JP2014241312A - 圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、記録ヘッド、および、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率の低下を最小限に抑えながら、圧電素子の変位による応力が発生しても、電極材料に剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性の高い圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、記録ヘッド、および、画像形成装置を提供する。【解決手段】インクジェットヘッド１０を、ノズル１１を有するノズル板１２と、ノズル１１が連通する液室１３と、この液室１３が設けられたアクチュエータ基板１４と、液室１３に振動を伝える振動板１５と、液室１３内の液体を加圧する圧電素子１６と、を備えて構成する。圧電素子１６を、圧電体層１７と、上部電極１８と、下部電極１９とで構成する。上部電極１８に、圧電素子１６の伸縮振動方向に交差する方向に延びるスリット形状の応力緩衝部２０を、上部電極１８が分離しないように設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータの製造方法、この圧電アクチュエータを備えた記録ヘッド、および、この記録ヘッドを有するプリンタ、複写装置、ファクシミリ装置等の画像形成装置に関する。

従来、自発分極を持つ圧電材料、あるいは分極処理を施した圧電材料を挟むように電極材料を配置し、電極材料を通じて圧電材料に駆動信号を印加することで圧電素子を逆圧電効果により変位させ、その変位をアクチュエータとして利用する様々な圧電デバイス（圧電アクチュエータ）が知られている。このような従来の圧電アクチュエータでは、自身の変位により圧電材料と電極材料との間で応力が発生し、その応力に電極材料が耐えられず、電極材料に剥離、浮き、クラック等が発生するし、電極材料として機能や、圧電アクチュエータとしての信頼性に影響を及ぼすことがあった。この電極材料への応力を緩和するため、電極材料の変更や、応力緩和層の追加、電極材料のパターン加工等の手段があるが、いずれも駆動効率が低下するという問題があった。

また、圧電体能動部の端部での剥離あるいはクラック発生を防止する目的で、フローティング電極が設けられたアクチュエータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このフローティング電極は、圧電体能動部の端部の外側近傍に設けられ、当該圧電体能動部の端部から所定距離だけ離れ且つ当該圧電体能動部に形成された上部電極と電気的に接続されないように構成されている。

しかしながら、特許文献１に記載の従来発明では、フローティング電極設置のための面積が必要となることで、圧電体能動部上の電極面積が減少してしまう。この電極面積の減少は、圧電アクチュエータの駆動効率の低下につながるため、特許文献１でも駆動効率が低下するという問題は解消できていない。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、駆動効率の低下を最小限に抑えながら、圧電体能動部の変位による応力が発生しても、電極材料に剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性の高い圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータを備えた記録ヘッド、および、この記録ヘッドを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本願に係る圧電アクチュエータは、振動板と、振動板上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられた圧電体層および該圧電体層上に形成された上部電極を有し電圧の印加により伸縮振動する圧電体能動部と、下部電極または上部電極の少なくとも一方に設けられ、圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びる応力緩衝部と、を備え、応力緩衝部は、下部電極または上部電極が分離しないように、当該下部電極または当該上部電極を構成する電極材料を、圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に溝状に除去することにより形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、駆動効率の低下を最小限に抑えながら、圧電体能動部の変位による応力が発生しても、電極材料に剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性の高い圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータを備えた記録ヘッド、および、この記録ヘッドを備えた画像形成装置を提供することができる。

本願の実施例１に係るインクジェットヘッドの構成例を示す平面図およびこの平面図のＡ−Ａ’線断面図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、アクチュエータ基板となるシリコンウェハを用意した状態を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、シリコンウェハ上に、振動板を成膜する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、振動板上に下部電極を成膜する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、下部電極上に、圧電体層を成膜する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、圧電体層上に、上部電極を成膜する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、上部電極のエッチング加工のためのレジストを塗布する写真製版工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、応力緩衝部を設けて所望の形状に加工された上部電極からレジストを除去する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、圧電体層をエッチング加工するためのレジストを塗布する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、圧電体層のエッチング加工後に、レジストを除去する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、下部電極をエッチング加工するためのレジストを塗布する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、下部電極のエッチング加工後に、レジストを除去する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、液室の開口のためのパターニング処理の工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、異方性ウエットエッチン等により液室を形成する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、液室の形成後に、レジストを除去する工程を示す概略図である。 実施例１におけるインクジェットの製造工程の一工程を示し、アクチュエータ基板にノズル板を接合して液室を閉じる工程を示す概略図である。 本願の実施例２に係るインクジェットヘッドの構成例を示す平面図およびこの平面図のＢ−Ｂ’線断面図である。 本願の実施例３に係るインクジェットヘッドの構成例を示す平面図およびこの平面図のＣ−Ｃ’線断面図である。 比較例に係るインクジェットヘッドの構成例を示す平面図およびこの平面図のＤ−Ｄ’線断面図である。 本願の実施例４に係るインクジェット記録装置の斜視図である。 図６のインクジェット記録装置の機構部の構成を示す断面図である。

