JP5582251B2 - 圧電アクチュエータおよびそれを備えたインクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、電気機械変換素子としての圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドとに関するものである。

近年、高速印刷、低騒音、高精細印刷、低コストなどの理由により、インクジェットプリンタが急速に普及している。このインクジェットプリンタには、インクを適正な量だけ吐出させるインクジェットヘッドが設けられている。このインクジェットヘッドとして、例えば特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１のインクジェットヘッドでは、基板に圧力室が形成されるとともに、この圧力室を覆うように、基板上に振動板が形成されている。そして、振動板上には、下電極、圧電体、上電極がこの順で形成されている。この構成では、上電極および下電極に電圧を印加すると、圧電体の伸縮による圧電歪み（圧電変位）が生じ、振動板が撓み変形する。この振動板の撓み変形により、圧力室内の圧力が高まり、ノズルからインク滴が吐出される。

このとき、上電極は、圧力室の上方から圧力室の側壁上方に圧電体とともに引き出されており、これによって圧力室の上方の上電極に通電することが可能となっている。また、上電極を圧電体とともに引き出すことにより、上電極の引き出しを容易に行うことができる。その理由は以下の通りである。

例えば、上電極のみを圧力室の上方から引き出す場合、圧力室上方の圧電体の上面から圧電体の側面をはうようにして上電極を引き出す方法が考えられる。しかし、圧電体の側面は上面に対してほぼ垂直であるため、特に圧電体の厚みが大きい場合には、蒸着やスパッタによって圧電体の側面に上電極となる金属材料を付着させることが困難となり、圧電体の厚み分の段差を乗り越えて上電極を引き出すことが困難となる。これに対して、上電極を圧電体とともに引き出す構成では、圧電体の上面にのみ上電極を形成すればよいので、蒸着等による上電極の形成が容易となる。つまり、圧電体の厚み分の段差を乗り越えるような上電極の形成は不要となり、上電極の引き出しが容易となる。

ところが、上記のように、上電極を圧電体とともに引き出す構成では、圧力室の上方と圧力室の側壁上方とで圧電体がつながっているので、圧力室上方の圧電体の伸縮に伴い、圧力室上方の圧電体と圧力室の側壁上方の圧電体との境界付近、すなわち圧電体において圧力室の側壁面上方に位置する部分に折り曲げ負荷が作用し、この部分に応力が集中する。このため、圧電体の上記境界付近でクラックが発生し、上電極の破断を招く。また、圧力室上方の圧電体の圧電変位が、圧力室の側壁上方の圧電体によって阻害されるため、圧電変位の低下が避けられない。

この点、特許文献２のインクジェットヘッドでは、圧力室と圧力室の側壁との境界面上方において、振動板と圧電体との間に空間部を設け、この空間部をまたぐように圧電体および上電極を引き出すようにしている。これにより、上記境界面上方における応力集中を回避して、上電極の破断を防止するようにしている。

特開２００９−１８２１９５号公報（図４等参照） 特開２００１−９６７４７号公報（請求項１、段落〔００１０〕、図２等参照）

ところが、特許文献２では、空間部をまたぐように圧電体を設ける構成により、上電極の破断を防止することはできても、圧力室上方の圧電体と圧力室の側壁上方の圧電体とがつながっている以上、圧力室上方の圧電体の圧電変位が、圧力室の側壁上方の圧電体によって少なからず阻害されるため、特許文献１と同様に、圧電変位の低下を回避することはできない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電変位の低下を回避できるとともに、圧電体のクラックによる上電極の破断を防ぐことができ、しかも、圧電体の厚みが大きい場合でも、上電極を容易に引き出すことができる圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドとを提供することにある。

本発明の１構成の圧電アクチュエータは、基板に形成された圧力室に配設された振動板を前記圧力室に向けて変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上に位置するようにした状態において、前記振動板上には、下電極、圧電体および上電極が順に積層され、前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上の一部には、前記圧力室上方の前記上電極から引き出された上電極引出部が形成され、前記圧電体は、前記上電極引出部の下方において、前記基板における前記圧力室の側壁と前記圧力室との境界面上方の空隙部によって分断されていることを特徴としている。

基板上には、圧力室の上部を覆うように振動板が形成されており、この振動板上には、下電極、圧電体、上電極が順に形成されている。上電極および下電極に電圧を印加することにより、圧力室上部の圧電体を伸縮させて、圧力室上部の振動板を振動させる。よって、振動板の振動によって圧力室から気体や液体を吐出させることができ、この場合は、圧電アクチュエータをポンプとして用いることができる。逆に、振動板の振動によって生じる電界を検出することにより、圧電アクチュエータをセンサとして用いることができる。

ここで、圧力室の側壁上方の圧電体上の一部には、圧力室上方の上電極から引き出された上電極引出部が形成されており、圧電体は、上電極引出部の下方において、基板における圧力室の側壁と圧力室との境界面上方の空隙部によって分断されている。これにより、圧力室の側壁上方の圧電体が、圧力室上方の圧電体の変位を阻害することがなく、圧電変位の低下を回避することができる。また、応力集中によって最もクラックが発生しやすい部分に圧電体が存在せず、空隙部となっているので、圧電体のクラックによる上電極（特に上電極引出部）の破断を防ぐこともできる。また、この構成は、例えば、圧電体の上に上電極および上電極引出部となる電極層を形成した後、圧電体のパターニングの際のサイドエッチングにより、空隙部となる圧電体を除去することによって容易に実現できる。したがって、圧電体の上面から側面をはって上電極を引き出す従来に比べて、圧電体の厚みが大きい場合でも、上電極を容易にかつ確実に引き出すことができる。

