JPH09331087A - 圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型化しても十分な屈曲変位を得ることができ
る、耐久性と信頼性の高い圧電素子を提供する。 【解決手段】ジルコニアからなる基板21上に下部電極22
が形成され、その電極を覆って、下部電極22より大きい
面積で、ＰＺＴからなる圧電体23が形成され、圧電体23
の外周部の、圧電体23と基板21とが直接接触している部
分に反応層25が形成されている。この反応層25が基板21
と圧電体23の接合強度を高めている。このような反応層
を、下部電極に設けた微小な貫通孔部に形成することも
有効である。また、接合強度が最も弱い、基板と下部電
極との間に反応層を形成させて接合強度を高めることも
有効である。この場合、反応層を形成するための薄膜を
使う方法や基板内に反応物質を混入する方法が有効であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、インクジェット
プリンタヘッドや超音波モータなどに応用される、電極
を形成した基板上に圧電体を形成した屈曲式の圧電アク
チュエータである圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス機器に用いられる圧電
アクチュエータは、微小な圧電素子で大きな変位を得る
ことを要求される。そのため、機構が単純な屈曲式の圧
電素子がマイクロデバイス分野で多数利用されている。
例えば、インクジェットプリンタヘッドでは、下部電極
を形成した弾性変形可能な振動板と呼ばれる基板に、圧
電体を接合して圧電素子を構成している。この圧電素子
により、インクを充填しているインク加圧室の一部でも
ある振動板を屈曲させ、インクを加圧し、ノズルよりイ
ンクを吐出させている。そのため、実際に電圧がかけら
れて変形する圧電体と基板との接合は、非常に強固であ
る必要があり、また、小型で多数のノズルを形成するた
めに、微小な圧電素子を高密度に配置できるマイクロ化
が必要である。

【０００３】従来技術における圧電素子の構造を図12及
び図13に示す。図12はその平面図であり、図13は断面図
である。両面に圧電体の下部電極62' 及び上部電極64'
を備えている圧電体63が、下部電極62を備えている基板
61に接着剤層68を介して接合されている。この場合に
は、接着剤層68の接着剤量を制御して接合を強固にする
方法がとられる。

【０００４】しかし、圧電素子をマイクロ化し、薄膜化
して、しかもより大きな屈曲を得るためには、変位の妨
げとなる接着剤層68を無くする必要があり、特開平5-28
6132号公報や特開平6-206317号公報に示されているよう
に、電極が形成されている振動板上に、直接、圧電体を
形成する方法が考案されてきている。このような例を示
したのが図14及び図15であり、図14はその平面図、図15
は断面図である。振動板としての基板11上に下部電極12
が形成され、その下部電極上に直接、圧電体13が形成さ
れ、圧電体13の上面に上部電極が形成されている。

【０００５】また、特開平8-1933号公報に示されている
ように、振動板上に個別駆動電極と共通電極を設け、広
い面積をもつ共通電極上に複数の圧電素子に相当する広
い面積をもつ圧電体を接合することにより、圧電体を振
動板に確実に接合する方法が考案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の項で説明
したように、接着剤により接合する構造は、その接着剤
層に起因して、圧電体の変形が振動板へ直接伝わらず、
伝達効率が低く、そのため、素子をマイクロ化する場合
には、屈曲変位が極端に小さくなってしまうという欠点
をもっている。

【０００７】一方、接着剤層を使わないで、圧電体を振
動板上に直接形成する構造は、伝達効率は良いが、下部
電極と基板との接合力が十分でないために剥離を生ずる
ことがあり、信頼性や耐久性に欠けるという欠点をもっ
ている。下部電極上へ圧電体を直接に形成する方法にお
いて接合力を高める手段として、接合部を広い面積にす
る構造をとるとすれば、更に小型化して大きな変位を得
ることが困難となるので、小型化して大きな変位を得、
しかも、信頼性と耐久性を確保するためには、より大き
な接合力が必要となる。

