JPH11112048A - 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４０３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、圧電体層は、所
定の密度を有する１以上の高密度圧電体層４０２と、高
密度圧電体層４０２より密度を低くした１以上の低密度
圧電体層４０１と、を備えた。低密度圧電体層４０１
が、高密度圧電体層４０２の製造時に発生する残留応力
を緩和し、圧電体素子におけるクラック発生を防止す
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
中に発生する応力を緩和する密度の疎な層を形成するこ
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、単一組成の圧電性
材料により圧電体層を形成し、金属電極膜で圧電体層を
挟持した構造を備えていた。ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）等の圧電性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が発達し、その結晶構造
に異方性が生じる。この異方構造により電気的エネルギ
ーと機械的エネルギーが結合される。つまり、この圧電
体素子に圧力を加えると両金属電極膜間に電界が発生す
る。これとは反対に、両電極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、それが加算されて強
い応力が発生する。この応力が圧電体素子に体積変化を
もたらす。

【０００３】このような従来の圧電体素子の製造方法
は、例えば、Communications of theAmerican Ceramic
Society, vol. 79, no. 8, 2189-92 (1996)に記載され
ている。この製造方法は、圧電性物質をゾル化したもの
を、粘性制御とゾルの集約化のためにエチレングリコー
ルと混ぜて、スピンコーティング法で塗布し、圧電体層
を形成するものである。

【０００４】インクジェット式記録ヘッドは、インクを
溜めるための圧力室基板の一面を形成する振動板上に、
この圧電体素子を設けて構成される。圧電体素子の体積
が変化すると、圧力室に設けられた振動板を変形し、圧
力室のインクに圧力が加えられてインクが吐出される。

【０００５】近年の記録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ったため、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。ま
た、圧電体層の厚みを厚くすることにより、層内に強い
電場が生じることによる圧電特性の低下を防止する。な
お、圧電性層の厚みを増加させれば特性が向上する旨は
前記先行技術文献にも記載されてある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電体
素子の製造時には大きな残留応力（residual stress）
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。

【０００７】すなわち、圧電体素子の圧電体層を形成す
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シリコン基板に
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
ちクラックを生じた。クラック発生を避けるためには、
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。

【０００８】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、圧電体素子の厚膜化を可能
とし、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、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。

【００１０】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、良好な圧電特性を維持する圧電体素子を使用して
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。

【００１１】

【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、第１の課題を解決するものであり、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、 （ａ） 所定の密度を有する１以上の高密度圧電体層
と、 （ｂ） 高密度圧電体層より密度を低くした１以上の低
密度圧電体層と、を備える。

【００１２】圧電性材料とは、電気的エネルギーと機械
的エネルギーを結合し、相互のエネルギー変換を行いう
る圧電特性を備えた物質をいい、ジルコン酸チタン酸鉛
（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックスをいう。高密度圧電
体層とは、圧電性セラミックスを用いて普通に製造され
る密度の層をいう。これに対し、低密度圧電体層とは、
多孔性である等、圧電性物質の密度が相対的に低い層を
いう。

【００１３】高密度圧電体層および低密度圧電体層は、
それぞれ一層づつ積層しても、複数層積層してもよい。
製造時に積層する順番はいずれが先であってもよい。

【００１４】第２の課題を解決する発明によれば、低密
度圧電体層は、密度がバルクの９０％よりも小さく、高
密度圧電体層は、密度がバルクの９０％〜１００％とな
るように構成されている。

【００１５】第２の課題を解決する発明によれば、圧電
体層が、ＰＺＴを主成分とする材料からなり、低密度圧
電体層の密度が７．０ｇ／ｃｍ^３よりも小さく、高密度
圧電体層の密度が、７．０ｇ／ｃｍ^３〜７．８ｇ／ｃｍ
^３となるように構成されている。

【００１６】第２の課題を解決する発明によれば、低密
度圧電体層は,多孔性の圧電体物質により構成されてい
る。

【００１７】第２の課題を解決する発明によれば、多孔
性の圧電性物質は、各孔が熱処理の際に高分子物質が蒸
発することにより形成されている。

【００１８】第２の課題を解決する発明によれば、高分
子物質は、ポリエチレングリコールにより組成されてい
る。

【００１９】第２の課題を解決する発明によれば、多孔
性の圧電性物質は、その多孔度が１５％以上となるよう
に形成されている。

【００２０】第２の課題を解決する発明によれば、低密
度圧電体層は、４００ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の
厚みである。