以下、本願の圧電アクチュエータを備えた記録ヘッドとしてのインクジェットヘッドの実施例およびその比較例について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るインクジェットヘッドの平面図およびこの平面図に示すＡ−Ａ’線断面図である。図２Ａ〜図２Ｏは、実施例１の記録ヘッドの製造工程を示す概略図である。図３は、実施例２に係るインクジェットヘッドの平面図およびこの平面図に示すＢ−Ｂ’線断面図である。図４は、実施例３に係るインクジェットヘッドの平面図およびこの平面図に示すＣ−Ｃ’線断面図である。また、図５は、従来の圧電アクチュエータを備えた比較例に係るインクジェットヘッドの平面図およびこの平面図に示すＤ−Ｄ’線断面図である。図６は、実施例４のインクジェット記録装置の斜視図である。図７は、図６のインクジェット記録装置の機構部の構成を示す断面図である。

（比較例）
まず、比較例として、図５に示す従来のインクジェットヘッドの構成および問題点について説明する。図５の平面図およびＤ−Ｄ’線断面図に示すように、比較例のインクジェットヘッド１は、ノズル２を有するノズル板３と、ノズル２が連通する液室４と、この液室４を構成するアクチュエータ基板５と、振動板６と、振動板６上に設けられた圧電素子７と、を有して構成されている。圧電素子７は、圧電体層７ａと、この圧電体層７ａの両面に設けられた上部電極（第１電極）８と、下部電極（第２電極）９と、から構成されている。また、液室４は、アクチュエータ基板５により構成される隔壁５ａによって、インク供給路や隣接する液室４等の他の流路と分断されている。また、振動板６と圧電素子７とにより圧電アクチュエータを構成している。

上記比較例のインクジェットヘッド１では、上部電極８と下部電極９とで、圧電体層７ａを挟むようにして圧電素子７を構成している。このような圧電素子７の上部電極８と下部電極９とに、電位差を生じさせる駆動信号を印加することで、圧電体層７ａを駆動させ、その駆動変位を振動板６に伝達して液室４内に満たされたインクをノズル２から飛ばす。このときの圧電素子７の振動モードをｄ３１モードとすると、上部電極８と下部電極９に駆動信号を印加した場合、圧電素子７は長辺方向（図５の紙面上下方向）に伸縮振動を起こして撓み変形し、その変位が振動板６に伝達される。なお、上部電極８と圧電体層７ａとで構成される伸縮振動を生じる部位を「圧電体能動部」と呼ぶ。

しかし、このときの圧電体能動部の伸縮振動において、圧電体層７ａと上部電極８との界面、および、圧電体層７ａと下部電極９との界面でせん断応力が生じる。このせん断応力により、上部電極８や下部電極９、またはその両方に剥離、浮き、クラック等が発生し、駆動効率が低下してしまうという問題があった。

この問題を回避するため、本願の圧電アクチュエータは、圧電体能動部（圧電体層）に対向する上部電極、下部電極材料のいずれか、または両方の電極に対して、電極を分離しないように、スリット形状またはラダー形状（梯子形状；断続する直線形状）溝状にパターニングしている。このスリット形状またはラダー形状にパターニングされた領域は、電極材料が除去加工されている。この領域を応力緩衝部と呼ぶ。この応力緩衝部は、電極が分離されることがないように設けられていることから、応力緩衝部を設けた上部電極、下部電極の各々の面内を同一電位に保つことができる。この構成により、圧電体能動部の伸縮振動による変位発生時の電極材料へのせん断応力が、応力緩衝部で緩衝され、剥離、浮き、クラック等の圧電体層や電極材料の応力破壊を防ぐことが可能となる。また、上部電極、下部電極の各々の面内を同一電位に保っていることから、各々の電極への接続構成も最小限に抑えられ、余計な接続応力を発生させずに圧電体能動部に駆動信号を最大限伝達することが可能となる。その結果、駆動低下を最小限に抑えながら、信頼性の高い圧電アクチュエータを得ることができる。以下、このような圧電アクチュエータを適用したインクジェットヘッドの実施例について説明する。

（実施例１）
以下、実施例１に係る圧電アクチュエータを備えた記録ヘッドとしてのインクジェットヘッドの構成を、図１を参照して説明する。この図１の平面図およびＡ−Ａ’線断面図に示すように、実施例１のインクジェットヘッド１０は、ノズル１１を有するノズル板１２と、ノズル１１が連通する液室１３と、この液室１３が設けられたアクチュエータ基板１４と、液室１３に振動を伝える振動板１５と、液室１３内の液体（インク）を加圧する圧電素子１６と、を備えて構成されている。また、インクジェットヘッド１０は、この他にも、図示はしないが、液室１３にインクを供給する供給路、圧電素子１６の駆動を制御する駆動用ＩＣ等の駆動制御手段、各種配線等を備えている。