【０００８】この発明の解決しようとする課題は、従来
の技術がもつ上記の欠点を解決して、小型で大きな屈曲
変位が得られ、信頼性と耐久性が高い、圧電体が振動板
（以下では、基板という）上に直接形成されている構造
の圧電素子を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明においては、基板と圧電体とをその一部
で接触させ、その間に反応層を形成させている。あるい
は、基板と下部電極との間に反応層を形成する薄膜を介
在させ、反応層を形成させている。接触している部材の
成分を相互拡散させ、その間に反応層を形成されること
によって強固な接合を実現することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明は、基本的には、２つの
実施の形態をもっている。その１は、基板と圧電体とが
その一部で接触し、その間に反応層を備えている構造で
あり、その２は、基板と下部電極との間に反応層が備え
られている構造である。その２の場合には、反応層形成
前に、反応層を形成させるための薄膜を両者間に介在さ
せ、熱処理することにより反応層を形成する。

【００１１】以下に、実施例について説明する。なお、
この発明による圧電素子は、１枚の基板の上に多数の圧
電体が形成された構造のものが一般的であるが、簡単の
ために圧電体が１つの場合として図示し、説明する。 （第１の実施例）図１及び図２は、この発明による圧電
素子の第１の実施例の構造を示す断面図及び平面図であ
る。

【００１２】基板21上に下部電極22が形成され、その下
部電極22を覆い込む状態で圧電体23が形成され、圧電体
23の表面に上部電極24が形成されている。基板21と圧電
体23とが接触している部分には反応層25が介在してい
る。この反応層25が基板21と圧電体23を強固に接合して
いる。以下に、この圧電素子の製造工程を説明する。

【００１３】弾性変形可能な厚さ10μm のジルコニアの
薄板からなる基板21上の所定の位置に、スクリーン印刷
により、幅 300μm 、長さ５mm、厚さ約10μm で所定の
ピッチに白金ペーストを印刷する。この白金ペーストの
印刷部より１周り大きい面積で、白金ペーストの印刷部
を覆い込むように、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ではＰ
ＺＴと略称する）ペーストを、スクリーン印刷により印
刷する。ＰＺＴペーストの印刷は、幅 400μm 、長さ３
mm、厚さ約20μm である。続いて、1200℃で４時間の熱
処理を施し、白金ペースト及びＰＺＴペーストを焼結し
て、下部電極22及び圧電体23が積層状態で形成される。
この熱処理において、基板21と圧電体23が直接接触して
いる部分では、その間に反応層25が形成される。界面部
の組成分析の結果によれば、基板21内にはＰＺＴの成分
である鉛、ジルコニウム及びチタンなどが拡散してお
り、その深さは１〜２μm であり、接触部全体で拡散反
応層が形成されている。この拡散反応層の組成は、ジル
コニアが多い方に組成ずれを起こしたＰＺＴの組成とな
っている。次に、圧電体23の上部の所定位置にマスクを
用いて金をスパッタして上部電極24を形成する。

【００１４】このようにして作製した圧電素子にリード
線を付け、上部電極24と下部電極22との間に電圧を印加
し、この微小な圧電素子の屈曲変位を計測した結果、所
定の変位を示し、しかも、20億回のパルス電圧印加の耐
久試験においても、特性の劣化や積層部の剥離を生じる
ことはなかった。 （第２の実施例）図３及び図４は、この発明による圧電
素子の第２の実施例の構造を示す平面図及び断面図であ
り、図５は貫通孔の近傍の拡大断面図、図６は下部電極
の拡大平面図である。

【００１５】基板31上に下部電極32が形成され、その下
部電極32上に圧電体33が形成され、圧電体33の表面に上
部電極34が形成されている。下部電極32には微小な貫通
孔36が形成されていて、この貫通孔36の部分で、基板31
と圧電体33とが接触し、反応層35が形成されている。こ
の反応層35が基板31と圧電体33を強固に接合している。

