JPH1187791A - 圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体素子製造時においてクラック発生を防
止しうる圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよ
びそれらの製造方法を提供する。 【解決手段】 上部電極４０４および下部電極３０２の
間に圧電性材料で形成された圧電体層４０１,４０２を
挟んで構成される圧電体素子において、圧電体層４０
１,４０２は、その厚み方向のいずれか位置に、所定の
厚みを有し、一方の圧電体層における応力が他方の圧電
体層に伝達されることを防止可能な弾性を有し、かつ、
当該応力緩和層の一方の圧電体層と他方の圧電体層とが
接しているのと同様な状態を与える低抵抗率を有する導
電性材料で組成された応力緩和層４０３を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録ヘッドに用いる圧電体素子に係り、特に、圧電体層
の中間に、圧電体層中に発生する応力を緩和する層を形
成することにより、圧電体素子の応力破壊を防止する技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電体素子は、圧電性材料により
構成される圧電体層を、金属電極薄膜で挟持した構造を
備えていた。ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電
体セラミックスを圧電性材料として用いると、ペロブス
カイト結晶構造に異方性が生じるため、圧電体素子に圧
力を加えると両金属電極薄膜間に電界が発生し、両金属
電極薄膜間に電界を印加すると、圧電体層に体積変化を
生ずる。すなわち、両電極薄膜間に電界を印加すると、
個々の結晶構造それぞれが変形しそれが加算されて大き
な体積変化が発生する。このような性質を利用した圧電
体素子の先行技術としては、例えば、特開平３−６９５
１２号公報にその具体例が開示されている。

【０００３】インクジェット式記録ヘッドは、この圧電
体素子の体積変化を利用して圧力室に設けられた振動板
を変形させ、圧力室のインクに圧力を加えてインクを吐
出させるものである。近年のプリンタヘッドには高精細
度印字がますます求められるようになり、それに連れて
個々の圧力室の容積がより小さくなってきている。小さ
な容積の圧力室で適量のインクを吐出させるためには、
圧電体素子に、より大きな体積変化を生じさせる必要が
ある。この体積変化は個々の結晶構造における微少なひ
ずみの集積として現れるため、圧電体層の厚みを厚くす
ればする程、より大きな体積変化が得られると考えられ
る。

【０００４】また、圧電体層内に高電場が生じることに
よる、圧電特性の低下を防止するため、圧電体層の厚み
を厚くする必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電体
素子の形成時には大きな応力が発生し、これがクラック
を発生させるという問題があった。

【０００６】すなわち、圧電体素子の圧電体層を成形す
る際、アモルファス状態であった分子構造が緻密な結晶
構造となる。このとき応力、主として張力が発生する。
また、圧電体層を熱処理する際にも、熱応力が生ずる。
さらに圧電体層の基礎となる下部電極とＳｉ基板にも複
雑な熱応力が生じる。圧電体層内部には、これら応力が
作用しあって、複雑な内部応力が生ずる。内部応力は圧
電体素子の厚みが厚くなるに連れて大きくなるため、従
来の圧電体素子の構造では、あまり圧電体素子の厚みを
厚くすると、内部応力により、内部破壊、すなわちクラ
ックを生じていた。クラック発生を避けるために、ある
程度以上厚みの厚い圧電体素子を製造することができ
ず、インクジェット式記録ヘッドの高精細度化に技術的
な制約が生じていた。

【０００７】そこで、上記問題に鑑み、本発明の第１の
課題は、圧電体層に生ずる応力を緩和して、厚みを厚く
してもクラック等の応力破壊を生ずることのない圧電体
素子を提供することにより、より大きな体積変化を生ず
る圧電体素子を提供することである。

【０００８】本発明の第２の課題は、圧電体層に応力破
壊を生じない構造における諸条件を提供することによ
り、圧電特性の低下を防止し、より大きな体積変化を生
ずる圧電体素子を提供することである。

【０００９】本発明の第３の課題は、厚みを厚くしても
応力破壊を生ずることのない圧電体素子を用いることに
より、高精細度印字が可能なインクジェット式記録ヘッ
ドを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の課題を解決する発
明は、上部電極および下部電極の間に圧電性材料で形成
された圧電体層を挟んで構成される圧電体素子におい
て、圧電体層は、その厚み方向のいずれか位置に、所定
の厚みを有し、一方の圧電体層における応力が他方の圧
電体層に伝達されることを防止可能な弾性を有する導電
性材料で組成された応力緩和層を備える。