ノズル板１２は、インク吐出用のノズル１１が配列された基板であり、樹脂、金属材料等から形成されている。ノズル１１は、図１に示すように、液室１３と連通し、液室１３内のインクを外部に吐出する。

アクチュエータ基板１４は、ガラスや薄い金属板の積層体、シリコン基板等で形成されている。このアクチュエータ基板１４には、液室１３が設けられている。この液室１３を作製する場合、エッチングを利用してアクチュエータ基板１４を加工することで、隔壁１４ａに隔てられた液室１３が形成される。

また、アクチュエータ基板１４の一面側（図１の紙面下側）には、ノズル板１２が接合され、液室１３の開放端が閉じられている。また、アクチュエータ基板１４の他面側（図１の紙面上側）は、薄膜状の振動板１５が配置され、液室１３の他端側が、この振動板１５により閉じられている。

振動板（成膜振動板）１５は、圧電素子１６によって発生した力を受けて、変形変位して、液室１３の容積を変化させることにより、ノズル１１からインクを吐出させる。そのため、図１に示す実施例１の振動板１５としては、所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板１５の材料としては、ケイ素Ｓｉ、二酸化ケイ素ＳｉＯ₂、窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄が挙げられ、これらを用いて振動板１５をＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）により作製したものが挙げられる。

圧電素子１６は、振動板１５の、液室１３を設けた側とは反対側の面に設けられている。圧電素子１６は、圧電体層（圧電材料）１７を、上部電極（第１電極）１８と下部電極（第２電極）１９とで挟んだ構造となっている。この上部電極１８と下部電極１９とに、電位差を生じさせる駆動信号を印加することで、圧電体層１７を駆動させ、その駆動変位を振動板１５に伝達して、振動板１５を振動させる。この振動板１５の振動により、液室１３の容積を変化させて圧力を作用させる。本実施例では、このように、上部電極１８、圧電体層１７、および、下部電極１９からなるものを圧電素子１６と定義する。また、この圧電素子１６と、振動板１５と、を備えたものを圧電振動子と呼ぶことがあり、圧電アクチュエータは、この圧電振動子を備えて構成される。

圧電体層１７は、下部電極１９上に、この下部電極１９よりも狭面積の長円形状を呈して形成されている。また、上部電極１８は、圧電体層１７上に、この圧電体層１７よりもやや狭面積の長円形状を呈して形成されている。このように長円形状であることから、圧電体層１７と上部電極１８とは、直線状の２つの長辺（図１の紙面左右の辺）と、半円状の２つの短辺（図１の紙面上下の辺）を有してなる。

上部電極１８および下部電極１９の材料としては、金属または金属と酸化物とからなる材料が好ましい。具体的には、白金Ｐｔ、イリジウムＩｒ、白金−ロジウム合金などの白金族元素、これら合金膜等が好適に挙げられる。これらの材料を用いて、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜により、上部電極１８、下部電極１９を形成する。また、圧電体層１７としては、ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ₃）との固溶体であるＰＺＴを用いるのが好ましい。圧電体層１７の作成方法としては、スパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−ｇｅｌ法を用いたスピンコーター等が好ましい。

また、実施例１の圧電素子１６では、圧電体層１７の伸縮振動による剥離、浮き、クラック等を防止するため、図１に示すように、上部電極１８に対して、電極材料を複数のスリット形状（溝状）に除去加工して、応力緩衝部２０を設けている。実施例１では、図１に示すように、上部電極１８の短片向（図１の紙面左右方向）と平行な方向であって長辺方向（図１の紙面上下方向）と交差する方向、すなわち、圧電素子１６（圧電体層１７）の伸縮方向に交差する方向に延びる、複数本のスリット形状の応力緩衝部２０（図１では３本、２０ａ，２０ｂ，２０ｃとする）を設けている。

この応力緩衝部２０の長さ（形成幅）は、上部電極１８の短辺方向の長さよりも短く形成されている。ただし、この応力緩衝部２０のうち、１本目と３本目（奇数番目）の応力緩衝部２０ａ，２０ｃでは、その一方の端部２１ａ，２１ｃが、上部電極１８の外周縁、すなわち、一方の長辺（図１の紙面左側）を貫いて開口するように形成されている。また、他方の端部２２ａ，２２ｃは、上部電極１８の外周縁よりも内側、すなわち、他方の長辺（図１の紙面右側）よりも内側に位置するように形成され、上部電極１８の他側を分断しないようにしている。これに対して、２本目（偶数番目）の応力緩衝部２０ｂでは、その一方の端部２１ｂは、上部電極１８の一方の長辺よりも内側に位置するように形成され、上部電極１８の一方の長辺を分断しないようにしている。また、他方の端部２２ｂは、上部電極１８の他方の長辺を貫いて開口するように形成されている。