【００２１】第３の課題を解決する発明によれば、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るインクジェット式記録ヘッドで
ある。

【００２２】第１の課題を解決する発明によれば、 （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） 下部電極の上に第１の密度を有する第１密度圧
電体層を形成する第１密度圧電体層形成工程と、 （ｃ） 第１密度圧電体層の上に第２の密度を有する第
２密度圧電体層を形成する第２密度圧電体層形成工程
と、 （ｄ） 第2密度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。

【００２３】そして、第１の密度と第２の密度とは異な
るように製造する。

【００２４】第２の課題を解決する発明によれば、第１
密度圧電体層形成工程および第２密度圧電体層形成工程
は、圧電体物質に、高分子物質の添加量を変えて添加す
ることにより、第１密度圧電体層および第２密度圧電体
層を形成するものである。

【００２５】第２の課題を解決する発明によれば、高密
度圧電体層または低密度圧電体層のうちいずれか一方の
圧電体層には、圧電体層に含まれる圧電体成分の原料１
ｍｏｌに対し高分子物質を４５ｍｏｌ％以下添加し、他
方の圧電体層には、圧電体層に含まれる圧電体成分の材
料１ｍｏｌに対し高分子物質を５５ｍｏｌ％以上添加す
る。

【００２６】第２の課題を解決する発明によれば、高分
子物質は、ポリエチレングリコールである。

【００２７】第３の課題を解決する発明によれば、本発
明の圧電体素子を使用したインクジェット式記録ヘッド
の製造方法であって、 （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） 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シリコン基板に形成する圧力室
形成工程と、を備える。

【００２８】

【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。

【００２９】（インクジェットプリンタの構成）図１
に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが用いら
れるインクジェットプリンタの斜視図を示す。同図に示
すように、本インクジェットプリンタ１００は、本体２
に、本発明に係るインクジェット式記録ヘッド１、トレ
イ３および排出口４等を備えて構成されている。トレイ
３は、用紙５を載置可能に構成される。インクジェット
式記録ヘッド１は、図示しない内部移送機構により、用
紙５の幅方向に移送自在に構成されている。

【００３０】この構成において、コンピュータから印字
用データがこのインクジェットプリンタ１００に供給さ
れると、図示しない内部ローラが用紙５を本体２に取り
入れる。用紙５は、ローラの近傍を通過するとき、同図
矢印方向に駆動されるインクジェットプリンタヘッド１
により印字され、排出口４から排出される。

【００３１】図２に、本実施形態のインクジェット式記
録ヘッドの構造を説明する斜視図を示す。同図に示すよ
うに、インクジェット式記録ヘッド１は、ノズル１１の
設けられたノズル板１０、および振動板３０の設けられ
た圧力室基板２０を、筐体５０に嵌め込んで構成され
る。圧力室基板２０は、本発明に係る製造方法により、
キャビティ（圧力室）２１、側壁２２およびリザーバ２
３等が形成されている。

【００３２】なお、本実施形態では、インクを溜めるリ
ザーバが流路基板に設けられているが、ノズル板を多層
構造にし、その内部にリザーバを設けるものでもよい。

【００３３】（インクジェット式記録ヘッドの構成）図
３に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの一部
拡大斜視図を示す。一部は断面図になっている。この図
は、図２に示すインクジェット式記録ヘッドの構造のう
ち、圧力室基板２０および振動板３０の部分を反対側か
ら拡大して見た図に相当する。同図に示すように、本イ
ンクジェット式記録ヘッド１は、ノズル板１０、圧力室
基板２０、振動板３０および圧電体素子４０を備えて構
成されている。

【００３４】ノズル板１０は、圧力室基板２０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２０
に貼り合わせられて構成されている。

【００３５】圧力室基板２０は、キャビティ２１、側壁
２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧
力室基板２０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２
１にインクを導入可能に構成されている。