【００１１】この応力緩和層は、例えば一定値以上のヤ
ング率を備える金属等である。圧電特性から見れば、一
方の圧電体層から伝達されてきた応力を吸収し、他方の
圧電体層に伝達することがない。つまり、圧電体層内部
に生ずる応力が応力緩和層で分離されるので、一部に応
力集中が生ずることなく、圧電体素子にクラック等の破
壊が生ずることがない。しかも応力緩和層は導電性を備
えるので、圧電体素子全体としての電気的特性（圧電特
性）は、応力緩和層前後の圧電体層の厚みを合計した圧
電体層により奏する特性と同等となり、全体として大き
な体積変化を生じうる。

【００１２】第２の課題を解決する発明によれば、応力
緩和層を構成する材料のヤング率は、１×１０^１１Ｎ／
ｍ^２以上である。

【００１３】第２の課題を解決する発明によれば、応力
緩和層を構成する材料の抵抗率は、５×１０^−７Ω・ｍ
以下である。

【００１４】第２の課題を解決する発明は、応力緩和層
を、圧電体層の厚みの中間位置付近に備える。

【００１５】すなわち、両圧電体層が同一の組成を備え
るなら、クラックが発生する厚みの限界も同一であるた
め、その限界限度の厚みに双方の圧電体層を設定するこ
とにより、もっとも圧電特性のよい圧電体素子を提供す
るためである。

【００１６】第２の課題を解決する発明は、応力緩和層
を、前記圧電体層の厚みを均等分した各位置付に複数備
える。

【００１７】第２の課題を解決する発明によれば、応力
緩和層は、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ多層膜，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉ
ｒ、Ｆｅ、ＭｏまたはＣｏのうちいずれかの金属を含ん
で構成される。

【００１８】第２の課題を解決する発明によれば、導電
性層は、２００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下の厚みであ
る。

【００１９】第３の課題を解決する発明は、本発明の圧
電体素子を、インクを充填するための圧力室の少なくと
も一方の面を形成する振動板上に配置して構成された圧
力室基板を備えたインクジェット式記録ヘッドである。

【００２０】第１の課題を解決する発明は、（ａ）導電
性材料よりなる下部電極を形成する下部電極形成工程
と、（ｂ）下部電極の上に圧電性材料よりなる第１の圧
電体層を形成する第１圧電体層形成工程と、（ｃ）前記
第１の圧電体層の上に所定の厚みを有する導電性材料よ
りなる応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、
（ｄ） 前記応力緩和層の上に圧電性材料よりなる第２
の圧電体層を形成する第２圧電体層形成工程と、（ｅ）
前記第２の圧電体層の上に導電性材料よりなる上部電
極を形成する上部電極形成工程と、を備える圧電体素子
の製造方法である。

【００２１】第２の課題を解決する発明は、第２圧電体
層形成工程において、前記第２の圧電体層形成後に、前
記応力緩和層の組成材料の融点より低い温度で、この第
２の圧電体層に熱処理を施す圧電体素子の製造方法であ
る。

【００２２】第３の課題を解決する発明は、（ａ）シリ
コン基板に振動板膜を形成する振動板膜形成工程と、
（ｂ）前記圧電体素子を当該振動板膜上に形成後、圧電
体素子を所定の形状に成形する成形工程と、（ｃ）所定
の形状に成形された圧電体素子に対応する領域のシリコ
ンをエッチングすることにより、インクを充填するため
の圧力室を前記シリコン基板に形成する圧力室形成工程
と、を備える。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の最良の実施形態
を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明の
圧電体素子をインクジェット式記録ヘッドに適用したも
のである。

【００２４】（インクジェット式記録ヘッドの構成）図
１に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの構造
図を示す。同図に示すように、本形態のインクジェット
式記録ヘッドは、ノズル板１、圧力室基板２、振動板３
および圧電体素子４を備えて構成されている。

【００２５】ノズル板１は、圧力室基板２に複数設けら
れたキャビティ（圧力室）２１の各々に対応する位置に
そのノズル１１が配置されるよう、圧力室基板２に貼り
合わせられて構成されている。

【００２６】圧力室基板２は、キャビティ２１、側壁２
２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。