本発明の１構成の圧電アクチュエータにおいて、前記空隙部上の前記上電極引出部の幅を、前記圧電体をパターニングする際のサイドエッチング量の２倍以下としてもよい。

この場合、圧電体上に上電極および上電極引出部となる電極層を形成した後であっても、上電極引出部の下層の圧電体（空隙部に位置する圧電体）をサイドエッチングによって確実に除去することができ、空隙部をまたぐように上電極引出部を形成する構成を確実に実現することができる。

前記空隙部上の前記上電極引出部は、前記上電極の積層面に平行な面内で屈曲して形成されていてもよい。

この構成では、空隙部上の上電極引出部は、圧力室上方の圧電体の伸長時に圧縮し、上記圧電体の圧縮時に伸長する。これにより、圧電体の伸縮による応力（伸長時には圧縮応力、収縮時には引張応力）を緩和することができ、圧電体の伸縮による上電極引出部の破断を確実に防止することができる。逆に、圧力室上方の圧電体に対しては、上電極引出部による負荷を低減することができるので、圧電変位の低下を確実に回避することができる。

前記空隙部上の前記上電極引出部は、前記圧電体の変位前の初期状態で前記空隙部内に撓むように形成されていてもよい。

この構成では、圧力室上部の圧電体の伸長時には、上電極引出部は圧縮応力によって一層撓み、圧電体の圧縮時には、引張応力によって上電極引出部の撓み量が軽減される。いずれにしても、圧力室上部の圧電体の伸縮による応力が、上電極引出部によって緩和されるので、圧電体の伸縮による上電極引出部の破断をさらに確実に防止することができる。

前記圧電体は、前記空隙部によって、前記圧力室の上方に位置する第１の圧電体と、前記圧力室の側壁の上方に、前記第１の圧電体を囲むように形成される第２の圧電体とに分断されており、前記上電極引出部は、前記圧力室の上方の前記上電極を、前記圧力室の中心に対して点対称となる各位置から前記空隙部をまたいで互いに反対方向に引き出すことによって形成されていてもよい。

この構成では、第１の圧電体の伸縮による振動板の振動方向を、基板の面に対して垂直な方向に近づけることができ、アクチュエータとしての特性が向上する。特に、上記構成の圧電アクチュエータを例えば超音波プローブの送受信素子に適用したときには、均一な球面波で超音波を放射することができ、素子の性能を向上させることができる。

前記圧力室の上方の前記上電極において、互いに反対側の端部をそれぞれ第１の端部、第２の端部としたとき、前記上電極引出部は、前記圧力室の上方の前記上電極の第１の端部から、前記圧力室の上方の前記圧電体の外側を通って第２の端部側に引き回された後、さらに前記第１の端部とは反対方向に進行して、前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上に引き出されていてもよい。

この構成では、上電極引出部を圧力室上方の上電極から直線的に引き出す構成に比べて、圧力室上方の圧電体の外側、すなわち、圧電体の存在しない領域での上電極引出部の長さをかせぐことができる。これにより、圧力室上方の圧電体と圧力室の側壁上方の圧電体との距離を、上電極引出部を直線的に引き出す構成に比べて短くしても、同程度の応力を緩和することができる。したがって、アクチュエータを小型化しながら、上電極引出部の応力を緩和してその破断を防止することができる。

本発明の１構成のインクジェットヘッドは、上述した構成の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの圧力室に充填されたインクの吐出口を有するノズルプレートとを備えて構成されていてもよい。

この構成では、圧電変位の低下の回避および上電極引出部の破断防止により、インクジェットヘッドの低消費電力化および長寿命化を図ることができる。

上記構成によれば、圧電体が空隙部によって分断されていることにより、圧力室の側壁上方の圧電体が、圧力室上方の圧電体の変位を阻害することがない。このため、圧電変位の低下を回避することができる。また、応力集中によって最もクラックが発生しやすい部分に圧電体が存在しないので、圧電体のクラックによる上電極引出部の破断を防ぐこともできる。