【００１６】以下に、この圧電素子の製造工程を説明す
る。この場合も、第１の実施例と同じジルコニア薄板か
らなる基板31上の所定の位置に、マスクを用いて、幅 4
00μm 、長さ５mm、厚さ 0.5μm で所定のピッチに白金
膜をスパッタし、下部電極32のための白金スパッタ膜を
形成する。この白金スパッタ膜上にＰＺＴペーストを、
スクリーン印刷により、幅 300μm 、長さ３mm、厚さ約
20μm に印刷する。続いて、1200℃で４時間の熱処理を
施し、ＰＺＴペーストを焼結して、基板31上に下部電極
32及び圧電体33が積層状態で形成される。この時、白金
スパッタ膜においても粒子成長が進み、この膜は厚さ
0.5〜１μm で、直径10μm 程度の粒子状となり、図６
に示すような、大きさ１〜10μm程度の貫通孔36がラン
ダムに分散している状態となる。

【００１７】この貫通孔36の部分において、第１の実施
例の場合と同様に、基板31内にはＰＺＴの成分である
鉛、ジルコニウム及びチタンなどが拡散して、拡散反応
層（図５では、単に反応層）35が形成されている。次
に、圧電体33の上部の所定位置にマスクを用いて金をス
パッタして上部電極34を形成する。このようにして作製
した微小な圧電素子も、所定の屈曲変位を示し、20億回
のパルス電圧印加の耐久試験において、特性の劣化や積
層部の剥離を生ずることはなかった。

【００１８】このような貫通孔の形成について、白金ス
パッタ膜と白金ペーストの場合について、熱処理温度及
び膜厚をパラメータにして検討した結果を表１に示す。
なお、熱処理時間は全て４時間であり、熱処理雰囲気は
ＰＺＴの熱処理雰囲気と同じである。貫通孔の評価には
実体顕微鏡を用い、ジルコニア基板上で熱処理した後の
光の透過率により評価した。

【００１９】

【表１】 この結果より、厚さが５μm を越えると貫通孔が形成さ
れなくなり、0.1 μm以下では貫通孔の占める面積が50
％を越え、電極としての機能を十分に果たせなくなる。
また、熱処理温度としては、1250℃が、同時に焼結させ
るＰＺＴの焼結温度の最高温度であり、1000℃より低い
と、粒子の成長が遅く、貫通孔の形成が僅かとなり、必
要な接合強度を得ることができなくなる。したがって、
下部電極の厚さは0.1 から５μm が望ましく、熱処理温
度としては、1000から1250℃が望ましい。

【００２０】（第３の実施例）図７及び図８は、この発
明による圧電素子の第３の実施例の構造を示す平面図及
び断面図であり、図９は第３の実施例の製造方法を示す
製造工程図である。この実施例は、第１及び第２の実施
例と異なり、下部電極と基板を、その間に介在させた薄
膜により形成させた反応層で、強固に接合している。

【００２１】これまでと同じのジルコニアからなる基板
41上の所定位置に、下部電極42より広い面積で、厚さ１
μm の酸化鉛からなる反応層用薄膜をスパッタで形成し
（工程 a）、この薄膜の上の所定位置に、白金ペースト
を、幅 400μm 、長さ５mm、厚さ約10μm で所定ピッチ
にスクリーン印刷し、この白金ペースト上に、ＰＺＴペ
ーストを、幅 300μm 、長さ３mm、厚さ約20μm にスク
リーン印刷する（工程b）。続いて、1200℃で４時間の
熱処理を施し、白金ペースト及びＰＺＴペーストを焼結
して、基板41上に下部電極42及び圧電体43が積層状態で
形成される（工程 c）。この時、反応層用薄膜が下部電
極42及び基板41と反応層47を形成して基板41と下部電極
42を強固に接合する。

【００２２】組成分析によると、反応層用薄膜と下部電
極42との反応としては、反応層用薄膜の鉛が下部電極42
内に約 0.1μm の深さまで拡散していることが観察さ
れ、反応層用薄膜と基板41との反応としては、鉛とジル
コニウムの相互拡散層が約１μm の厚さで形成されてい
ることが観察された。このようにして形成した基板41上
の圧電体43の表面に、マスクを用いて金をスパッタして
上部電極44を形成し（工程 d）、圧電素子を完成する。