【００２７】圧力室基板２のキャビティ２１は、シリコ
ン等の基板をエッチングすることにより複数形成される
ものであり、個々のキャビティにはインクが充填可能に
形成される。側壁２２は、エッチングされずに残った部
分であり、キャビティ２１間を仕切るよう構成される。
リザーバ２３は、各キャビティ２１にインクを供給可能
な共通の流路として構成されている。供給口２４は、各
キャビティ２１にインクを導入可能に構成されている。

【００２８】振動板３は、圧力室基板２の一方の面に設
けられている。

【００２９】圧電体素子４は、圧電性薄膜であり、振動
板３上に所定の形状で形成されて構成されている。

【００３０】上述した圧力室基板は、図示しない筐体に
取り付けられ、インクジェット式記録ヘッドを構成す
る。インクジェット式記録ヘッドは、プリンタの印字用
ヘッド駆動機構に、給紙された用紙にインク等を吐出可
能に取り付けられる。

【００３１】（圧電素子の層構造）振動板３および圧電
体素子４の層構造については、図２に示すように、振動
板３が、絶縁膜３０１および下部電極膜３０２を積層し
て構成され、圧電体素子４が、第１圧電体層４０１、応
力緩和層４０３、第２圧電体層４０２、さらに上部電極
膜４０４を積層して構成されている。

【００３２】絶縁膜３０１は、導電性のない材料、例え
ば、シリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素
により構成され、圧電体層の体積変化により変形し、キ
ャビティ２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能
に構成されている。

【００３３】下部電極膜３０２は、上部電極膜４０４と
対になる、圧電体層に電圧を印加するための電極であ
り、導電性を有する複数の材料、例えば、チタン（Ｔ
ｉ）層、白金（Ｐｔ）層、チタン（Ｔｉ）層等を積層し
て構成されている。このように複数の層を積層して下部
電極膜を構成するのは、第１圧電体層の結晶配向を制御
し、下部電極層と絶縁膜との密着性を高めるためであ
る。

【００３４】第１圧電体層４０１および第２圧電体層４
０２は、圧電特性を有する圧電性セラミックスにより構
成されている。例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、
ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺ
Ｔ）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ラン
タン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３）、ジルコン酸鉛ランタ
ン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＬＺＴ）ま
たはマグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ
（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１（ＺｒＴｉ）_０．９Ｏ
_３）等で構成される。

【００３５】なお、各圧電体層の厚みは、あまりに厚く
すると、層全体の厚みが厚くなるため、高い駆動電圧が
必要となり、あまりに薄くすると、厚みを均一に形成で
きずエッチング後に分離された各圧電体素子の特性がば
らついたり、製造工数が多くなり、妥当なコストで製造
できなくなったりする。したがって、第１圧電体層およ
び第２圧電体層の厚みは、２５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程
度が好ましい。

【００３６】上部電極膜４０４は、圧電体素子に電圧を
印加するための電極であり、導電性を有する材料、例え
ば、厚み０．１μｍの白金（Ｐｔ）で構成されている。

【００３７】さて、応力緩和層４０３は、本発明に係る
層であり、第１圧電体層と第２圧電体層に挟まれた位置
に、すなわち圧電体素子の厚み方向のいずれか位置に配
置される。特に、応力緩和層を、圧電体層全体の厚みの
中間位置付近に設け、第１圧電体層４０１と第２圧電体
層４０２との厚みをほぼ均等に構成するのが好ましい。
両圧電体層が同一の組成を備えるなら、クラックが発生
する厚みの限界も同一であるため、その限界限度の厚み
に双方の圧電体層を設定することにより、もっとも圧電
特性のよい圧電体素子を提供するためである。

【００３８】この応力緩和層４０３は、応力緩和層の一
方の圧電体層における応力が他方の圧電体層に伝達され
ることを防止可能な弾性を有し、かつ、応力緩和層の一
方の圧電体層と他方の圧電体層とが接しているのと同様
な状態を与える抵抗率を有する導電性材料で組成され
る。

【００３９】この応力緩和層を組成する材料は、一定
値、例えば１×１０^１１Ｎ／ｍ^２以上のヤング率を備
え、かつ一定値、例えば５×１０^−７Ω・ｍ以下の抵抗
率を備える導電性材料である。導電性材料としては、例
えば、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ多層膜，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｆ
ｅ、ＭｏまたはＣｏのうちいずれかの金属を含むものが
考えられる。