【００３６】振動板３０は、圧力室基板２０の一方の面
に設けられている。振動板３０の一部には、インクタン
ク口３１が設けられており、筐体５０を介して、図示し
ないインクタンクからのインクをリザーバ２３に供給可
能な構成になっている。

【００３７】圧電体素子４０は、本発明に係る部材であ
り、振動板３０上に所定の形状で形成されている。

【００３８】（圧電素子の層構造）図４に、振動板３０
および圧電体素子４０の層構造を断面図で示す。同図に
示すように、振動板３０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４０が、低
密度圧電体層４０１、高密度圧電体層４０２、さらに上
部電極膜４０３を積層して構成されている。

【００３９】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、圧電体素子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。

【００４０】下部電極膜３０２は、上部電極膜４０３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、低密度圧電体層の結晶配向を制
御したり、下部電極層と絶縁膜との密着性を高めたりす
るためである。

【００４１】上部電極膜４０３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）で形成されている。

【００４２】低密度圧電体層４０１および高密度圧電体
層４０２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（ＰｂＴｉ
Ｏ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ
_３：ＰＺＴ）、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、ＴｉＯ_３）：ＰＬ
ＺＴ）またはマグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸
鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_０．５６Ｔｉ_０．４４）_０．９（Ｍｇ
_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｏ_３）等で構成される。

【００４３】ただし、低密度圧電体層４０１と高密度圧
電体層４０２とでは、その密度が異なっている。例え
ば、ＰＺＴを主成分とする材料からなり、低密度圧電体
層４０１は、密度が７．０ｇ／ｃｍ^３よりも小さくなる
よう構成され、高密度圧電体層４０２は、密度が７．０
ｇ／ｃｍ^３〜７．８ｇ／ｃｍ^３となるように構成されて
いる。

【００４４】特に、圧電性セラミックス材料として、マ
グネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ
_０．５６Ｔｉ_０．４４）_０．９（Ｍｇ_１／３Ｎ
ｂ_２／３）_０．１Ｏ_３）を用いた場合、低密度圧電体層
４０１の密度を、６．５ｇ／ｃｍ^３にすると、圧電体素
子に発生する残留応力を効果的に緩和することができ
る。

【００４５】高密度圧電体層４０２は、通常の圧電体薄
膜を製造する方法に基づいて製造することにより、緻密
な層に形成する。これに対し、低密度圧電体層４０１
は、密度が低くなるような製造方法で製造される疎な層
である。例えば、この低密度圧電体層４０１は多孔性に
形成される。つまり、高密度圧電体層４０２と同一の圧
電性セラミックスを用いながらも、気泡のような間隙が
無数に含まれるような多孔性に形成することで、低密度
圧電体層４０１の平均密度を高密度圧電体層４０２より
低く設定する。圧電体層を多孔性に形成するには、高分
子物質を圧電性セラミックスに一定量混入させて製造す
る。高分子物質としては、例えばポリエチレングリコー
ル等、製造過程で揮発しうる高分子物質を使用する。完
全に揮発しない物質でも圧電体層より密度の低い有機物
質であれば、低密度圧電体層に混入することができる。
高分子物質の含有量としては、例えば、圧電体セラミッ
クスに含有される鉛（Ｐｂ）の量に対して、５５ｍｏｌ
％以上混ぜる。

【００４６】製造後の圧電体層は、その多孔度が１５％
以上となるように形成されている。これより多孔度が小
さくなると、高密度圧電体層の密度と密度差が少なくな
り、応力緩和機能が期待できないからである。

【００４７】低密度圧電体層４０１の厚みは、４００ｎ
ｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の厚みに設定する。低密度
圧電体層それ自体は、圧電特性が低いので、あまりに厚
みが厚いと、その低い圧電特性の影響が圧電体素子全体
に及ぶからである。またあまりに厚みが薄いと、残留応
力を吸収できる程度が低下するからである。

【００４８】高密度圧電体層４０２の厚みは、４００ｎ
ｍ〜１０００ｎｍ程度が好ましい。あまりに厚くする
と、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からである。

【００４９】（作用）圧電体層を乾燥させ脱脂および結
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
らに熱処理の過程において圧電体層の基礎となる下部電
極とシリコン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
て大きくなる。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）が発生する。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。