（ａ）は、本発明の実施の一形態に係る圧電アクチュエータ１の概略の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、圧電アクチュエータ１の製造工程を順に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、圧電アクチュエータ１の製造工程を順に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、圧電アクチュエータ１の製造工程を順に示す断面図である。 は、圧電アクチュエータ１の製造工程のうち、図４（ｂ）の工程でレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。 は、圧電アクチュエータ１を適用したインクジェットヘッドの概略の構成を示す断面図である。 （ａ）は、圧電アクチュエータ１の他の構成１を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 は、圧電アクチュエータ１の他の構成２を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、ＳＯＩ基板を用いて作製された圧電アクチュエータ１の平面図であり、（ｂ）は、圧電アクチュエータ１の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、空隙部上の上電極引出部の形状のバリエーションを示す平面図である。 は、圧電アクチュエータ１の他の構成３を示すものであって、上記上電極引出部のさらに他の形状を示す断面図である。 は、圧電アクチュエータ１の他の構成４を示すものであって、上記上電極引出部のさらに他の形状を示す平面図である。 は、圧電アクチュエータ１の他の構成５を示すものであって、上記上電極引出部のさらに他の形状を示す平面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（圧電アクチュエータの構成）
図１（ａ）は、本実施形態の圧電アクチュエータ１の概略の構成を模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電アクチュエータ１は、基板１１上に、振動板１２と、下電極１３と、圧電体１４と、上電極１５とをこの順で積層して形成されている。以下では、便宜上、振動板１２が圧力室の上に位置する状態で説明するが、上下を限定するものではなく、使用時に何れの方向を向いていてもよい。

基板１１は、単結晶Ｓｉ単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。この基板１１には、気体や液体を収容する圧力室２１が形成されており、基板１１における圧力室２１以外の部分は、圧力室２１の側壁２１ａとなっている。本実施形態では、圧力室２１の基板１１の面に平行な断面形状は円形であるが、例えば楕円形や多角形等であっても構わない。

振動板１２は、圧電体１４の伸縮によって振動する弾性体であり、基板１１に形成される圧力室２１およびその側壁２１ａを覆うように、基板１１上に形成されている。この振動板１２は、例えば基板１１の表面を熱酸化して得られる熱酸化膜（ＳｉＯ_２）で構成されるが、上記の熱酸化膜と、基板１１の厚さ方向の一部のＳｉ層とで振動板１２が構成されていてもよい。

下電極１３は、例えばＴｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、振動板１２（熱酸化膜）とＰｔ層との密着性を向上させるための密着層である。上電極１５は、例えばＣｒ層とＡｕ層とを積層して構成されている。Ｃｒ層は、圧電体１４とＡｕ層との密着性を向上させるための密着層である。

圧電体１４は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなり、下電極１３上にパターニング形成されている。圧電体１４は、基板１１における圧力室２１の側壁２１ａと圧力室２１との境界面の上方の空隙部Ｓによって分断されている。つまり、圧電体１４は、圧力室２１の側壁面上方に位置する空隙部Ｓにより、圧力室２１の上方に位置する圧電体１４ａと、圧力室２１の側壁２１ａの上方に位置する圧電体１４ｂとに分断されている。空隙部Ｓは、圧電体１４ａの外側（周囲）に例えば環状に形成されており、この空隙部Ｓのさらに外側に圧電体１４ｂが形成されている。

上記した上電極１５は、圧力室２１の上方から、圧力室２１の側壁２１ａの上方の圧電体１４ｂ上に、空隙部Ｓをまたぐように引き出されている。この圧電体１４ｂ上に引き出された上電極１５を、以下では上電極引出部１５ａと称する。上電極引出部１５ａおよび下電極１３は、図示しない電圧印加部に接続されている。

上記の構成において、上電極引出部１５ａおよび下電極１３に電圧を印加すると、上電極１５と下電極１３とで挟まれた、圧力室２１の上方の圧電体１４ａが水平方向に伸縮するとともに、圧電体１４ａに圧電歪み（圧電変位）が生じ、これによって振動板１２が上下方向に振動する。したがって、このような振動板１２の振動により、圧力室２１から気体や液体を吐出させることができ、この場合は、圧電アクチュエータ１をポンプとして用いることができる。逆に、振動板１２を振動させると、圧電体１４ａの伸縮によって電界が生じるので、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を上電極１５および下電極１３を介して検出することにより、圧電アクチュエータ１をセンサとして用いることができる。

（圧電アクチュエータの製造方法）
次に、上記構成の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）、図３（ａ）〜図３（ｄ）、図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本実施形態の圧電アクチュエータ１の製造工程を順に示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１１（例えば厚さ２００μｍ）の表面および裏面を熱酸化し、ＳｉＯ_２層１１ａ（例えば厚さ１μｍ）およびＳｉＯ_２層１１ｂ（例えば厚さ１μｍ）をそれぞれの面に形成する。なお、最初からＳｉＯ_２層１１ａ・１１ｂが両面に付いた基板１１を用いてもよい。なお、基板１１の表面側のＳｉＯ_２層１１ａは、前述した振動板１２を構成する。

そして、図２（ｂ）に示すように、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原料ガスとして用いたＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、基板１１の裏面側にＳｉＯ_２層をさらに成膜し、ＳｉＯ_２層１１ｂの厚さを例えば２μｍに増やす。

続いて、図２（ｃ）に示すように、基板１１の裏面側のＳｉＯ_２層１１ｂの上に、レジストを塗布し、露光、現像してレジストパターン３１を得る。このレジストパターン３１は、基板１１に圧力室２１（図４（ｄ）参照）を形成するためのものであり、例えば直径２００μｍの円形の穴３１ａを有している。なお、穴３１ａの形状は、上記の円形に限らず、その他の形状（例えば楕円形、多角形）であってもよい。