【００４０】この応力緩和層は、一方の圧電体層に発生
した応力を遮断し、他方の圧電体層へ伝わらないように
できる程度の厚み、例えば２００ｎｍ以上の厚みを備え
る必要がある。また、それ自体に体積変化を生じない圧
電体素子の厚みに対する厚さをあまりに大きくして、圧
電体素子として機能しにくくならない程度の厚み、例え
ば４００ｎｍ以下の厚みに設定する必要がある。

【００４１】（作用）圧電体層を乾燥させ脱脂及び結晶
化させる際、アモルファス状態であった分子構造が緻密
な結晶構造となり、このとき張力が発生する。さらに、
圧電体層を熱処理する際にも、熱応力が生ずる。さらに
熱処理の課程において圧電体層の基礎となる下部電極と
Ｓｉ基板にも熱応力が生じる。圧電体層内部には、これ
ら応力が作用しあって、複雑な内部応力が生ずる。この
内部応力は圧電体素子の厚みが厚くなるに連れて大きく
複雑になるため、従来の圧電体素子の構造では、あまり
圧電体素子の厚みを厚くすると、内部応力により、内部
破壊、すなわちクラック（割れ目）の発生となって現れ
る。クラックが発生した圧電体素子は、均一な圧電特性
を呈することができなくなるため、製品にすることがで
きない。従来はこの制約により圧電体層の厚みを厚くす
ることができなかった。

【００４２】本発明では、圧電体の中程に、中間層とし
て応力緩和層を設けた。この圧力緩和層として、一定値
以上のヤング率を有する材料を用いると、一方の圧電体
層から伝達されてきた応力を吸収し、他方の圧電体層に
伝達することがない。つまり、圧電体層内部に生ずる応
力が応力緩和層で分離されるので、一部に応力集中が生
ずることなく、圧電体素子にクラック等の破壊が生ずる
ことがなくなるのである。

【００４３】一方、圧電体層を厚くすると、厚みに応じ
て駆動電圧が高くなるため、駆動回路がかなり複雑にな
るという理由で好ましくない。

【００４４】図６に、圧電体素子に電圧を印加した際
の、上部電極膜からの深さに対する電位の変化を示す。

【００４５】中間層を、高抵抗材料で組成すると、図６
にｂで示すように中間層における単位厚み当たりの電圧
降下が大きくなり、同じ圧電特性を得るためには、単一
の組成で圧電体素子を組成したときより高い駆動電圧が
必要となる。

【００４６】このことから考えると、応力緩和層として
は、応力を分離できる他に、大きな電圧降下をもたらさ
ないこと、すなわち抵抗率が少ない程良い。そこで、中
間層として金属等の導電性材料を用いれば、同図ａのよ
うに、中間層における電圧降下を無くし、圧電体素子全
体の厚みを厚くしても、駆動電圧を低く抑えることがで
きる。つまり、中間層を設けることでも単一の組成で圧
電体素子を構成したときと同じ圧電特性を得るため、印
加する電圧は同一で済む。

【００４７】本実施形態の応力緩和層では、一定値以下
の抵抗率を備える導電性材料である金属を用いる。この
ような金属を用いれば、電気抵抗が少ないので、圧電体
素子全体としての電気的特性（圧電特性）は、応力緩和
層前後の圧電体層の厚みを合計した圧電体層により奏す
る特性と同等となり、駆動電圧を高くすることがない。

【００４８】次に、本発明の圧電体素子を用いたインク
ジェット式記録ヘッドのインク滴吐出の原理を説明す
る。圧電体素子４の下部電極３０２と上部電極４０４と
の間に電圧が印加されていない場合、圧電性薄膜である
第１圧電体層４０１および第２圧電体層４０２には、体
積変化を生じさせない。したがって、電圧が印加されな
い圧電体素子４に対応するキャビティ２１内の圧力に変
化は生じず、ノズル１１からインク滴は吐出されない。

【００４９】一方、圧電体素子４の下部電極３０２と上
部電極４０４との間に、圧電体素子に体積変化を生じさ
せる電圧が印加されている場合、第１圧電体層４０１お
よび第２圧電体層４０２は体積変化を生じる。したがっ
て、電圧が印加されている圧電体素子４が取り付けられ
た振動板３が大きくたわみ、そのキャビティ２１内の体
積を減少させる。このためキャビティ２１内の圧力が瞬
間的に高まり、ノズル１１からインク滴が吐出される。

【００５０】（製造方法の説明）次に、本発明のインク
ジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する。