【００５０】本発明では、通常の（高密度）圧電体層の
他に、この圧電体層より密度の低い低密度圧電体層を設
けた。このため、密度の低い低密度圧電体層が、高密度
圧電体層内部に発生した残留応力を緩和するため、圧電
体素子を厚膜化する際に、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。

【００５１】一方、複数の圧電体層が積層されている場
合の圧電体素子全体の圧電特性は、個々の圧電体層の有
する圧電特性のうち、比較的高い方の圧電ｇ定数や誘電
率によって定まる。本発明のように、高密度圧電体層と
低密度圧電体層とを積層した場合には、主として高密度
圧電体層の特性により、圧電体素子全体の特性が定めら
れる。このため、低密度圧電体層の存在により圧電体素
子の圧電特性が低下することは少ない。

【００５２】本実施形態のインクジェット式記録ヘッド
におけるインク滴吐出の原理を説明する。圧電体素子４
０の下部電極３０２と上部電極４０３との間に電圧が印
加されていない場合、圧電性薄膜である低密度圧電体層
４０１および高密度圧電体層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４０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。

【００５３】一方、圧電体素子４０の下部電極３０２と
上部電極４０３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、低密度圧電体層４０
１および高密度圧電体層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４０が取り
付けられた振動板３０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。

【００５４】（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。

【００５５】絶縁膜形成工程（図５（ａ））： まず、
加圧室基板の基礎となるシリコン基板２０１に絶縁膜３
０１を形成する。シリコン基板２０１は、例えば２００
μｍ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。

【００５６】下部電極膜形成工程（図５(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、酸化チタン層、
チタン層、白金層、チタン層を０．０１μｍ、０．０１
μｍ、０．００５μｍ，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。

【００５７】低密度圧電体層形成工程（図５（ｃ））：
低密度圧電体層を形成するために、まず前述した組成
の圧電性セラミックスに高分子物質を混入させた溶解液
を調合する。高分子物質は、脱脂工程において揮発する
ものである。高分子物質としては、例えばポリエチレン
グリコールを、圧電体セラミックスに含有される圧電体
成分の原料１ｍｏｌに対して、５５ｍｏｌ％以上混ぜ
る。ポリエチレングリコールの他に、脱脂工程で揮発し
うる高分子物質を使用することができる。また、脱脂工
程では完全に揮発しないが、圧電体層より密度の低い高
分子物質であれば、低密度圧電体層に混入する高分子物
質として使用することができる。

【００５８】高分子物質を混入した溶解液を一定の厚み
に塗布する。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。乾燥時にゲル状の圧電性セラ
ミックスが、高分子物質の固まりである「島」を包含す
る。

【００５９】乾燥後、さらに、ポリエチレングリコール
等の高分子物質や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。脱脂により、「島」状に固ま
った高分子物質が揮発し、圧電体層が多孔性になる。

【００６０】この塗布→乾燥→脱脂の各工程を８回繰り
返して８層のセラミックス層を積層する。

【００６１】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（ＲＡＴ）で、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、ＲＡＴで、６５０度で５分間、さらに
９００度で１分間加熱する。

【００６２】上記処理により、低密度圧電体層４０１が
所定の厚み、例えば０．８μｍ程度で形成される。

【００６３】高密度圧電体層形成工程（同図(ｄ)）：
低密度圧電体層４０１上に、さらに高密度圧電体層４０
２を積層する。製造方法は、上記低密度圧電体層形成工
程とほぼ同様である。圧電性セラミックス材料も同様の
ものを使用する。ただし、圧電性セラミックスに混入す
るポリエチレングリコールの量は、低密度圧電体層４０
１の製造時より少なくする。例えば、４５ｍｏｌ％以下
とする。この程度の高分子物質の含有量であれば、製造
後の圧電体層は多孔性になりにくい。

【００６４】上記処理により、高密度圧電体層４０２が
０．８μｍ程度の厚みで形成される。高密度圧電体層４
０２の成形時、内部には複雑な残留応力が生ずるが、低
密度圧電体層４０１が形成してあるので、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。

【００６５】上部電極形成工程（同図(e)）： 高密度
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４０３を形成す
る。上部電極の材料は、白金（Ｐｔ）等を用いる。厚み
は１００ｎｍ程度にする。

