電気機械変換素子
【課題】圧電体の上面から圧電体の外表面に沿うように配線を引き出すことなく、圧電体を挟む一方の電極を取り出して、素子としての信頼性を向上させる電気機械変換素子を提供する。
【解決手段】電気機械変換素子１は、薄膜からなる圧電体８と、圧電体８を挟む２つの電極７，９と、一方の電極（例えば上電極９）と導通する第１の電極取出層４と、他方の電極（例えば下電極７）と導通する第２の電極取出層１０とを基板２上に有している。第１の電極取出層４は、圧電体８よりも基板２側に位置している。一方の電極９は、圧電体８を基板２と垂直な方向に貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。
【解決手段】電気機械変換素子１は、薄膜からなる圧電体８と、圧電体８を挟む２つの電極７，９と、一方の電極（例えば上電極９）と導通する第１の電極取出層４と、他方の電極（例えば下電極７）と導通する第２の電極取出層１０とを基板２上に有している。第１の電極取出層４は、圧電体８よりも基板２側に位置している。一方の電極９は、圧電体８を基板２と垂直な方向に貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の圧電効果を利用して駆動される電気機械変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を基板の上に薄膜状に形成したカンチレバー（片持ち梁）構造の電気機械変換素子が知られている。この構造では、薄膜の面に沿う伸縮変形を、面に垂直な方向の変位に効率よく変換することができるため、感度の高いセンサやアクチュエータを構成することができる。しかし、梁の先端が拘束されていないため、剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという課題がある。
【０００３】
この課題を解決するために、変位膜の両端を固定した両持ち梁構造や、変位膜の周縁を固定したダイアフラム（横隔膜）構造の電気機械変換素子が提案されている。この構造では、変位膜の剛性が高くなるため、発生圧力を大きくできる、外力に対してより安定して変形できる、変位膜の中心部を基板に平行に移動できる、密閉構造により気体や液体を輸送するポンプに活用できる、等の利点がある。
【０００４】
このような電気機械変換素子は、例えばインクジェットプリンタに応用することができる。インクジェットプリンタは、液体インクを吐出する複数のチャネル（圧力室）を備えており、紙や布等の記録メディアに対して相対的に移動しながら、インクの吐出を制御することにより、二次元の画像を出力する。このようなプリンタで画像を高速に描画するには、チャネルを記録メディアの幅全体に並べて、一方向に走査するラインヘッド方式が望ましい。
【０００５】
また、ラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を図るには、チャネルをできるだけ小さくして、ヘッドに、小型のチャネルを二次元に高密度に配置することが望ましい。例えば特許文献１では、正方形のチャネルを千鳥配置することによって、チャネルを高密度に配置している。
【０００６】
以下、インクジェットプリンタに応用されるダイアフラム構造の電気機械変換素子について、さらに詳細に説明する。図８は、従来のダイアフラム構造の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。この電気機械変換素子では、基板１０１上に、従動膜１０２と、駆動膜１０３とがこの順で積層されている。
【０００７】
基板１０１には、インクを収容する圧力室１０１ａが形成されており、従動膜１０２は圧力室１０１ａの上壁を構成している。駆動膜１０３は、下電極１０４と、圧電体１０５と、上電極１０６とを有している。下電極１０４の上面および圧電体１０５の側面は、絶縁膜１０７で覆われている。そして、下電極１０４は、絶縁膜１０７に設けられた貫通孔１０７ａを介して、絶縁膜１０７の表面に引き出されている。
【０００８】
圧電体１０５は、圧力室１０１ａの上部に位置しており、基板１０１に垂直な方向（図８の矢印方向）に分極している。上電極１０６は、絶縁膜１０７の表面に沿って設けられる配線１０６ａにより、圧電体１０５の上面から圧力室１０１ａの外部に引き出されている。
【０００９】
この構成では、上電極１０６および下電極１０４に電圧を印加すると、圧電体１０５が圧電効果により伸縮し、駆動膜１０３には、従動膜１０２との長さの違いによって曲率が生じる。これにより、駆動膜１０３が基板１０１に垂直な方向に変位する。したがって、圧力室１０１ａにインクを充填しておけば、駆動膜１０３の変位によって圧力室１０１ａ内の圧力が高まるため、圧力室１０１ａからインクを吐出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３１６８４７４号公報（請求項１、図１等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、駆動膜の圧電体は、バルクセラミックスで構成されるものと、薄膜で構成されるものとの２種類が存在する。バルクセラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料の結晶粒を粒径数μｍの粉末に加工し、溶剤でペースト化してシート状に焼成して作製する。この場合、形成できるシートの厚みは、最小でも５０〜１００μｍであり、これよりもシートを薄くすると、シートに亀裂が入り、使用することができなくなる。
【００１２】
このように、圧電体をバルクセラミックスで構成すると、圧電体の厚みが大きいため、曲げ剛性が大きくなる。このため、必要な変位量を得るためには、圧力室の直径をｍｍオーダーに大きくする必要があり、チャネルを小型化することができなくなる。なお、必要な変位量とは、例えばインクジェットプリンタでは、吐出するインクの量を決める変位体積に相当する。
【００１３】
一方、圧電体を薄膜で構成する場合は、ＰＺＴなどの圧電材料を、ＰＶＤやＣＶＤ、ゾルゲル法などにより、基板上に数μｍの厚さで形成する。圧電体の厚みが小さいため、曲げ剛性が小さく、圧力室の直径をバルクセラミックスの１／１０程度に小さくすることができる。これにより、チャネルを高密度に配置でき、低コスト、高解像度を実現することができる。