【００５１】絶縁膜形成工程（図３（ａ））： まず、
シリコン基板１０１に絶縁膜（ＳｉＯ_２）３０１を形成
する。シリコン基板１０１は、例えば２００μｍ程度、
絶縁膜３０１は、１μｍ程度の厚みに形成する。絶縁膜
の製造には、公知の熱酸化法等を用いる。

【００５２】下部電極膜形成工程（同図(ｂ)）： 次い
で絶縁膜３０１の上に下部電極膜３０２を形成する。下
部電極膜３０２は、例えば、チタン層、白金層、チタン
層を０．０２μｍ，０．５μｍ、０．００５μｍの厚み
で積層する。これら層の製造は、公知の直流スパッタ法
等を用いる。

【００５３】第１圧電体層形成工程（同図（ｃ））：
前述した組成の圧電性セラミックスで溶解液を調合す
る。その溶解液を一定の厚みに塗布しセラミックス層を
複数層形成する。例えば、公知のスピンコート法を用い
る場合には、毎分５００回転で３０秒、毎分１５００回
転で３０秒、最後に毎分５００回転で１０秒間塗布す
る。塗布後、一定温度（例えば１８０度）で一定時間
（例えば１０分程度）乾燥させる。乾燥後、さらに有機
溶媒を蒸発させるべく、大気雰囲気下において、所定の
高温（例えば４００度）で一定時間（３０分間）脱脂す
る。この塗布、乾燥および脱脂を８回繰り返して８層の
セラミックス層を積層する。

【００５４】セラミックス層を４層重ねた後と８層重ね
た後には、さらに、セラミックス層の結晶化を促進し、
圧電体としての特性を向上させるために、所定の雰囲気
下で熱処理する。例えば、４層積層後、酸素雰囲気下に
おいて、高速熱処理（ＲＴＡ）にて６００度で５分間、
さらに７２５度で１分間加熱する。８層積層後、酸素雰
囲気下において、ＲＴＡにて６５０度で５分間、さらに
９００度で１分間加熱する。

【００５５】上記処理により、第１圧電体層４０１が所
定の厚み、例えば０．８μｍ程度で形成される。

【００５６】応力緩和層形成工程（同図（ｄ））： 第
１圧電体層４０１上に応力緩和層を形成する。応力緩和
層の材料として、一定値、例えば１×１０^１１Ｎ／ｍ^２
以上のヤング率を備え、かつ一定値、例えば５×１０
^−７Ω・ｍ以下の抵抗率を備える導電性材料を用いる。
例えば、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ多層膜，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｒ、
Ｆｅ、ＭｏまたはＣｏ等の金属を含むものを用いる。応
力緩和層の形成方法としては、スパッタリング法、電子
ビーム蒸着法等を用いる。Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ多層膜，Ｎ
ｉ、Ｃｒ、Ｉｒをスパッタリング法で形成する場合に
は、アルゴンの圧力を，０．５〜１．０Ｐａ、室温、成
膜レート約１ｎｍ／ｓに設定すれば、応力緩和層自体の
残留応力を少なくできる。応力緩和層の厚みは、２００
ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下の厚みに形成するのが好ま
しい。

【００５７】第２圧電体層形成工程（同図(ｅ)）： 応
力緩和層４０３上に、さらに第２圧電体層４０２を積層
する。製造方法は、上記第１圧電体層形成工程と同様で
ある。第１圧電体層および第２圧電体層の成形時、それ
ぞれの圧電体層には、複雑な応力が生ずるが、各層の厚
みを薄くしてあるので、応力が極端に高くなることがな
く、圧電体素子にクラックが入ることを避けることがで
きる。

【００５８】上記処理により、第２圧電体層４０２が
０．８μｍ程度の厚みで形成される。

【００５９】上部電極形成工程（同図(ｆ)）： 第２圧
電体層４０２の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッ
タ法等の技術を用いて、上部電極膜４０４を形成する。
上部電極の材料は、白金（Ｐｔ）等を用いる。厚みは１
００ｎｍ程度にする。

【００６０】成形工程（図４(ａ)）： 各層を形成後、
振動板膜３上の積層構造を、各キャビティ２１の形状に
合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチン
グし、上部電極膜、第１圧電体層、応力緩和層および第
２圧電体層を取り除く。すなわち、スピンナー法、スプ
レー法等の方法を用いて均一な厚さのレジストを塗布
し、露光・現像して、レジストを上部電極膜４０４上に
形成する。これに、通常用いるイオンミリング、あるい
はドライエッチング法等を適用して、不要な層構造部分
を除去する。