【００６６】成形工程（図６(ａ)）： 各層を形成後、
振動板膜３０（３０１，３０２）上の積層構造（４０
１，４０２および４０３）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
ングする。すなわち、低密度圧電体層４０１、高密度圧
電体層４０２および上部電極膜４０３を取り除く。エッ
チングする際、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、
レジストが上部電極膜４０３上に形成される。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。

【００６７】圧力室形成工程（同図（ｂ））： 圧電体
素子４０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２１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。

【００６８】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２０１にノズル板１０
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１１の貼り合わせられた圧力室基板
２０を筐体５０に取り付け（図２参照）、インクジェッ
ト式記録ヘッド１が完成する。

【００６９】（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圧電体素子の実施例を示す。圧
電体層を構成する材料には、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５６Ｔｉ
_０．４４）_０．９（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１Ｏ_３
の組成を有するものを用いた。

【００７０】図７に、下部電極上に直接高密度圧電体層
を形成した場合の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Micr
oscopy）写真を示す。同図に示すように、圧電性セラミ
ックスに混入させる高分子密度が低いので、製造後の圧
電体層は多孔性を示さない緻密な層となっている。同図
の下半分は下部電極膜であり、高密度圧電体層が垂直に
発達した結晶柱状構造を呈している。

【００７１】図８に、下部電極上に直接低密度圧電体層
を形成した場合の断面ＳＥＭ写真を示す。同図に示すよ
うに、圧電性セラミックスに混入させる高分子密度を相
対的に高くしているため、高分子物質が揮発することに
よって形成された空洞が散在した疎な層となっている。
多孔性の層となっているため、平均密度が低くなること
が分かる。

【００７２】表１に、緻密な高密度圧電体層のみで形成
した従来の圧電体素子、疎な低密度圧電体層のみで形成
した圧電体素子および両者を積層した本発明の圧電体素
子の３者について、圧電特性等の比較結果を示す。比較
項目は、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と、クラックの発生なく積層可能な圧電体
層の厚みである。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。

【００７３】

【表１】

【００７４】表１から分かるように、高密度圧電体層に
低密度圧電体層を積層した実施例の圧電体素子では、圧
電ｄ定数や圧電ｇ定数の比較的高い方の影響を受けるた
め、低密度圧電体層を積層しても、圧電特性に大きな劣
化が生じていない。厚みに関しては、従来の緻密な圧電
体層のみで圧電体素子を形成した場合には、０．８μｍ
以上積層するとクラックを発生するおそれがあったが、
低密度圧電体層を積層することで、２倍近い厚みまで積
層できるようになった。

【００７５】つまり、低密度圧電体層が寄与することに
より、残留応力を減じ、高密度圧電体層が寄与すること
により、圧電特性が維持されることもわかる。

【００７６】上記したように本実施形態によれば、高分
子物質を圧電性セラミックスに混入したことにより圧電
体層を多孔性にすることができ、残留応力を緩和させる
ことができる。したがって、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。

【００７７】＜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、低密度圧電体層を一層
のみ設けたが、高密度圧電体層と低密度圧電体層とを交
互に複数設けてもよい。

【００７８】また、上記実施形態では、低密度圧電体層
と高密度圧電体層における圧電性セラミックスの組成を
同じにしたが、両圧電体層における圧電性セラミックス
の組成を異ならせてもよい。組成を異ならせて設定した
場合でも、圧電特性は主として高密度圧電体層の組成に
より規定され、圧電体素子の厚みは主として低密度圧電
体層の厚みで決まる。

【００７９】なお、上記実施形態では、低密度圧電体層
の各孔は、高分子物質が蒸発した後の空洞として形成さ
れていたが、製造過程で不揮発の高分子物質等を含んで
構成してもよい。空洞に高分子物質を混入させて低密度
圧電体層を構成する場合には、低密度の高分子物質を混
入させればよい。

【００８０】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、圧電体装置、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。

【００８１】

【発明の効果】本発明の圧電体素子は、圧電体層に生ず
る残留応力を緩和する密度の低い圧電体層を設けたの
で、製造過程で生じた残留応力を緩和し、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。

【００８２】本発明によれば、低密度圧電体層を形成す
るための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。