以上のように、実施例１では、上部電極１８の一方の長辺（外周縁）を貫く応力緩衝部２０ａ，２０ｃと、他方の長辺（外周縁）を貫く応力緩衝部２０ｂと、が上部電極１８の長手方向に交互に形成され、上部電極１８が応力緩衝部２０で分離されないようにしている。なお、本実施例では、応力緩衝部２０を３本としているが、本願がこれに限定されることはなく、２本以下であってもよいし、４本以上であってもよい。

また、応力緩衝部２０の線幅、すなわち、上部電極１８の長辺方向における応力緩衝部２０の幅（スリットを構成する壁面間の距離）は、１．０ｕｍ以下程度とするのが好ましい。このような寸法とすることで、電極面積の消失による圧電素子１６の駆動効率の低下を防止することができる。

以上のような構成のインクジェットヘッド１０において、圧電素子１６の上部電極１８と下部電極１９とに、電位差を生じさせる駆動信号を印加することで、圧電素子１６を駆動させる。この駆動により、長円形状の圧電体能動部（圧電体層１７と上部電極１８）は長辺方向（図１の紙面上下方向）に伸縮振動（撓み変形）を起こし、その変位が振動板１５に伝達される。この伸縮振動の際に生じるせん断応力により、図５に示す従来の圧電素子７では、上部電極８や下部電極９、またはその両方に剥離、浮き、クラック等が発生し、駆動効率の低下を招いていた。

これに対して、実施例１の圧電素子１６では、上部電極１８に、スリット形状の応力緩衝部２０を設けている。そのため、圧電素子１６が長辺方向に伸縮振動した際に、その伸縮に対応して応力緩衝部２０であるスリットの線幅（壁面間の距離）が拡縮することで、せん断応力を緩衝することができる。そのため、上部電極１８の剥離、浮き、クラック等の応力破壊を防ぐことができる。また、応力緩衝部２０は、上部電極１８を分離することなく形成され、応力緩衝部２０の線幅も１．０ｕｍ以下と小さくしているため、電極面積の消失を最小限とすることができる。そのため、上部電極１８の面内を同一電位とすることができ、余計な接続応力を発生させずに、圧電体能動部に駆動信号を最大限伝達することが可能となる。このように、実施例１では、駆動低下を最小限に抑えながら、剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性の高い圧電素子１６を用いることで、インクジェットヘッド１０からのインクの吐出を安定して行うことができる。

以下、図２Ａ〜図２Ｏを参照して、圧電素子１６の製造工程を説明する。図２Ａに示すように、アクチュエータ基板１４としてシリコンウェハを用意する。次に、図２Ｂに示すように、アクチュエータ基板（シリコンウェハ）１４上に、振動板１５となる材料（例えば、ケイ素Ｓｉ等）を成膜し、熱酸化膜を形成する。この成膜は単層でも積層でもよいが、圧電素子１６の変位量に応じた膜厚、膜種とすることが好ましい。そのため、本実施例では振動板１５を構成する熱酸化膜の膜厚を１．５ｕｍとする。

次に、図２Ｃに示すように、振動板１５上に、導電材料（白金Ｐｔ）を用いて下部電極１９を成膜する。本実施例では、成膜により形成されたＰｔ膜の膜厚を１００ｎｍとする。なお、圧電素子１６としての特性を向上させるため、下部電極１９は、図示はしないが、異種金属による積層構造（多層構造）としてもよい。

次に、図２Ｄに示すように、下部電極１９上に、圧電体層１７を成膜する。圧電体層１７の成膜方法としては、Ｓｏｌ−ｇｅｌ法によるスピンコートやスパッタ等が知られている。本実施例では、圧電体層１７の膜厚を、１．５ｕｍとする。この圧電体層１７上に、導電材料（白金Ｐｔ）を用いて上部電極１８を成膜する（図２Ｅ）。上部電極１８は、下部電極１９と同様に、単層、積層構造いずれも構わないが、本実施例では、単層のＰｔ膜とし、その膜厚を１００ｎｍとする。

次に、上部電極１８をエッチング加工するため、図２Ｆに示す写真製版工程にて必要部位にレジスト３０ａを塗布する。この場合、上部電極１８を形成する領域のうち、応力緩衝部２０となる部分を除いた領域にレジスト３０ａを塗布する。なお、実施例１では、上部電極１８にスリット形状の応力緩衝部２０を設けるが、前述したように、電極面積消失による圧電素子１６の駆動効率低下を防ぐために、スリットの線幅は１．０ｕｍ以下程度と、可能な限り細くすることが望ましい。なお、レジスト３０ａの材料や塗布方法、および、以下で行うエッチング方法は、特に限定されず、従来公知の材料や方法で行うことができる。