【００６１】圧力室形成工程（同図（ｂ））： 圧電体
素子４を形成した圧力室基板の他方の面をエッチングし
てキャビティ２１を形成する。例えば、異方性エッチン
グ、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を
用いた異方性エッチングを用いて、キャビティ空間のエ
ッチングを行う。エッチングされずに残された部分が側
壁２２になる。

【００６２】ノズル板貼り合わせ工程（同図（ｃ））：
エッチング後のシリコン基板１０１にノズル板１を、
樹脂等を用いて貼り合わせる。このとき、各ノズル１１
がキャビティ２１各々の空間に配置されるよう位置合せ
する。ノズル板１の貼り合わせられた圧力室基板を筐体
に取り付け、インクジェット式記録ヘッドが完成する。

【００６３】（実施例）上記実施形態の製造方法に沿っ
て圧電体素子を製造した際の実施例を示す。圧電体層を
構成する材料には、 Ｐｂ（Ｚｒ_０．５６Ｔｉ_０．４４）_０．９（Ｍｇ_１／３
Ｎｂ_２／３）_０．１Ｏ_３の組成を有するものを用いた。

【００６４】図５に、実施例における圧電体層の熱変化
に対する基板全体の反りの関係を示す。同図に示すよう
に、第１圧電体層に対して行う第１回目の昇温および降
温において、圧力室基板は大きく反りが変化する。この
段階では圧電体層の厚みが薄いので、従来の圧電体素子
形成においてもクラックは生じない。次いで第２圧電体
層を形成し、第２回目の昇温と降温を繰り返すと、従来
であれば徐々に応力が蓄積し、第２回目の昇温時に、図
示する位置でクラックが圧電体層に生じていた。しか
し、実施例では応力緩和層を設けて、第１圧電体層の複
雑な応力を緩和するため、クラックの発生はなかった。

【００６５】表１に、圧電体素子の圧電特性を決定する
圧電ｄ定数、圧電ｇ定数および誘電率εについて、応力
緩和層を設けない従来の圧電体素子と本実施例の圧電体
素子との比較例を示す。なお、圧電ｄ定数および圧電ｇ
定数の添え字３１は、圧電体素子の厚み方向についての
定数であることを示す。

【００６６】

【表１】

【００６７】表１から分かるように、応力緩和層を設け
た実施例の圧電体素子では、応力緩和層の影響でその圧
電特性に何の変化も生じていないが、厚みを厚くしたこ
とにより、高電圧を印加する際圧電特性が低下せず、大
きな体積変化がもたらされている。

【００６８】上記したように本実施形態によれば、応力
緩和層が圧電体層内の内部応力を緩和するので、圧電体
素子の厚みを厚くすることができるので、従来より大き
な体積変化をもたらす圧電体素子を提供することができ
る。

【００６９】＜その他の変形例＞本発明は、上記各実施
形態によらず種々に変形して適応することが可能であ
る。例えば、上記実施形態では、応力緩和層を圧電体層
の中間に一層のみ設けたが、複数の層を設けてもよい。
このように構成した場合、応力緩和層は、圧電体層全体
の厚みを均等分した各位置に形成するのが好ましい。圧
電体層各々に発生する応力を均等にして製品の信頼性を
上げるためである。

【００７０】また、上記実施形態では、第１圧電体層と
第２圧電体層の組成を同じにしたが、両圧電体層の組成
を異ならせてもよい。組成を異ならせて設定すると、組
成により圧電特性が変化するため、両圧電体層で発生す
る応力が相違することもある。同じ厚みに圧電体層を形
成した場合に応力が相違することとなる場合には、各層
で発生する応力が互いに等しくなるように、各圧電体層
の厚みを変えて形成する。

【００７１】また、本発明の圧電体素子は、上記インク
ジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発
性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出
器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空
間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のよう
な圧電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装
置、および電気光学装置の製造に適応することができ
る。

【００７２】

【発明の効果】本発明の圧電体素子は、圧電体層に生ず
る応力を緩和する応力緩和層を設けたので、厚みを厚く
しても応力を分離し、圧電体層にクラック等の破壊を生
ずることがない。したがって、圧電体素子を従来のもの
より厚く形成することができ、より大きな体積変化を生
じうる圧電体素子およびインクジェット式記録ヘッドを
提供することが可能である。