【００２３】このようにして作製した圧電素子は、前２
者の実施例の場合と同様に、所定の屈曲変位を示し、20
億回のパルス電圧印加の耐久試験において、特性の劣化
や積層部の剥離を生ずることはなかった。この実施例で
は、反応層用薄膜の材料として酸化鉛を用いたが、鉛、
錫、銀、ビスマス、アンチモンなどの金属やこれらの合
金、あるいはそれらの化合物を用いることもできる。

【００２４】（第４の実施例）図10及び図11は、この発
明による圧電素子の第４の実施例の構造を示す平面図及
び断面図である。この実施例は、下部電極と反応層を形
成する材料を混入した基板を用いて、下部電極と基板を
強固に接合している。

【００２５】鉛が10％混入されて部分的にジルコン酸鉛
が形成されている、弾性変形可能な厚さ10μm のジルコ
ニア薄板からなる基板51上の所定の位置に、白金ペース
トを、幅 400μm 、長さ５mm、厚さ約10μm で所定ピッ
チにスクリーン印刷し、この白金ペースト上に、ＰＺＴ
ペーストを、幅 300μm 、長さ３mm、厚さ約20μm にス
クリーン印刷する。続いて、1200℃で４時間の熱処理を
して、白金ペースト及びＰＺＴペーストを焼結して、基
板51上に下部電極52及び圧電体53が積層状態で形成され
る。この時、基板51中の、下部電極と反応層を形成する
成分が下部電極52と反応層57を形成して基板51と下部電
極52を強固に接合する。

【００２６】組成分析によると、基板内の鉛と下部電極
52との反応としては、鉛が下部電極52内に約 0.1μm の
深さまで拡散していることが観察された。このようにし
て作製した圧電素子は、前３者の実施例の場合と同様
に、所定の屈曲変位を示し、20億回のパルス電圧印加の
耐久試験において、特性の劣化や積層部の剥離を生ずる
ことはなかった。

【００２７】この実施例では、基板に混入する材料とし
て鉛を用いたが、鉛、錫、銀、ビスマス、アンチモンな
どの金属やこれらの合金、あるいはそれらの化合物を用
いることもできる。以上の実施例では、基板として、ジ
ルコニアを用いたが、安定化ジルコニアやジルコニウム
化合物からなる基板においても同様の効果が得られる。
また、下部電極としては白金以外に、1000から1250℃で
酸化しない電極材料が使用可能であり、白金系合金、
銀、銀系合金でも同様の効果が得られる。圧電体として
はＰＺＴの他に、鉛系ペロブスカイト型の圧電体であれ
ば同様の効果を得ることができる。

【００２８】また、スクリーン印刷後の熱処理として
は、1200℃で４時間の場合のみを示したが、原料を微粒
子とすることや組成を変えることにより、1000℃まで下
げることができる。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば、基板と圧電体とをそ
の一部で接触させ、その間に反応層を形成されて基板と
圧電体の接合強度を高めることができ、あるいは、基板
と下部電極との間に反応層を形成させて、接合強度の最
も弱い基板と下部電極との間の接合強度を高めることが
できるので、圧電素子をマイクロ化しても十分な屈曲変
位が得られ、しかも耐久性と信頼性が高い圧電素子を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧電素子の第１の実施例の構造
を示す断面図