次に、エッチング加工により、上部電極１８を所望の形状（応力緩衝部２０を設けた長円形状）に加工し、このエッチング加工後に、図２Ｇに示すように、レジスト３０ａを除去する。その後、圧電体層１７をエッチング加工するため、図２Ｈに示すように、エッチング加工済みの上部電極１８上等の必要部位に、再度写真製版工程にてレジスト３０ｂを塗布する。そして、圧電体層１７をエッチング加工した後、図２Ｉに示すように、レジスト３０ｂを除去する。

次に、図２Ｊに示すように、下部電極１９をエッチングするため、必要部位に写真製版工程にてレジスト３０ｃを塗布する。そして、下部電極１９をエッチング加工した後、レジスト３０ｃを除去するが、この時点で、図２Ｋに示すように、上部電極１８、圧電体層１７、下部電極１９からなる圧電素子１６の構造が完成する。

この後、一般的な半導体プロセスである上部電極１８や下部電極１９への接続開口工程や、配線工程、保護膜成膜、開口工程（以上、図示を省略する）を得て、圧電素子１６を駆動させる回路（図示せず）を形成する。

次に、アクチュエータ基板１４を反転させ、液室１３の形成面に写真製版工程にて、レジスト３０ｄにて液室１３の開口のためのパターニング処理を行う（図２Ｌ参照）。このパターニング処理後、異方性ウエットエッチングやＤＥＥＰ−ＲＩＥ装置にて、隔壁１４ａに隔てられた液室１３を形成する（図２Ｍ参照）。なお、図２Ｍでは、レジスト３０ｄにて液室１３の開口まで連続して処理を行っている。しかし、本願がこれに限定されることはなく、レジスト３０ｄは熱酸化膜の開口として用いた後、一旦レジスト３０ｄの除去を行い、残存した熱酸化膜をハードマスクとして液室１３の加工を行ってもよい。液室１３の加工後に、不要なレジスト３０ｄを除去する（図２Ｎ参照）。この後、図２Ｏに示すように、アクチュエータ基板１４の液室１３側に、ノズル１１が形成されたノズル板１２を接合して液室１３の開放端を閉じることで、インクジェットヘッド１０が完成する。

以上の製造工程において、図２Ｆ、図２Ｇに示すように、上部電極１８のエッチング加工を行う工程（写真製版工程）にて、上部電極１８の不要な電極材料を除去すると同時に、スリット形状等の応力緩衝部２０を作成することができる。この応力緩衝部２０は、圧電素子１６が伸縮振動する際のせん断応力を緩衝させる応力緩衝パターンである。したがって、実施例１の圧電アクチュエータでは、せん断応力緩衝のための緩衝膜を追加する工程や、緩衝膜の除去工程が不要となり、材料コストと製造工程を最小限に抑えながら、良好な応力緩衝を図ることが可能となる。

また、図２Ｈに示すように、圧電体層１７の形成時には、上部電極１８およびスリット形状の応力緩衝部２０もレジスト３０ｂで保護される。そのため、応力緩衝部２０から露出した圧電体層１７が、エッチング剤に晒されることもなく、圧電体層１７の膜減りがほとんど発生しない。そのため、圧電体層１７は、上部電極１８の応力緩衝部２０が設けられた領域に対応する領域の厚みと、応力緩衝部２０を設けていない領域に対応する領域の厚みとが、ほぼ同一（均一）に形成される。したがって、圧電体層１７自体の膜消失による駆動効率の低下を防ぐことが可能となる。

また、スリット形状の応力緩衝部２０は、上部電極１８を分離しないように加工することで、上部電極１８は面内を同一電位に保つことが可能となり、信号線接続に必要な接続開口数を最小限に抑えることができる。これにより、接続開口による応力による欠陥も最小限に抑えることができる。本実施例のように、上部電極１８にスリット形状の応力緩衝部２０をパターン加工することで、駆動信号の印加にて発生する圧電素子１６の伸縮によるせん断応力を、応力緩衝部２０で緩衝することができる。そのため、上部電極１８の剥離、浮き、クラック等を起こしにくくなる。また、応力緩衝部２０の上部電極１８へのエッチング加工は、上述のように半導体プロセスで高精度かつ微細加工が可能である。そのため、応力緩衝部２０の線幅（溝幅）を最小限にして、スリット形状の応力緩衝部２０を加工することによる電極面積の損失も最小限に抑えることが可能となる。したがって、電極面積低下に伴う圧電素子１６の駆動効率低下も最小限にとどめることが可能となる。

（実施例２）
次に、本願の実施例２のインクジェットヘッドについて、図３を参照して説明する。図３に示す実施例２のインクジェットヘッド１１０は、応力緩衝部１２０の形状を変えたこと以外は、実施例１のインクジェットヘッド１０と同様の基本構成を有している。そのため、実施例１と同様の構成については、詳細な説明は省略する。また、製造方法（製造工程）についても、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。以降の実施例３についても同様である。