次に、図２（ｄ）に示すように、レジストパターン３１をマスクとして、基板１１の裏面側のＳｉＯ_２層１１ｂをドライエッチングする。このドライエッチングは、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置でＣＨＦ₃（トリフルオロメタン）ガスを用いることによって行われる。このドライエッチングにより、レジストパターン３１で保護されていないＳｉＯ_２層１１ｂが除去される。

続いて、図３（ａ）に示すように、基板１１の表面側のＳｉＯ_２層１１ａ上に、Ｔｉ層（例えば厚さ２０ｎｍ）およびＰｔ層（例えば厚さ１００ｎｍ）をスパッタによって順に成膜し、下電極１３を形成する。Ｔｉ層は、ＳｉＯ_２層１１ａとＰｔ層とを密着させるための密着層である。

その後、図３（ｂ）に示すように、下電極１３上に、ＰＺＴをスパッタによって６００℃の温度で成膜し、圧電体１４（例えば厚さ３μｍ）を形成する。圧電体１４は、良好な圧電特性が得られるペロブスカイト型構造をなしており、結晶格子の中心のＴｉまたはＺｒのイオンが（１１１）方向に偏位している。この（１１１）方向が基板１１の面に垂直となるように圧電体１４を形成することにより、例えば（００１）方向が基板１１の面に垂直となるように圧電体１４を形成した場合に比べて分極が大きいため、大きな圧電変位を得ることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、スパッタにより、圧電体１４の上にＣｒ層およびＡｕ層をこの順で成膜し、上電極１５（例えば厚さ０．２μｍ）を形成する。Ｃｒ層は、圧電体１４とＡｕ層とを密着させるための密着層である。

続いて、図３（ｄ）に示すように、上電極１５の上にレジストを塗布し、露光、現像して、上電極１５をパターニングするためのレジストパターン３２を形成する。その際、上電極引出部１５ａとなる部分の上部のレジストパターン３２については、その幅を例えば５μｍで形成する。なお、レジストパターン３２の上記の幅５μｍは、後述する圧電体１４のサイドエッチング量、つまりサイドエッチングの幅方向の長さ（例えば３μｍ）を考慮したことによる。

そして、図４（ａ）に示すように、レジストパターン３２をマスクとして、上電極１５をウェットエッチングする。これにより、上電極１５は、圧力室２１となる部分の上方から圧力室２１の側壁２１ａとなる部分の上方に、圧電体１４の上面に沿って引き出された形状となる。このとき、圧力室２１の側壁２１ａとなる部分の上方に位置する上電極引出部１５ａの幅は、レジストパターン３２によって例えば５μｍとなる。

次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体１４および上電極１５上にレジストを塗布し、露光、現像して、圧電体１４をパターニングするためのレジストパターン３３を形成する。このとき、上記のレジストパターン３３は、上電極引出部１５ａの上部も含めて形成される。本実施形態では、圧電体１４において空隙部Ｓを形成する部分の上方の上電極引出部１５ａ上にはレジストが塗布されていない例を示しているが、空隙部Ｓを形成する部分の上方の上電極引出部１５ａ上にもレジストが塗布されていてもよい。

続いて、図４（ｃ）に示すように、フッ硝酸で圧電体１４をウェットエッチングする。これにより、例えば直径１８０μｍの圧電体１４ａと、その外側の圧電体１４ｂとが、例えば幅４０μｍの溝（圧電体１４が除去された部分）によって分断された状態で形成される。

ここで、圧電体１４のウェットエッチング時には、垂直方向のエッチングと同時に水平方向のエッチング（サイドエッチング）も行われる。このサイドエッチングにより、上電極引出部１５ａの下部の圧電体１４も水平方向からエッチングされて除去されるため、上電極引出部１５ａと下電極１３との間には、圧電体１４の存在しない空隙部Ｓが形成される。したがって、上電極引出部１５ａは、圧電体１４ａの上方から圧電体１４ｂの上方に空隙部Ｓをまたぐように形成されることになる。

このとき、圧電体１４のサイドエッチング量を例えば３μｍとすると、上電極引出部１５ａの幅は、圧電体１４のサイドエッチング量の２倍以下の５μｍであるため、上電極引出部１５ａの下に位置する圧電体１４を、上電極引出部１５ａの幅方向の両側からのサイドエッチングによって確実に除去することができる。

なお、圧電体１４のサイドエッチング量を例えば３μｍとした場合、幅３４μｍの溝に対応するレジストパターン３３を形成しておけば、溝の両側（圧電体１４ａ側、圧電体１４ｂ側）がそれぞれ３μｍずつサイドエッチングされるので、最終的に幅４０μｍの溝を形成することができる。

図５は、図４（ｂ）の状態において、圧電体１４および上電極１５上にレジストパターン３３を形成した状態を模式的に示す平面図である。レジストパターン３３は、同図における斜線部のハッチングで示す部分に形成されているが、レジストが塗布されなかった箇所からのサイドエッチングにより、レジストパターン３３の下方の圧電体１４は、サイドエッチング量ｅ１、ｅ２だけ除去される。また、上電極引出部１５ａの幅を圧電体１４のサイドエッチング量の２倍以下とすることにより、上電極引出部１５ａの下に位置する圧電体１４が、上電極引出部１５ａの幅方向の両方からサイドエッチングされるため（サイドエッチング量をｅ３、ｅ４とする）、この部分の圧電体１４を確実に除去することができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、基板１１の裏面側のＳｉＯ_２層１１ｂのパターンをマスクとして、基板１１をＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）装置のボッシュプロセスで深堀加工し、例えば直径２００μｍの圧力室２１を形成する。これにより、圧電アクチュエータ１が完成する。このとき、基板１１における圧力室２１以外の部分は、圧力室２１の側壁２１ａを構成する。また、上記した圧電体１４ａは、圧力室２１の上方に位置する圧電体に対応し、圧電体１４ｂは、圧力室２１の側壁２１ａの上方に位置する圧電体に対応する。

