い、パターンニングを行う際に、上電極６と振動抑制部１５を同一材料で同時に形成し、４００個の圧電体素子を製作した。圧電体素子は、楕円形の長軸が１．２ｍｍ、短軸が０．１５ｍｍの上電極により形成される。
圧電体素子の上電極６と下電極４の間に、周波数２０ｋＨｚで、電圧が０Ｖ〜４０Ｖに変化する矩形波を１０日間印加した。試験後、４００個の圧電体素子の外観に変化はなく、圧電体５にもクラックが生じなかった。また、直後に、ＤＣ３５Ｖの電圧を印加してリーク電流の有無を調べた。全ての素子において、５×１０-7（Ａ／ｃｍ2）以下であり、リークは発生しなかった。
図１０は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例６を示す平面図である。
変形例６の圧電体素子は、上電極６のリード電極接続点７ａから開口部の縁部２ａ（振動拘束部１０）までの水平距離Ｎを、上電極６の、リード電極接続点７ａの反対側の端部７ｂから振動拘束部１０の反対側の縁部２ａまでの水平距離Ｍよりも大きくしている。
即ち、変形例６では、リード電極７が引き出される方向における、上電極６の端部（リード電極接続点７ａ）と開口部の縁部２ａまでの水平距離をＮとし、リード電極７が引き出される方向と反対の方向における、上電極６の端部と開口部の縁部２ａまでの水平距離をＭとするとき、Ｎ＞Ｍの関係を満たすようにしている。
通常、上電極６で覆われた圧電体能動部９は、駆動時に生じるたわみ変形で生じた圧力を有効に圧力室２内に伝えるために、圧力室２上の平面領域内でなるべく面積を大きくするほうがよい。従って、圧力室２と周壁２ｂの境界（開口部の縁部２ａ）から全周に亘って略等距離の間隔をあけて上電極６のパターンを形成することにより、圧力室２内の発生圧力の最大化と、圧力分布や共振の均一性が得られる。
一方、振動拘束部１０には、圧電体能動部９の変位による撓み応力が集中するため、圧電体能動部９で得られる発生圧力を大きくすることと利害が相反することとなる。変形例７の圧電体素子は、圧電体能動部９で発生するトータルの発生圧力を極力落とさずに、耐久性を高めたものである。
即ち、振動拘束部１０からリード電極接続点７ａまでの水平距離Ｎを、上電極６の、リード電極接続点７ａの反対側の端部７ｂから振動拘束部１０の反対側の縁部２ａまでの水平距離Ｍに対して相対的に長くし、圧電体能動部９の変位による撓み応力が振動拘束部１０で緩やかにかかるようにする。幅の狭いリード電極７が延長されるが、圧電体能動部９の駆動面積の減少はわずかであり、圧電体能動部９での発生圧力の減少は極力小さく抑えられている。振動拘束部１０の応力を低減することにより、クラックや割れ等が防止され、耐久性が向上する。
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例７を示す平面図、（ｂ）は、同断面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
なお、図１１（ｂ）におけるＶ−Ｖ線の位置は、環状の溝部１２の両端部１２ａ間に挟まれた圧電体非能動部１１の幅が最も狭くなっている位置である。
変形例７では、圧電体５の層厚（膜厚）をｔとし、圧電体非能動部１１におけるリード電極７の幅方向端部から環状の溝部（の端部１２ａ）１２までの最小距離をＷとしたとき、Ｗ＞２ｔとなるようにしている。
圧電体非能動部１１におけるリード電極７の幅方向端部から溝部１２の側壁までの部分は、リード電極７が振動してその周囲に応力が発生する場合に、圧電体非能動部１１で最も弱い部分となっている。圧電体非能動部１１のクラックや絶縁破壊の原因の一つとして、上電極６と下電極４との間に電圧を印加した場合に、リード電極７の幅方向に漏れ出す電界によって圧電体非能動部１１が影響を受けるが、この影響度合は、圧電体５の膜厚ｔに依存することが確認された。
変形例７のように、Ｗ＞２ｔとなるように圧電体非能動部１１を形成することにより、圧電体非能動部１１の応力が軽減されてクラックや割れ等が防止され、耐久性が向上する。なお、変形例７は、最小距離Ｗを、リード電極７の両側で同一としたが、同一でない場合は、小さい方を最小距離Ｗとする。また、Ｗ＞２ｔの範囲で応力軽減効果は十分であるが、Ｗ＞３ｔとすれば、更に良好な結果が得られる。
更に、図１１に示すようにリード電極７の幅（変形例７ではリード電極７の幅を全長に亘って同一幅としているが、ここでは特に振動拘束部１０における幅をいう）をｗとすると、（２Ｗ＋ｗ）≧３ｔとなるようにしてもよい。
リード電極７は、振動拘束部１０（縁部２ａ）までの領域では、圧電体素子の駆動時に、下電極４との間に電圧がかかり、圧電体５の撓みにより圧電体非能動部１１に応力が発生する。このように（２Ｗ＋ｗ）≧３ｔとすることにより、リード電極７に印加される電圧により圧電体非能動部１１に発生する応力を低減してクラックや割れ等を防止し、耐久性を向上させることができる。
図２３は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例８を示す平面図である。