図３の平面図およびＢ−Ｂ’線断面図に示すように、実施例２のインクジェットヘッド１１０は、ノズル１１１を有するノズル板１１２と、ノズル１１１が連通する液室１１３と、この液室１１３が設けられ、液室１１３を他の流路から分断する隔壁１１４ａを有するアクチュエータ基板１１４と、液室１１３に振動を伝える振動板１１５と、液室１１３内の液体を加圧する圧電素子１１６と、等を備えて構成されている。

実施例２の圧電素子１１６は、図３に示すように、圧電体層１１７と、これを挟む上部電極（第１電極）１１８と下部電極（第２電極）１１９と、を有して構成されている。実施例２でも、上部電極１１８に３本のスリット形状の応力緩衝部１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ）を設けているが、これらの形成長さがは、上部電極１１８の短辺方向の長さよりも短く形成されている。さらに、応力緩衝部１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの一方の端部１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃおよび他方の端部１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃは、上部電極１１８の両方の長辺よりも内側に位置し、この両方の長辺（外周縁）を貫いて上部電極１１８を分離することのないように形成されている。

以上のような応力緩衝部１２０を設けた実施例２の圧電素子１１６でも、電圧の印加により長辺方向に伸縮振動した際に、応力緩衝部１２０によってせん断応力を緩衝することができる。また、電極面積の消失を最小限として、上部電極１１８の面内を同電位に保つことができる。したがって、実施例２では、駆動低下を最小限に抑えながら、剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性が高い圧電アクチュエータを実現することができる。また、この圧電アクチュエータを備えることで、インクの吐出安定性に優れたインクジェットヘッド１１０を実現することができる。

（実施例３）
次に、本願の実施例３のインクジェットヘッドについて、図４を参照して説明する。図４に示す実施例３のインクジェットヘッド２１０は、応力緩衝部２２０の形状を変えたこと以外は、実施例１のインクジェットヘッド１０と同様の基本構成を有している。

図４に示すように、実施例３のインクジェットヘッド２１０は、ノズル２１１を有するノズル板２１２と、ノズル２１１が連通する液室２１３と、この液室２１３が設けられ、液室２１３を他の流路から分断する隔壁２１４ａを有するアクチュエータ基板２１４と、液室２１３に振動を伝える振動板２１５と、液室２１３内の液体を加圧する圧電素子２１６と、等を備えて構成されている。

実施例３の圧電素子２１６は、図４の平面図およびＣ−Ｃ’線断面図に示すように、圧電体層２１７と、これを挟む上部電極（第１電極）２１８と下部電極（第２電極）２１９と、を有して構成されている。上記実施例１、実施例２では、スリット形状の応力緩衝部２０，１２０を設けているが、実施例３では、図４に示すように、上部電極２１８に、断続的な直線形状、すなわち、破線状の３本の応力緩衝部２２０（２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ）を設けている。これらの応力緩衝部２２０は、それぞれ短尺な３つの除去片２２４が上部電極２１８の短辺方向に３つ直列に並んで構成されている。

また、応力緩衝部２２０ａ，２２０ｂは、３つの除去片２２４を含む全体の形成長さが、上部電極２１８の短辺方向の長さよりも短く形成されている。さらに、応力緩衝部２２０ａ，２２０ｂの一方の端部２２１ａ，２２１ｂおよび他方の端部２２２ａ，２２２ｂは、上部電極２１８の両方の長辺よりも内側に位置し、この両方の長辺（外周縁）を貫いて分離することのないように形成されている。また、応力緩衝部２２０ｃは、３つの除去片２２４を含む全体の形成長さが、上部電極２１８の短辺方向の長さと同一に形成されている。そのため、応力緩衝部２２０ｃの一方の端部２２１ｃと他方の端部２２２ｃとは、上部電極２１８の長辺を貫いて開口している。ただし、応力緩衝部２２０ｃは断続的な直線形状であるため、各除去片２２４の間には上部電極２１８の電極材料が存在し、応力緩衝部２２０ｃにより、上部電極２１８が電気的に分離されることはない。

以上のような応力緩衝部２２０を設けた実施例３の圧電素子２１６でも、電圧の印加により長辺方向に伸縮振動した際に、応力緩衝部２２０によってせん断応力を緩衝することができる。また、スリット形状に比べ、除去される電極材料が少なく、電極面積の消失をより小さくすることができる。したがって、実施例３では、駆動低下を最小限に抑えながら、剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性が高い圧電アクチュエータを実現することができる。また、この圧電素子２１６を備えることで、インクの吐出安定性に優れたインクジェットヘッド２１０を実現することができる。