【００１４】
ところが、圧電体を薄膜で構成すると、上電極の取り出し方が問題となる。すなわち、バルクセラミックスからなる圧電体は、厚くて丈夫であるため、圧電体上の電極（上電極）上に直接ワイヤーをボンディングして配線を引き出す（上電極を取り出す）ことができる。しかし、薄膜からなる圧電体は薄くて脆いため、ワイヤーボンディングにおける溶着時の圧力や超音波振動に耐えることができない。その結果、圧電体が薄膜の場合は、上電極をワイヤーボンディングによって取り出すことはできない。
【００１５】
そこで、図８で示したように、下電極１０４の上面と圧電体１０５の側面とを絶縁膜１０７で覆い、絶縁膜１０７上の配線１０６ａによって、上電極１０６の一部をチャネルの外へ取り出す手法が用いられる。つまり、配線１０６ａにより、圧電体１０５の上面（基板１０１とは反対側の面）から圧電体１０５の外表面に沿って上電極１０６が引き出される。
【００１６】
ところが、駆動膜１０３の変位方向は、基板１０１に垂直な上下方向であるため、図８のように、圧電体１０５の上面から圧電体１０５の外表面に沿って上電極１０６を引き出す構成では、上電極１０６と連続した最上層の配線１０６ａが駆動膜１０３の上下方向の変位を阻害する。その結果、駆動膜１０３の上下方向の変位量が低下し、素子としての特性が低下する。また、圧力室１０１ａの周縁部付近では、駆動膜１０３の変形が大きいため、その周縁部に位置する配線１０６ａに働く応力も大きくなり、配線１０６ａに亀裂や剥離が生じる恐れがある。このような、素子としての特性低下や配線の劣化は、電気機械変換素子としての信頼性を低下させる要因となる。
【００１７】
なお、このような問題は、分極方向と電界方向とが基板に垂直となるように圧電体を配置した場合（図８参照）のみならず、分極方向と電界方向とが基板に平行となるように圧電体を配置した場合でも、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿って一方の電極を取り出す場合には、同様に起こり得る。
【００１８】
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、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿うような配線を設けることなく、圧電体を挟む一方の電極を取り出すことができ、これによって、素子としての信頼性を向上させることができる電気機械変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の電気機械変換素子は、薄膜からなる圧電体と、前記圧電体を挟む２つの電極と、一方の電極と導通する第１の電極取出層と、他方の電極と導通する第２の電極取出層とを基板上に有し、前記第１の電極取出層は、前記圧電体よりも前記基板側に位置しており、前記一方の電極は、前記圧電体を前記基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、前記第１の電極取出層と連結されていることを特徴としている。
【００２０】
例えば、圧電体の分極方向および電界方向が基板に対して垂直となるように、圧電体を２つの電極で挟んで配置した場合、一方の電極（例えば上電極）は、圧電体を基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、圧電体よりも基板側（下方）に位置する第１の電極取出層と連結されることになる。また、例えば、圧電体をリング状に形成してその外周部および内周部に電極を配置し、圧電体の分極方向および電界方向が基板に平行となるように、圧電体を２つの電極で挟んで配置した場合でも、一方の電極（例えば内電極）は、連結部を介して、下方の第１の電極取出層と連結されることになる。
【００２１】
このように、一方の電極（上電極、内電極）が、圧電体を貫通する連結部を介して、下方の第１の電極取出層と連結されることにより、素子表面に、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿うような配線を設けることなく、一方の電極を取り出すことができる。したがって、上記配線を設けることによる問題（特性の低下や配線の劣化）が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子を実現することができる。
【００２２】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に対して垂直となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていてもよい。
【００２３】
圧電体の分極方向および電界方向が基板に対して垂直の場合、分極方向（電界方向）に垂直な方向（ｄ３１方向）の圧電体の変形（ｄ３１変形）を利用して、電気機械変換素子を駆動することができる。
【００２４】
本発明の電気機械変換素子において、前記一方の電極は、前記圧電体に対して前記基板とは反対側に位置する上電極で構成されており、前記他方の電極は、前記圧電体に対して前記基板側に位置する下電極で構成されていてもよい。
【００２５】
上電極が、圧電体を貫通する連結部を介して、圧電体よりも下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に上電極の取り出し用の配線を設けることなく、上電極を取り出すことができる。これにより、圧電体のｄ３１変形を利用した電気機械変換素子において、上記配線による圧電体の変位量の低下を回避して、特性の低下を回避することができる。
【００２６】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に平行となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていてもよい。
【００２７】