図２４は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例８を示す断面図であり、図２３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
図２３に示すように、変形例８では上電極６の縁部と圧電体５との段差部を層状に覆う絶縁体２０が形成されている。上電極６の縁部は上電極６と圧電体５の密着性が弱い場合、振動により微小な界面剥離が起こった場合、長期の連続駆動を行うとそれが進行する場合がある。そうなれば上電極６端部の領域（即ち、上電極６の縁部）は電界強度の低下を引き起こし、圧電体能動部９が十分機能しなくなる。
そこで実施の形態１の変形例８では、上電極６の縁部と圧電体５を絶縁体２０で覆うようにした。これによって、上電極６と圧電体５の密着性の向上が長期間保証でき、長期の連続駆動も問題なく可能となる。また絶縁体２０は圧電体能動部９をも一部覆うため、圧電体５よりヤング率の低い材料で形成されていることが好ましい。これにより振動特性を阻害することを防止できる。また、更に絶縁体２０は、水分を透過しない無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性材料で構成することが好ましい。圧電体５と上電極６の界面は水分等の侵入が起きやすく、界面に水分が侵入すると、界面剥離が更に進行しやすくなる。なお図２３、図２４では絶縁体２０は上電極６の縁部のみを覆う構成としたが、振動特性等に影響を及ぼさなければ上電極６をすべて覆う構成としてもよい。またそれ以外の領域を覆う場合も圧電特性等の機能に影響が及ばなければ特に限定しない。
図１２は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の配線部を含めて示す平面図である。
実施の形態１においては、上電極６から延伸された配線部であるリード電極７の端部に、図示しないＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）基板を実装するパッド部８を形成し、パッド部８の両側方に、圧電体５を除去した凹部としての穴１６を形成している。
この穴１６は、既に説明した溝部１２と同様に、下電極４（図２参照）に到達する深さまで到達するように形成することが望ましい。
パッド部８にＦＰＣ基板を接合するとき、ＦＰＣ基板を加熱し、パッド部８に押圧するが、押圧時に、圧電体５に割れやクラック等が発生することがある。圧電体５に割れやクラック等が発生した場合、実装部でショートや断線等の不具合が発生する。パッド部８の両側方の圧電体５を除去することにより、パッド部８周辺の圧電体５の応力が解放され、押圧時のクラック発生が防止される。
また、二つのパッド部８間にクラックが発生した場合に、圧電体５が除去されているので、パッド部８に到達するような横断的なクラックの発生が防止され、ＦＰＣ基板実装時の良品率が向上する。なお、実施の形態１では、パッド部８の両側方部分のみ圧電体５を除去したが、パッド部８の周囲に沿ってコ字形に圧電体５を除去するようにしてもよく、更に、パッド部８に接続するリード電極７の両側に沿うように、圧電体５を除去する領域を広げてもよい。
図１３は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子にＦＰＣを実装する際の状況を示す説明図である。パッド部８にＦＰＣ基板を接合するときは、パッド部８および圧電体５上に異方導電性フィルム（ＡＣＦ）１７を貼付しておき、ＦＰＣ基板をパッド部８のパターンにアライメントし、加熱、押圧する。具体的には、ＦＰＣ基板を１５０〜２００℃に加熱し、ＦＰＣ基板にシリコンシートを介して３．３ＭＰａの押圧荷重をかけて接合する。
図１３に示すように、実施の形態１では、ＡＣＦ１７の貼付領域を、絶縁体層１４の積層領域より狭くしている。ＦＰＣ基板のリード線部がパッド部８から圧電体５上にはみ出した部分で異物を噛み込むと、ＦＰＣ基板の押圧時に圧電体５にクラックや割れが生じる確率が非常に高くなる。
異物を噛み込んだ状態で、ＡＣＦ１７に形成された異方導電性樹脂が圧電体５に押し込まれたり、異物が金属等の導電性材料の場合、ＦＰＣ基板のリード線部と下電極との絶縁不良が生じ、リーク電流が発生する。ＡＣＦ１７の貼付領域を、絶縁体層１４の積層領域より狭くすることにより、異物の噛み込み等が起こった場合にも、ＦＰＣ基板のリード線部と下電極との絶縁を保つことができるので、製品の良品率を向上させ、信頼性を確保することができる。
なお、以上述べてきた実施の形態１、変形例１〜変形例８、配線部の構成、ＦＰＣ実装のための構成は、適宜結合した態様で実施できることは言うまでもない。
図２１は、本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を搭載したインクジェット式記録装置を示す斜視図である。