以上、実施例１および実施例２では、スリット形状の応力緩衝部２０，１２０を設け、実施例３では、断続的な直線形状の応力緩衝部２２０を設けているが、本願がこれらの実施例に限定されることはない。実施例１〜実施例３のスリット形状の応力緩衝部２０，１２０と断続的な直線形状の応力緩衝部２２０とを組み合わせてもよい。また、実施例１では一方の端部２１または他方の端部２２が開口したスリット形状の応力緩衝部２０を設け、実施例２では、一方の端部１２１および他方の端部１２２が開口していないスリット形状の応力緩衝部１２０を設けている。また、実施例３では、一方の端部２２１および他方の端部２２２が開口していない断続的な直線形状の応力緩衝部２２０（２２０ａ，２２０ｂ）と、一方の端部２２１および他方の端部２２２が開口している断続的な直線形状の応力緩衝部２２０（２２０ｃ）とを設けている。本願が、これらの実施例に限定されることはなく、これら４種類の応力緩衝部２０，１２０，２２０を適宜組み合わせてもよいし、圧電体能動部の伸縮振動を緩衝可能であれば、他の形状であってもよい。

また、上記実施例１〜実施例３では、上部電極に応力緩衝部を設けているが、本願がこれらの実施例に限定されることはなく、例えば、応力緩衝部を、下部電極に設けてもよいし、上部電極と下部電極の両方に設けてもよい。いずれの場合でも、電圧の印加により長辺方向に伸縮振動した際に、応力緩衝部によってせん断応力を緩衝することができる。その結果、駆動低下を最小限に抑えながら、剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、信頼性が高い圧電アクチュエータを得ることができる。また、下部電極に応力緩衝部を設ける場合には、応力緩衝部のスリットの空間内に圧電体層材料等が入り込まず空間が維持されるように、下部電極と圧電体層とを構成するのが好ましい。この構成により、応力緩衝部によるせん断応力の緩衝が良好に行われ、下部電極の剥離等の抑制効果を向上させることができる。さらに、圧電体層では、下部電極に応力緩衝部が設けられた領域に対応する領域の厚みと、応力緩衝部を設けていない領域に対応する領域の厚みとを、ほぼ同一（均一）に形成することができる。そのため、圧電素子の駆動効率を良好に保つことができる。

（実施例４）
次に、実施例１のインクジェットヘッド１０を搭載した画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一例について、図６、図７を参照して説明する。図６、図７に示すように、実施例４のインクジェット記録装置５０は、内部に、主走査方向に移動可能なキャリッジ５１、及びキャリッジ５１に搭載されたインクカートリッジ５２を備えている。また、これらキャリッジ５１やインクカートリッジ５２は印字機構部５３に設けられている。

インクジェット記録装置５０の下部には、図７に示すように、前方側から多数枚の記録紙５４を積載可能な給紙カセット５５が抜き差し自在に装着されている。そして、給紙カセット５５から給送される記録紙５４を取り込み、印字機構部５３によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ５６に排紙する。

印字機構部５３は、図示しない左右の側板に支持された主ガイドロッド５７と従ガイドロッド５８とで、キャリッジ５１を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ５１には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッド１０が設けられている。

インクジェットヘッド１０は、複数のインク吐出口（ノズル孔）が主走査方向と交差する方向に配列され、インク吐出方向を下方に向けて装着されている。また、キャリッジ５１には、インクジェットヘッド１０に各色のインクを供給するための、各インクカートリッジ５２が交換可能に装着されている。

インクカートリッジ５２には、その上方に大気と連通する大気口が、下方にインクジェットヘッド１０へインクを供給する供給口がそれぞれ設けられ、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。そして、多孔質体の毛管力により、インクジェットヘッド１０へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。

ここで、キャリッジ５１は、後方側（用紙搬送方向下流側）が主ガイドロッド５７で摺動自在に支持され、前方側（用紙搬送方向上流側）が従ガイドロッド５８で摺動自在に支持されている。このキャリッジ５１を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ５９で回転駆動される駆動プーリ６０と従動プーリ６１との間にタイミングベルト６２が設けられている。そして、このタイミングベルト６２はキャリッジ５１に固定されており、主走査モータ５９の正逆回転によりキャリッジ５１が往復駆動される。

一方、給紙カセット５５にセットした記録紙５４をインクジェットヘッド１０の下方側に搬送するために、給紙カセット５５から記録紙５４を分離給装する給紙ローラ６４およびフリクションパッド６５と、記録紙５４を案内するガイド部材６６とが設けられている。さらに、給紙された記録紙５４を反転させて搬送する搬送ローラ６７と、この搬送ローラ６７の周面に押し付けられる搬送コロ６８及び搬送ローラ６７からの記録紙５４の送り出し角度を規定する先端コロ６９とが設けられている。搬送ローラ６７は副走査モータ７０によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ５１の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ６７から送り出された記録紙５４を、インクジェットヘッド１０の下方側で案内する印写受け部材７１が設けられている。この印写受け部材７１の用紙搬送方向下流側には、記録紙５４を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ７２、拍車７３が設けられている。さらに、記録紙５４を排紙トレイ５６に送り出す排紙ローラ７４および拍車７５と、排紙経路を形成するガイド部材７６，７７とが設けられている。