（圧電アクチュエータの応用例）
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、例えばインクジェットヘッドに適用することができる。図６は、インクジェットヘッド５０の概略の構成を示す断面図である。圧電アクチュエータ１の基板１１の裏面側のＳｉＯ_２層１１ｂをエッチング処理により除去した後、基板１１の裏面側に、例えば厚さ２００μｍのガラス基板４１を介して、例えば厚さ３００μｍのＳｉからなるノズルプレート４２を陽極接合によって貼り合わせることにより、インクジェットヘッド５０を作製することができる。上記のガラス基板４１には、例えば直径１００μｍの穴４１ａが形成されており、ノズルプレート４２には、直径５０μｍ、直径２０μｍの２段穴からなる吐出口４２ａが形成されている。したがって、圧力室２１に充填されたインクは、振動板１２の振動により、ガラス基板４１の穴４１ａを介してノズルプレート４２の吐出口４２ａから吐出される。

また、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、超音波センサ、すなわち、超音波プローブの送受信素子に適用することもできる。例えば、圧電アクチュエータ１の上電極１５と下電極１３との間に、送信する超音波の周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することで、超音波を送信することができる。また、受信時は、被検体で反射された超音波は、圧電アクチュエータ１の圧力室２１に入射し、圧力室２１上部の振動板１２を振動させ、振動による圧電効果によって、圧電体１４に電界が生ずる。この電界の振幅、周期、位相を下電極１３と上電極１５とを介して検出することにより、２次元の超音波画像を得ることができ、圧電アクチュエータ１を超音波プローブの受信素子として機能させることができる。

以上のように、本実施形態の圧電アクチュエータ１の圧電体１４は、上電極引出部１５ａの下方において、空隙部Ｓにより、圧力室２１の上方の圧電体１４ａと、圧力室２１の側壁２１ａの上方の圧電体１４ｂとに分断されている。これにより、圧電体１４ｂが圧電体１４ａの変位を阻害することがないので、圧電体１４ａの圧電変位の低下を回避することができる。また、応力集中によって最もクラックが発生しやすい部分、すなわち圧電体１４において圧力室２１と側壁２１ａの境界面の上方に位置する箇所は空隙部Ｓとなっており、この部分に圧電体１４が存在しないので、圧電体１４のクラックによる上電極引出部１５ａの破断を防ぐこともできる。

また、本実施形態では、上電極引出部１５ａが空隙部Ｓをまたぐように形成されているが、この構成は、上述したように、圧電体１４のパターニングの際のサイドエッチングによって、上電極引出部１５ａの下部の圧電体１４を除去することによって容易に実現できる。したがって、圧電体１４の上面から側面をはって上電極１５を引き出す構成に比べて、圧電体１４の厚みが大きい場合でも、上電極１５を容易にかつ確実に引き出すことができる。

また、本実施形態の圧電アクチュエータ１によれば、上述のように圧電変位の低下を回避できるので、同じ圧電変位を得るための印加電圧を低くすることができるとも言える。このことと、上電極引出部１５ａの破断防止の観点とから、この圧電アクチュエータ１をインクジェットヘッド５０に適用することにより、インクジェットヘッド５０の低消費電力化および長寿命化を図ることができる。

（圧電アクチュエータの他の構成例）
図７（ａ）は、本実施形態の圧電アクチュエータ１の他の構成１を模式的に示す平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電体１４は、下電極１３の形成範囲に対応して形成される必要はなく、圧力室２１の上方と、圧力室２１の側壁２１ａの上方のうちで上電極引出部１５ａが引き出される部分とにだけ形成されていてもよい。

また、図８は、圧電アクチュエータ１のさらに他の構成２を模式的に示す平面図である。同図に示すように、上電極引出部１５ａの引出長さＬ（空隙部Ｓ上の引き出し方向の長さ）は、長ければ長いほど、圧電体１４ａの伸縮時に上電極引出部１５ａにかかる応力を緩和することができるので望ましい。

以下、上電極引出部１５ａの引出長さＬと、上電極引出部１５ａにかかる応力との関係についてシミュレーションした結果について説明する。なお、以下では、基板１１としてＳＯＩ基板を用いて圧電アクチュエータ１を作製し、シミュレーションを行っているが、基板１１としてＳｉ基板を用いた場合でも、同様の傾向を有するものと考えられる。