【００７３】本発明によれば、圧電体層に応力破壊を生
じない構造における諸条件を提供したので、より大きな
体積変化を生ずる圧電体素子およびインクジェット式記
録ヘッドを提供することができる。

【００７４】本発明のインクジェット式記録ヘッドは、
厚みを厚くしても応力破壊を生ずることのない本発明の
圧電体素子を用いたので、高精細度印字が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの斜視図
一部断面図である。

【図２】本発明の圧電体素子（圧電性薄膜）の積層構造
を説明する断面図である。

【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドにおける
圧電体素子の製造方法を説明する製造工程断面図であ
る。

【図４】本発明のインクジェット式記録ヘッドにおける
圧力室の製造方法を説明する製造工程断面図である。

【図５】インクジェット式記録ヘッドの熱処理温度に対
する基板の反りの大きさを示す図である。

【図６】中間層に用いる材料の性質と電位との関係を示
す図である。

【符号の説明】

１…ノズル板 ２…圧力室基板 ３…振動板 ４…圧電体素子 １１…ノズル ２１…キャビティ ４０１…第１圧電体層 ４０２…第２圧電体層 ４０３…応力緩和層 １０１…シリコン基板 ３０１…絶縁膜 ３０２…下部電極膜 ４０４…上部電極膜

フロントページの続き (72)発明者 島田 勝人 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 角 浩二 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 西脇 学 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極および下部電極の間に圧電性材
   料で形成された圧電体層を挟んで構成される圧電体素子
   において、 前記圧電体層は、その厚み方向のいずれか位置に、所定
   の厚みを有し、一方の圧電体層における応力が他方の圧
   電体層に伝達されることを防止可能な弾性を有する導電
   性材料で組成された応力緩和層を備えたことを特徴とす
   る圧電体素子。
2. 【請求項２】 前記応力緩和層を構成する材料のヤング
   率は、１×１０^１１Ｎ／ｍ^２以上である請求項１に記載
   の圧電体素子。
3. 【請求項３】 前記応力緩和層を構成する材料の抵抗率
   は、５×１０^−７Ω・ｍ以下である請求項１に記載の圧
   電体素子。
4. 【請求項４】 前記応力緩和層を、前記圧電体層の厚み
   の中間位置付近に備える請求項１に記載の圧電体素子。
5. 【請求項５】 前記応力緩和層を、前記圧電体層の厚み
   を均等分した各位置付に複数備える請求項１に記載の圧
   電体素子。
6. 【請求項６】 前記応力緩和層は、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ多
   層膜，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｆｅ、ＭｏまたはＣｏのうち
   いずれかの金属を含んで構成される請求項１に記載の圧
   電性素子。
7. 【請求項７】 前記導電性層は、２００ｎｍ以上かつ４
   ００ｎｍ以下の厚みである請求項１に記載の圧電体素
   子。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載
   の圧電体素子を、インクを充填するための圧力室の少な
   くとも一方の面を形成する振動板上に配置して構成され
   た圧力室基板を備えたインクジェット式記録ヘッド。
9. 【請求項９】 導電性材料よりなる下部電極を形成する
   下部電極形成工程と、 下部電極の上に圧電性材料よりなる第１の圧電体層を形
   成する第１圧電体層形成工程と、 前記第１の圧電体層の上に所定の厚みを有する導電性材
   料よりなる応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程
   と、 前記応力緩和層の上に圧電性材料よりなる第２の圧電体
   層を形成する第２圧電体層形成工程と、 前記第２の圧電体層の上に導電性材料よりなる上部電極
   を形成する上部電極形成工程と、を備えたことを特徴と
   する圧電体素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第２圧電体層形成工程において、
    前記第２の圧電体層形成後に、前記応力緩和層の組成材
    料の融点より低い温度で、この第２の圧電体層に熱処理
    を施す請求項９に記載の圧電体素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 シリコン基板に振動板膜を形成する振
    動板膜形成工程と、 前記圧電体素子を当該振動板膜上に形成後、圧電体素子
    を所定の形状に成形する成形工程と、 所定の形状に成形された圧電体素子に対応する領域のシ
    リコンをエッチングすることにより、インクを充填する
    ための圧力室を前記シリコン基板に形成する圧力室形成
    工程と、を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方
    法。