記録時には、キャリッジ５１を移動させながら画像信号に応じてインクジェットヘッド１０を駆動することにより、停止している記録紙５４にインクを吐出して１行分を記録し、記録紙５４を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、記録紙５４の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ記録紙５４を排紙する。

また、キャリッジ５１の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェットヘッド１０の吐出不良を回復するための回復装置７８が配置されている。回復装置７８は、キャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ５１は、印字待機中には、この回復装置７８側に移動されてキャッピング手段でインクジェットヘッド１０をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェットヘッド１０の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクと共に気泡等を吸い出す。また、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され、吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、装置下部に設置された廃インク溜（図示省略）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

このように、実施例４のインクジェット記録装置５０においては、実施例１で説明した信頼性の高い圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッド１０を搭載している。そのため、圧電体能動部の駆動効率の低下を最小限に抑えながら、圧電体能動部の変位による応力が発生しても、電極材料に剥離、浮き、クラック等が発生しにくく、安定したインク吐出特性が得られて、画像品質が向上する。

以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記各実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１０，１１０，２１０ インクジェットヘッド（記録ヘッド）
１５，１１５，２１５ 振動板（圧電アクチュエータ）
１６，１１６，２１６ 圧電素子（圧電アクチュエータ）
１７，１１７，２１７ 圧電体層（圧電体能動部）
１８，１１８，２１８ 上部電極（圧電体能動部）
１９，１１９，２１９ 下部電極
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，２２０，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃ 応力緩衝部
５０ インクジェット記録装置（画像形成装置）

特開平１１−１１５１８４号公報

Claims (8)

1. 振動板と、
   前記振動板上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられた圧電体層および該圧電体層上に形成された上部電極を有し電圧の印加により伸縮振動する圧電体能動部と、
   前記下部電極または前記上部電極の少なくとも一方に設けられ、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びる応力緩衝部と、を備え、
   前記応力緩衝部は、前記下部電極または前記上部電極が分離しないように、当該下部電極または当該上部電極を構成する電極材料を、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に溝状に除去することにより形成されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記応力緩衝部は、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びるスリット形状に形成され、当該スリット形状の応力緩衝部の少なくとも一方の端部は、前記下部電極または前記上部電極の外周縁よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記応力緩衝部は、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びる断続的な直線形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記圧電体層は、前記上部電極または前記下部電極の前記応力緩衝部が設けられた領域に対応する領域の厚みと、前記応力緩衝部が設けられていない領域に対応する領域の厚みとが、同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 振動板と、下部電極と、圧電体膜および上部電極からなる圧電体能動部と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
   前記振動板上に、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極を順次形成するとともに、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極を所定の形状にパターニングする工程を、少なくとも有し、
   前記下部電極または前記上部電極の少なくとも一方が、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びる溝状の応力緩衝部を備え、
   前記下部電極または前記上部電極の少なくとも一方をパターニングするときに、前記下部電極または前記上部電極に、前記圧電体能動部の伸縮振動方向に交差する方向に延びる前記応力緩衝部のパターンを形成し、該パターンを設けた領域以外の電極材料を除去することにより、前記上部電極または前記下部電極をパターニングすると同時に、前記上部電極または前記下部電極に、前記応力緩衝部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
6. 前記応力緩衝部は、前記上部電極に少なくとも設けられ、
   前記振動板上に、前記下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極上に、前記圧電体層を形成する工程と、
   前記圧電体層上に、前記上部電極を形成する工程と、
   前記上部電極上に、写真製版を用いて前記上部電極および前記応力緩衝部のレジストパターンを形成する工程と、
   前記上部電極の前記レジストパターンが形成された領域以外の前記上部電極を除去することにより、前記上部電極をパターニングするとともに、前記上部電極に、前記圧電体能動部の伸縮振動方向と交差する方向に延びる溝状の前記応力緩衝部を形成する工程と、
   前記応力緩衝部が形成された前記上部電極上に、写真製版を用いて前記圧電体層のレジストパターンを形成し、前記レジストパターンが形成された領域以外の前記圧電体層を除去することにより、前記圧電体層をパターニングする工程と、
   前記圧電体層および前記上部電極上に、前記下部電極のレジストパターンを形成し、前記レジストパターンが形成された領域以外の前記下部電極を除去することにより、前記下部電極をパターニングする工程と、を有することを特徴とする請求項５に記載の圧電素子の製造方法。
7. 請求項１〜４に記載の圧電アクチュエータを有することを特徴とする記録ヘッド。
8. 請求項７に記載の記録ヘッドを有することを特徴とする画像形成装置。