インクジェット式記録装置２７は、図１８に示したインクジェットヘッド２８を複数個備えている。インクジェットヘッド２８の圧力室に連通するノズルから圧力室内のインクを記録媒体（記録紙等）２９に吐出させて記録を行う。
インクジェットヘッド２８は、主走査方向Ｘに延設されたキャリッジ軸３０に懸架されたキャリッジ３１に搭載され、キャリッジ３１がキャリッジ軸３０に沿って往復動することにより、主走査方向Ｘに往復動する。キャリッジ３１が、インクジェットヘッド２８と記録媒体２９とを主走査方向Ｘに相対移動させる移動手段を構成している。
また、インクジェット式記録装置２７は、記録媒体２９を、インクジェットヘッド２８の主走査方向Ｘ（幅方向）と直交する方向の副走査方向Ｙに移動させる複数のローラ３２を備えている。複数のローラ３２は、インクジェットヘッド２８と記録媒体２９とを副走査方向Ｙに相対移動させる移動手段を構成している。なお、図２１中、Ｚ方向は上下方向である。
インクジェットヘッド２８が、キャリッジ３１の移動により、主走査方向Ｘに移動しているときに、インクジェットヘッド２８のノズルからインクを記録媒体２９に吐出させ、主走査方向Ｘの一走査の記録が終了すると、ローラ３２により、記録媒体２９を副走査方向Ｙに所定量移動させ、次の主走査方向Ｘの一走査の記録を行う。
実施の形態１に係る圧電体素子を用いたインクジェット式記録装置２７は、良好な印字性能と耐久性を有している。
以上のように、本発明にかかる圧電体素子は、印字性能と耐久性が高く、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る。
また、インクジェットヘッド以外にも、薄膜コンデンサー、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適している。
特に、ディスク装置（コンピュータの記憶装置等として用いられるもの）のディスクに情報の記録または再生を行う記録再生ヘッドを基板上に設置したヘッド支持機構において、基板上に設けた薄膜圧電体素子によって、基板を変形させて記録再生ヘッドを変位させるディスク装置用薄膜圧電体アクチュエータ（例えば、特開２００１−３３２０４１号公報）に好適である。
本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の断面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の断面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例１を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例２を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例３を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例４を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例４を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例５を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例６を示す平面図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例７を示す平面図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例７を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の配線部を含めて示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子にＦＰＣを実装する際の状況を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の積層工程を示す説明図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室孔形成工程を示す説明図、（ｃ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の接着剤の付着工程を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の成膜後の基板と圧力室部材との接着工程を示す説明図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の縦壁の形成工程を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の成膜用基板および密着層の除去工程を示す説明図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の上電極層の個別化工程を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧電体の個別化工程を示す説明図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材の切断工程を示す説明図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を用いたインクジェットヘッドの要部の構成を示す構成図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材が形成される基板を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を応用したインクジェットヘッドのインク流路部材およびノズル板の形成工程を示す説明図、（ｂ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子のインク流路部材とノズル板の接着工程を示す説明図、（ｃ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の圧力室部材とインク流路部材の接着工程を示す説明図、（ｄ）本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を応用したインクジェットヘッドの完成した状態を示す説明図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子を搭載したインクジェット式記録装置を示す斜視図 本発明の実施の形態１における溝部の他の構成例を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例８を示す平面図 本発明の実施の形態１に係る圧電体素子の変形例８を示す断面図
符号の説明
１ 圧力室孔
２ 圧力室
２ａ 開口部の縁部
２ｂ 周壁
３ 振動板
４ 下電極
５ 圧電体
６ 上電極
７ リード電極
７ａ リード電極接続点
７ｂ 端部
８ パッド部
９ 圧電体能動部
１０ 振動拘束部
１１ 圧電体非能動部
１２ 溝部
１２ａ 端部
１３ 穴
１４ 絶縁体層
１５ 振動抑制部
１６ 穴
１７ 異方導電性フィルム（ＡＣＦ）
２０ 絶縁体
２７ インクジェット式記録装置
２８ インクジェットヘッド
２９ 記録媒体
３０ キャリッジ軸
３１ キャリッジ（移動手段）
３２ ローラ（移動手段）
６０ 残存する圧電体部
１０１ 圧力室孔
１０２ 圧力室
１０２ａ 周壁
１０２ｂ 区画壁
１０３ 上電極（個別電極）
１０５ 共通液室
１０６ 供給口
１０７ インク流路
１０８ ノズル
１０９ 接着剤
１１０ 圧電体（層状の圧電体）
１１１ 振動板
１１２ 下電極（共通電極）
１１３ 中間層
１１４ 接着剤
１１５ 絶縁体層
１２０ 基板
１２１ 密着層
１３０ Ｓｉ基板
Ａ 圧力室部材
Ｂ 圧電体素子部
Ｃ インク流路部材
Ｄ ノズル板

Claims (26)

  1. ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、
    前記開口部を覆うように、前記圧力室部材上に設けられた振動板と、
    この振動板上に設けられた下電極と、
    この下電極上に設けられた圧電体と、
    この圧電体上にあって、前記開口部と対向する領域の内側に設けられた上電極と、
    前記圧電体上にあって、前記上電極から延伸され前記上電極よりも幅が狭いリード電極と、
    を備え、
    前記圧電体は、
    前記開口部の縁部に沿って所定の領域に設けられた溝部と、
    この溝部以外の領域であって、前記開口部の縁部に沿って設けられた、圧電体素子として実質的に機能しない非能動領域を備え、
    前記リード電極は、前記非能動領域に配置されている圧電体素子。
  2. ノズルに連通する開口部が設けられた圧力室部材と、
    前記開口部を覆うように、前記圧力室部材上に設けられた振動板と、
    この振動板上に設けられた下電極と、
    この下電極上に設けられた圧電体と、
    この圧電体上にあって、前記開口部と対向する領域の内側に設けられた上電極と、
    前記圧電体上にあって、前記上電極から延伸され前記開口部の縁部を跨ぐ、前記上電極よりも幅が狭いリード電極と、
    を備え、
    前記リード電極が前記開口部の縁部を跨ぐ領域の近傍を除き、前記圧電体には前記開口部の縁部に沿う領域に溝部が設けられ、
    この溝部の前記リード電極に面する側の端部を、前記リード電極側が凸となる曲線形状とした圧電体素子。
  3. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記溝部は、
    前記開口部の縁部とオーバーラップする領域に、少なくとも前記下電極の表面まで到達する深さで設けられている圧電体素子。
  4. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記開口部の縁部の形状を、略楕円形状とした圧電体素子。
  5. 請求項２記載の圧電体素子であって、