【００８３】本発明のインクジェット式記録ヘッドは、
厚みを厚くしてもクラック等を発生させることなく製造
される圧電体素子を使用したので、良好な圧電特性を維
持する圧電体素子により高精細度印字が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のインクジェットプリンタの構造を説
明する斜視図である。

【図２】実施形態のインクジェット式記録ヘッドの構造
を説明する斜視図である。

【図３】実施形態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４】本発明の圧電体素子の積層構造を説明する断面
図である。

【図５】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６】本発明のインクジェット式記録ヘッドにおける
圧力室基板の製造方法を説明する製造工程断面図であ
る。

【図７】実施例における高密度圧電体層の断面ＳＥＭ図
である。

【図８】実施例における低密度圧電体層の断面ＳＥＭ図
である。

【符号の説明】

１０…ノズル板 １１…ノズル ２０…圧力室基板 ２１…キャビティ ２２…側壁 ２３…リザーバ ２０１…シリコン基板 ３０…振動板 ３０１…絶縁膜 ３０２…下部電極膜 ４０…圧電体素子 ４０１…低密度圧電体層 ４０２…高密度圧電体層 ４０３…上部電極膜

Claims (14)

【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、所定の密度を有する１以上の高密度圧
   電体層と、前記高密度圧電体層より密度を低くした１以
   上の低密度圧電体層と、を備えたことを特徴とする圧電
   体素子。
2. 【請求項２】 前記低密度圧電体層は、密度がバルクの
   ９０％よりも小さく、前記高密度圧電体層は、密度がバ
   ルクの９０％〜１００％となるように構成されている請
   求項１に記載の圧電体素子。
3. 【請求項３】 前記圧電体層が、ＰＺＴを主成分とする
   材料からなり、前記低密度圧電体層の密度が、７．０ｇ
   ／ｃｍ^３よりも小さく、前記高密度圧電体層の密度が、
   ７．０ｇ／ｃｍ^３〜７．８ｇ／ｃｍ^３となるように構成
   されている請求項２に記載の圧電体素子。
4. 【請求項４】 前記低密度圧電体層は,多孔性の圧電体
   物質により構成されている請求項１に記載の圧電体素
   子。
5. 【請求項５】 前記多孔性の圧電性物質は、各孔が熱処
   理の際高分子物質が蒸発することにより形成されている
   請求項４に記載の圧電体素子。
6. 【請求項６】 前記高分子物質は、ポリエチレングリコ
   ールにより組成されている請求項５に記載の圧電体素
   子。
7. 【請求項７】 前記多孔性の圧電性物質は、その多孔度
   が１５％以上となるように形成されている請求項４に記
   載の圧電体素子。
8. 【請求項８】 前記低密度圧電体層は、４００ｎｍ以上
   かつ１０００ｎｍ以下の厚みである請求項１に記載の圧
   電体素子。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８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。
10. 【請求項１０】 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、 下部電極の上に第１の密度を有する第１密度圧電体層を
    形成する第１密度圧電体層形成工程と、 前記第１密度圧電体層の上に第２の密度を有する第２密
    度圧電体層を形成する第２密度圧電体層形成工程と、 前記第2密度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、 前記第１の密度と前記第２の密度とは異なるように製造
    することを特徴とする圧電体素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記第１密度圧電体層形成工程および
    前記第２密度圧電体層形成工程は、圧電体物質に、高分
    子物質の添加量を変えて添加することにより、前記第１
    密度圧電体層および前記第２密度圧電体層を形成するも
    のである請求項１０に記載の圧電体素子の形成方法。
12. 【請求項１２】 前記高密度圧電体層または前記低密度
    圧電体層のうちいずれか一方の圧電体層には、圧電体層
    に含まれる圧電体成分の原料１ｍｏｌに対し高分子物質
    を４５ｍｏｌ％以下添加し、他方の圧電体層には、圧電
    体層に含まれる圧電体成分の原料１ｍｏｌに対し高分子
    物質を５５ｍｏｌ％以上添加する請求項１０に記載の圧
    電体素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記高分子物質は、ポリエチレングリ
    コールである請求項１１または請求項１２のいずれか一
    項に記載の圧電体素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項
    に記載の圧電体素子を使用したインクジェット式記録ヘ
    ッドの製造方法であって、 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。