図９（ａ）は、前記の他の構成１と同様の形状で、ＳＯＩ基板を用いて作製された圧電アクチュエータ１の平面図であり、図９（ｂ）は、上記圧電アクチュエータ１の断面図である。基板１１としてのＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ_２からなる絶縁膜６２を介してＳｉ基板６３が形成されたものである。基板１１としてＳＯＩ基板を用いると、基板１１を掘り込んで圧力室２１を形成する際に、絶縁膜６２がエッチングストッパとして機能し、厚さ方向に精度よく圧力室２１を形成することができる。

ここで、振動板１２は、基板１１の表面側のＳｉＯ_２層１１ａと、Ｓｉ基板６３とで構成される。したがって、ＳＯＩ基板の残りの部分、すなわち、Ｓｉ基板６１および絶縁膜６２を基板１１’と考えれば、振動板１２は基板１１’上に形成されていると考えることができる。

今、振動板１２の厚さをｔ１μｍ、圧電体１４であるＰＺＴの厚さをｔ２μｍ、圧力室２１の直径をｗ１μｍ、圧力室２１の上方の圧電体１４ａのＰＺＴ直径をｗ２μｍ、圧力室２１の上方の上電極１５の直径をｗ３μｍ、上電極引出部１５ａの下部の圧電体１４ｂ（引出部ＰＺＴ）の幅をｗ４μｍ、上電極引出部１５ａの幅をｗ５μｍ、空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａの引出長さをＬμｍとする。

初期応力は、ＰＺＴの応力（例えば１００ＭＰａとする）だけ考慮し、ＰＺＴの圧電定数（ｄ_３１）の絶対値を１５０ｐｍ／Ｖ、ＰＺＴの駆動電圧を１５Ｖ、ＰＺＴのヤング率を６０ＧＰａとする。表１は、このような条件で上電極引出部１５ａにおいて空隙部Ｓの上方の引出長さＬを変化させたときの、圧電変位および応力の変化を示している。

表１において、ロットＮｏ．１は、引出長さＬ＝０、すなわち、圧電体１４が空隙部Ｓによって分断されていない従来の構成である。また、ロットＮｏ．２〜６は、圧電体１４が空隙部Ｓによって分断されている本実施形態の構成である。ロットＮｏ．１〜６の結果より、圧電体１４が空隙部Ｓによって分断されている構成では、分断されていない構成に比べて、圧電体１４ａの圧電変位ａ１が増大していることがわかる。また、ロットＮｏ．２〜６より、空隙部Ｓ上の引出長さＬが長ければ長いほど、上電極引出部１５ａにかかる応力の最大値が低下しており、上電極引出部１５ａの破断防止の効果が高いと言える。

なお、ロットＮｏ．１において、上電極の引出部にかかる応力の最大値が、ロットＮｏ．２等よりも低くなっているが、これは、圧電体にクラックが入らない場合の値であり、圧電体にクラックが入ると、ロットＮｏ．２の値以上の応力がかかることがわかっている。

（上電極引出部の形状のバリエーションについて）
次に、上電極引出部１５ａの形状のバリエーションについて説明する。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａの形状のバリエーションを示す平面図である。これらのように、空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａが、上電極の積層面に平行な面内で屈曲して形成されていることが望ましい。図１０（ａ）の例では、空隙部Ｓ上方において、幅が狭くなった上電極引出部１５ａが図で上下方向に蛇行するように形成されている。図１０（ｂ）の例では、上電極引出部１５ａの一部で幅が狭くなって、その左右部分に穴が設けられ、アルファベットのＨ字状となっているため、結果として空隙部Ｓ上方で上電極引出部１５ａが屈曲した形状となっている。図１０（ｃ）の例では、図１０（ｂ）の形状における左右の穴の中間位置に、中央に穴を有する幅の広い部分が形成されている。図１０（ｄ）の例では、上電極引出部１５ａ全体の幅が狭く、図で上下方向に屈曲してアルファベットのＵ字状となるように形成されている。

この場合、圧力室２１の上方の圧電体１４ａの伸長時には、上電極引出部１５ａは図で左右方向に圧縮され、圧電体１４ａの圧縮時には、上電極引出部１５ａは左右方向に伸長する。これにより、圧電体１４ａの伸縮によって上電極引出部１５ａにかかる応力を緩和することができ、上電極引出部１５ａの破断を確実に防止することができる。また、圧電体１４ａに対しては、上電極引出部１５ａによる負荷を低減することができるので、圧電変位の低下を確実に回避することができる。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、上電極引出部１５ａの形状のバリエーションの一部の例を示すものであり、圧電体１４ａの変位に伴って圧縮・伸長できる形状であれば、上記の形状に限らず、他に様々な形状とすることが可能である。

また、上電極引出部１５ａを上電極１５の積層面に平行な面内で屈曲した形状とする際に、上電極引出部１５ａを、圧電体１４のサイドエッチング量の２倍以下の幅とすることにより、サイドエッチングによって、空隙部Ｓとなる圧電体１４を確実に除去して、その空隙部Ｓをまたぐように上電極引出部１５ａを確実に形成することができる。

図１１は、圧電アクチュエータ１のさらに他の構成３を示すものであって、上電極引出部１５ａのさらに他の形状を示す断面図である。同図に示すように、空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａは、圧電体１４ａの変位前の初期状態で空隙部Ｓ内に撓むように形成されていてもよい。