    前記溝部の前記リード電極に面する側の端部を、前記溝部よりも幅の広い略円形状とした圧電体素子。
  6. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記上電極から延伸されて配置されたリード電極の側方に、圧電体を除去した凹部を設けた圧電体素子。
  7. 請求項６記載の圧電体素子であって、
    前記溝部と前記凹部と連通させた圧電体素子。
  8. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記開口部と対向する領域の外側において、
    前記上電極と前記圧電体の間、または前記圧電体と前記下電極の間のいずれかに、
    絶縁体層を備える圧電体素子。
  9. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記溝部の端部と前記上電極から延伸されたリード電極の間に、
    前記開口部の縁部を跨ぐように振動抑制部を設けた圧電体素子。
  10. 請求項９記載の圧電体素子であって、
    前記振動抑制部を、前記圧電体よりヤング率の高い材料で構成した圧電体素子。
  11. 請求項９記載の圧電体素子であって、
    前記振動抑制部を、前記上電極と同じ材料で構成した圧電体素子。
  12. 請求項９記載の圧電体素子であって、
    前記振動抑制部を、水分を透過しない金属、無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性材料で構成した圧電体素子。
  13. 請求項９記載の圧電体素子であって、
    前記振動抑制部を、気相成膜法により形成した圧電体素子。
  14. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記リード電極が引き出される方向における、前記上電極の端部と前記開口部の縁部までの水平距離をＮとし、
    前記リード電極が引き出される方向と反対の方向における、前記上電極の端部と前記開口部の端部までの水平距離をＭとするとき、
    Ｎ＞Ｍ
    の関係を満たす圧電体素子。
  15. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記圧電体の厚みをｔとし、
    前記圧電体の上に設けられたリード電極と前記溝部までの最端距離をＷ、
    とするとき、
    Ｗ＞２ｔ
    の関係を満たす圧電体素子。
  16. 請求項１５記載の圧電体素子であって、
    前記縁部を跨ぐ前記リード電極の幅をｗとするとき、
    更に
    （２Ｗ＋ｗ）≧３ｔ
    の関係を満たす圧電体素子。
  17. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記上電極から延伸された前記リード電極の端部に表面実装用のパッド部が形成され、
    前記パッド部の側方に、前記圧電体を除去した凹部が形成されている圧電体素子。
  18. 請求項１または２に記載の圧電体素子を備えるインクジェットヘッド。
  19. 請求項１８記載のインクジェットヘッドと、
    前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移動手段と、
    を備えるインクジェット式記録装置。
  20. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記振動板と前記下電極とを兼ねる導電性部材を備え、
    前記溝部は、
    前記開口部の縁部とオーバーラップする領域に、前記導電性部材の表面まで到達する深さで設けられている圧電体素子。
  21. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記振動板が圧縮応力になるように形成した圧電体素子。
  22. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    前記振動板と前記下電極と前記圧電体と前記上電極からなる積層体の内部応力の総和が圧縮応力になるように形成した圧電体素子。
  23. 請求項２に記載の圧電体素子であって、
    前記溝部の断面形状を上電極側の開口部が広く、下電極側に向かって狭くなる略台形状に構成した圧電体素子。
  24. 請求項１または２に記載の圧電体素子であって、
    少なくとも前記上電極の縁部と前記圧電体との段差部を覆う絶縁体を形成した圧電体素子。
  25. 請求項２４に記載の圧電体素子であって、
    前記絶縁体を前記圧電体層よりヤング率の低い材料で構成した圧電体素子。
  26. 請求項２４に記載の圧電体素子であって、
    前記絶縁体を水分を透過しない無機材料、もしくは、吸水率０．１％以下の防湿性材料で構成した圧電体素子。
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