【図２】この発明による圧電素子の第１の実施例の構造
を示す平面図

【図３】この発明による圧電素子の第２の実施例の構造
を示す平面図

【図４】この発明による圧電素子の第２の実施例の構造
を示す断面図

【図５】第２の実施例の貫通孔の近傍を示す拡大断面図

【図６】第２の実施例における下部電極の拡大平面図

【図７】この発明による圧電素子の第３の実施例の構造
を示す平面図

【図８】この発明による圧電素子の第３の実施例の構造
を示す断面図

【図９】第３の実施例の製造方法を示す製造工程図

【図１０】この発明による圧電素子の第４の実施例の構
造を示す平面図

【図１１】この発明による圧電素子の第４の実施例の構
造を示す断面図

【図１２】従来技術による圧電素子の構造を示す平面図

【図１３】従来技術による圧電素子の構造を示す断面図

【図１４】従来技術による別の圧電素子の構造を示す平
面図

【図１５】従来技術による別の圧電素子の構造を示す断
面図

【符号の説明】

11, 21, 31, 41, 51, 61 基板 12, 22, 32, 42, 52, 62 下部電極 13, 23, 33, 43, 53, 63 圧電体 14, 24, 34, 44, 54, 64 上部電極 25, 35 反応層 36 貫通孔 47, 57 反応層 68 接着剤層 62' 圧電体の下部電極 64' 圧電体の上部電極

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と下部電極と圧電体と上部電極とが積
   層一体化されている圧電素子において、基板と圧電体が
   その一部で接触し、その間に反応層が備えられているこ
   とを特徴とする圧電素子。
2. 【請求項２】圧電体の面積が下部電極の面積より大き
   く、下部電極の外周部に、基板と圧電体の間の反応層が
   備えられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電
   素子。
3. 【請求項３】下部電極に多数の貫通孔が設けられ、この
   貫通孔部に、基板と圧電体の間の反応層が備えられてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 【請求項４】基板がジルコニアまたはジルコニウム化合
   物であり、下部電極が白金、白金系合金、銀あるいは銀
   系合金のいずれかであり、圧電体がチタン酸ジルコン酸
   鉛（ＰＺＴ）などの鉛系ペロブスカイト化合物であるこ
   とを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載
   の圧電素子。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４に記載の圧電素子
   の製造方法であって、白金、白金系合金、銀あるいは銀
   系合金のいずれかからなる、厚さ0.1 から５μm の下部
   電極用薄膜を基板上に形成し、その薄膜上に圧電体材料
   を形成した後、これを1,000 から1,250 ℃で熱処理する
   ことにより下部電極に貫通孔を形成させることを特徴と
   する圧電素子の製造方法。
6. 【請求項６】基板と下部電極と圧電体と上部電極とが積
   層一体化されている圧電素子において、基板と下部電極
   との間に反応層が備えられていることを特徴とする圧電
   素子。
7. 【請求項７】基板がジルコニアまたはジルコニウム化合
   物であり、下部電極が白金、白金系合金、銀あるいは銀
   系合金のいずれかであり、圧電体がチタン酸ジルコン酸
   鉛（ＰＺＴ）などの鉛系ペロブスカイト化合物であるこ
   とを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
8. 【請求項８】反応層が鉛、銀、錫、ビスマス、アンチモ
   ン若しくはこれらの合金、あるいはそれらのいずれかの
   化合物を含んでいることを特徴とする請求項６または請
   求項７に記載の圧電素子。
9. 【請求項９】請求項６から請求項８のいずれかに記載の
   圧電素子の製造方法であって、基板上に反応層を形成さ
   せるための薄膜を形成し、この薄膜上に下部電極材料及
   び圧電体材料を積層し、高温で熱処理して前記薄膜と基
   板及び下部電極材料を反応させて反応層を形成し、基板
   と下部電極を接合することを特徴とする圧電素子の製造
   方法。
10. 【請求項１０】反応層を形成させるための薄膜が、鉛、
    銀、錫、ビスマス、アンチモン若しくはこれらの合金、
    あるいはそれらのいずれかの化合物であることを特徴と
    する請求項９に記載の圧電素子の製造方法。
11. 【請求項１１】基板が、下部電極と反応する材料を混入
    されている基板であることを特徴とする請求項６に記載
    の圧電素子。
12. 【請求項１２】基板に混入されている、下部電極と反応
    する材料が、鉛、銀、錫、ビスマス、アンチモン若しく
    はこれらの合金の酸化物であることを特徴とする請求項
    １１に記載の圧電素子。