この構成は、例えば、圧電体１４上に上電極１５（上電極引出部１５ａを含む）をスパッタにより成膜する前に、空隙部Ｓとなる圧電体１４の表面をエッチングして少し窪ませておき、その上に上電極１５を形成した後、空隙部Ｓとなる圧電体１４をサイドエッチングによって除去することで実現可能である。また、基板１１をＺｒＯ_２で形成し、上電極１５をＰｔで形成することにより、上電極引出部１５ａを基板１１に対して圧縮応力となるように構成することができ、これによっても、圧電体１４ａの変位前の初期状態で、空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａを撓ませることができる。さらに、基板１１に対して上電極１５を熱膨張係数の小さい材料で形成することにより、上電極引出部１５ａを基板１１に対して圧縮応力となるように構成することもできる。このような構成は、例えば、基板１１をＳＵＳ３０４、Ｎｉ、ＭｇＯまたはＺｒＯ_２で構成し、上電極１５をＰｔで構成することで実現可能である。

このように、上電極引出部１５ａが初期状態で空隙部Ｓ内に撓んでいれば、圧力室２１の上部の圧電体１４ａの伸長時には、上電極引出部１５ａは圧縮応力によって一層撓み、逆に、圧電体１４ａの圧縮時には、引張応力によって上電極引出部１５ａの撓み量は軽減される。いずれにしても、圧電体１４ａの伸縮による応力が、上電極引出部１５ａによって緩和されるので、圧電体１４ａの伸縮による上電極引出部１５ａの破断をさらに確実に防止することができる。特に、圧電体１４ａの圧縮により、配線（上電極引出部１５ａ）に掛かる引張応力を緩和することで、配線の破断を防止することができる。

また、図１２は、圧電アクチュエータ１のさらに他の構成４を示すものであって、上電極引出部１５ａのさらに他の形状を示す平面図である。同図に示すように、圧電体１４が、環状の空隙部Ｓによって、圧力室２１の上方に位置する圧電体１４ａ（第１の圧電体）と、圧力室２１の側壁２１ａの上方に、圧電体１４ａを囲むように形成される圧電体１４ｂ（第２の圧電体）とに分断されている場合、上電極引出部１５ａは、圧力室２１の上方の上電極１５を、圧力室２１の中心Ｏに対して点対称となる各位置Ｐ１・Ｐ２から空隙部Ｓをまたいで互いに反対方向に引き出すことによって形成されていてもよい。

この構成では、圧電体１４ａの伸縮による振動板２１の振動方向を、基板１１の面に対して垂直な方向に近づけることができ、アクチュエータとしての特性が向上する。このため、特に超音波プローブの送受信素子において、圧電アクチュエータ１の上記構成が非常に有効となる。

つまり、超音波プローブの送受信素子においては、アレイ状に配列された各振動子（振動板１２に相当）から、ある放射角を持った球面波状の超音波が放射される。また、各振動子の位相を制御することで、各振動子から放射された球面波状の超音波を、収束（フォーカス）、スキャンすることができる（ビームフォーミングともいう）。

振動子が非対称性を持つと、超音波の放射方向が中心軸からずれ、均一な球面波が得られなくなる。その結果、ビームフォーミングに以下のような支障が生じ、画質の低下が生じる。
（１）狙いのフォーカス精度が得られない。
（２）狙いの走査角度が得られない。
（３）意図しないサイドローブやグレーティングローブの発生により、アーチファクトが発生する（本来存在しない像が画面上に出現する）。

しかし、上電極引出部１５ａを上記のように引き出すことにより、振動板１２の振動方向を垂直方向に近づけることができるので、超音波プローブの送受信素子における上記の不都合を回避して、高い送受信性能を得ることができる。

また、図１３は、圧電アクチュエータ１のさらに他の構成５を示すものであって、上電極引出部１５ａのさらに他の形状を示す平面図である。なお、同図では、圧力室２１の上方の上電極１５を、圧電体１４ａと同じ大きさ（直径）で形成した場合を示している。圧力室２１の上方の上電極１５において、互いに反対側の端部をそれぞれ第１の端部１５Ａ、第２の端部１５Ｂとする。このとき、上電極引出部１５ａは、上電極１５の第１の端部１５Ａから、圧力室２１の上方の圧電体１４ａの外側を通って第２の端部１５Ｂ側に引き回された後、さらに第１の端部１５Ａとは反対方向に進行して、圧力室２１の側壁２１ａの上方の圧電体１４ｂ上に引き出されていてもよい。

この構成では、上電極引出部１５ａは、圧力室２１の上方の圧電体１４ａの周囲を通って引き出されるので、上電極引出部１５ａを圧力室２１の上方の上電極１５から直線的に引き出す構成に比べて、圧電体１４が存在しない領域上での上電極引出部１５ａの長さをかせぐことができる。これにより、実質的に、圧電体１４ａ・１４ｂの距離（空隙部Ｓ上の上電極引出部１５ａの長さ）を長くしたのと同じ効果を得ることができる。

つまり、圧力室２１の上方の圧電体１４ａと、圧力室２１の側壁２１ａの上方の圧電体１４ｂとの距離を、上電極引出部１５ａを直線的に引き出す構成に比べて短くしても、直線的に引き出す構成と同程度の応力の緩和を実現することができる。したがって、アクチュエータを小型化しながら、上電極引出部１５ａの応力を緩和してその破断を防止することができる。

なお、図１３では、上電極引出部１５ａを、上電極１５の第１の端部１５Ａから、上電極１５の周囲を互い反対方向に回るように２本引き出しているが、上電極引出部１５ａの本数は１本であってもよい。ただし、上電極引出部１５ａの引き出しをバランスよく行うことができ、圧力室２１の上方の圧電体１４ａをバランスよく伸縮させることができる点では、上電極引出部１５ａを上記のように２本引き出すほうが望ましい。

（その他）
本実施形態のように、上電極引出部１５ａが空隙部Ｓをまたいで形成される場合、上電極引出部１５ａは空隙部Ｓを介して下電極１３と対向しているため、圧電体１４の駆動周波数（電極への印加電圧の周波数）によっては、上電極引出部１５ａが共振して下電極１３と接触してしまうおそれがある。そこで、上電極引出部１５ａの固有振動数を変えることにより、圧電体１４の駆動時における上電極引出部１５ａと下電極１３との接触を回避することが望ましい。なお、上電極引出部１５ａの固有振動数は、例えば上電極引出部１５ａの長さを調節することによって容易に変えることができる。

上電極１５の下地層であるＣｒ層は、圧電体１４のエッチング液によって腐食されやすいが、上記のＣｒ層の代わりにＷ（タングステン）層を形成することにより、エッチング液による腐食を軽減することができる。

本発明の圧電アクチュエータは、例えばインクジェットヘッドや超音波プローブの送受信素子に利用可能である。

１ 圧電アクチュエータ
１１ 基板
１１’ 基板
１２ 振動板
１３ 下電極
１４ 圧電体
１４ａ 圧電体（第１の圧電体）
１４ｂ 圧電体（第２の圧電体）
１５ 上電極
１５Ａ 第１の端部
１５Ｂ 第２の端部
１５ａ 上電極引出部
２１ 圧力室
２１ａ 側壁
４２ ノズルプレート
Ｓ 空隙部
ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４、 サイドエッチング量

Claims (8)

1. 基板に形成された圧力室に配設された振動板を前記圧力室に向けて変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上に位置するようにした状態において、
   前記振動板上には、下電極、圧電体および上電極が順に積層され、
   前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上の一部には、前記圧力室上方の前記上電極から引き出された上電極引出部が形成され、
   前記圧電体は、前記上電極引出部の下方において、前記基板における前記圧力室の側壁と前記圧力室との境界面上方の空隙部によって分断されており、
   前記空隙部上の前記上電極引出部は、前記上電極の積層面に平行な面内で屈曲して形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 基板に形成された圧力室に配設された振動板を前記圧力室に向けて変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上に位置するようにした状態において、
   前記振動板上には、下電極、圧電体および上電極が順に積層され、
   前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上の一部には、前記圧力室上方の前記上電極から引き出された上電極引出部が形成され、
   前記圧電体は、前記上電極引出部の下方において、前記基板における前記圧力室の側壁と前記圧力室との境界面上方の空隙部によって分断されており、
   前記空隙部上の前記上電極引出部は、前記圧電体の変位前の初期状態で前記空隙部内に撓むように形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 前記空隙部上の前記上電極引出部は、前記圧電体の変位前の初期状態で前記空隙部内に撓むように形成され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。
4. 前記空隙部上の前記上電極引出部の幅は、前記圧電体をパターニングする際のサイドエッチング量の２倍以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記圧電体は、前記空隙部によって、前記圧力室の上方に位置する第１の圧電体と、前記圧力室の側壁の上方に、前記第１の圧電体を囲むように形成される第２の圧電体とに分断されており、
   前記上電極引出部は、前記圧力室の上方の前記上電極を、前記圧力室の中心に対して点対称となる各位置から前記空隙部をまたいで互いに反対方向に引き出すことによって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 基板に形成された圧力室に配設された振動板を前記圧力室に向けて変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上に位置するようにした状態において、
   前記振動板上には、下電極、圧電体および上電極が順に積層され、
   前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上の一部には、前記圧力室上方の前記上電極から引き出された上電極引出部が形成され、
   前記圧電体は、前記上電極引出部の下方において、前記基板における前記圧力室の側壁と前記圧力室との境界面上方の空隙部によって分断されており、
   前記圧力室の上方の前記上電極において、互いに反対側の端部をそれぞれ第１の端部、第２の端部としたとき、
   前記上電極引出部は、前記圧力室の上方の前記上電極の第１の端部から、前記圧力室の上方の前記圧電体の外側を通って第２の端部側に引き回された後、さらに前記第１の端部とは反対方向に進行して、前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上に引き出されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
7. 前記圧力室の上方の前記上電極において、互いに反対側の端部をそれぞれ第１の端部、第２の端部としたとき、
   前記上電極引出部は、前記圧力室の上方の前記上電極の第１の端部から、前記圧力室の上方の前記圧電体の外側を通って第２の端部側に引き回された後、さらに前記第１の端部とは反対方向に進行して、前記圧力室の側壁上方の前記圧電体上に引き出されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの圧力室に充填されたインクの吐出口を有するノズルプレートとを備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。

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