圧電体の分極方向および電界方向が基板に平行な場合、分極方向（電界方向）に平行な方向（ｄ３３方向）の圧電体の変形（ｄ３３変形）を利用して、電気機械変換素子を駆動することができる。また、同じ条件（例えば同じ駆動電界）では、ｄ３３方向の圧電体の変位量は、ｄ３１方向の圧電体の変位量よりも大きいため、電気機械変換素子としての出力や感度を増大させることができる。
【００２８】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体には、前記連結部が挿通される貫通孔が形成されており、前記一方の電極は、前記圧電体の前記貫通孔に位置して、前記連結部の一部を兼ねる内電極で構成されており、前記他方の電極は、前記内電極と前記圧電体を介して対向する外電極で構成されていてもよい。
【００２９】
圧電体の貫通孔に位置する内電極が、連結部を介して、圧電体よりも下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に内電極の取り出し用の配線を設けることなく、内電極を取り出すことができる。これにより、圧電体のｄ３３変形を利用した電気機械変換素子において、上記配線による圧電体の変位量の低下を回避して、特性の低下を回避することができる。また、内電極が連結部の一部を兼ねているので、素子の構成を簡素化することができる。
【００３０】
本発明の電気機械変換素子において、前記他方の電極は、前記連結部と非接触で配置されていることが望ましい。
【００３１】
この場合、一方の電極を、連結部を介して、他方の電極と接触させることなく第１の電極取出層と導通させることができ、一方の電極と他方の電極との絶縁性を確保することができる。
【００３２】
本発明の電気機械変換素子において、前記第２の電極取出層は、前記他方の電極の少なくとも一部と同層に設けられていてもよい。
【００３３】
他方の電極の形成（成膜）の際に、第２の電極取出層を同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、一方の電極が、圧電体を貫通する連結部を介して、圧電体下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に圧電体の上面から圧電体の外表面に沿う配線を設けることなく、一方の電極を取り出すことができる。したがって、上記配線を設けることによる特性の低下や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】上記電気機械変換素子の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図６】本発明の実施の形態２の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図７】上記電気機械変換素子の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図８】従来の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔実施の形態１〕
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。
【００３７】
（電気機械変換素子の構成）
図１は、本実施形態の電気機械変換素子１の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。電気機械変換素子１は、基板２上に、第１の絶縁層３と、第１の電極取出層４と、第２の絶縁層５と、駆動膜６とをこの順で積層して構成されている。駆動膜６は、基板２側から、下電極７と、圧電体８と、上電極９とを有している。
【００３８】
基板２は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板１１・１２が接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。一方のＳｉ基板１１には、断面円形の圧力室１１ａが形成されており、ここに例えばインクが充填される。他方のＳｉ基板１２は、圧力室１１ａの上壁を構成しているとともに、駆動膜６の変位に伴って変位する従動膜を構成している。なお、基板２は、１枚のＳｉ基板を所定形状に加工することにより、圧力室１１ａおよび従動膜を有する基板として構成されてもよい。第１の絶縁層３は、Ｓｉ基板１２と第１の電極取出層４とを絶縁する目的で設けられている。
【００３９】
第１の電極取出層４は、駆動膜６の圧電体８を挟む２つの電極の一方（ここでは上電極９）と導通する層である。この第１の電極取出層４は、圧電体８および後述する第２の電極取出層１０よりも下方、すなわち、基板２側に位置している。第１の電極取出層４は、第２の絶縁層５の開口部５ｂから突出する突出部４ａを有しており、この突出部４ａを介して、第１の電極取出層４に対して電気信号の入出力が行われる。
【００４０】
第２の絶縁層５は、第１の電極取出層４と、下電極７、圧電体８および第２の電極取出層１０とを絶縁する目的で設けられている。上記した開口部５ｂは、第２の絶縁層５において、圧力室１１ａの外側に形成されている。
【００４１】
圧電体８は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電材料を薄膜で形成したものである。この圧電体８は、圧力室１１ａの上方に位置しており、上電極９（一方の電極）および下電極７（他方の電極）で挟まれている。上電極９は、圧電体８に対して基板２とは反対側に位置しており、下電極７は、圧電体８に対して基板２側に位置している。したがって、圧電体８の電界方向（電圧印加方向）は、基板２に対して垂直方向となる。
【００４２】
また、図１の構成では、圧電体８は、基板２に垂直な方向（基板面に垂直な方向）に分極されている。なお、図１における矢印は、圧電体８の分極方向を示している。よって、圧電体８は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されていると言うことができる。
【００４３】
第２の絶縁層５上には、第２の電極取出層１０が設けられている。第２の電極取出層１０は、下電極７と同層で設けられて、下電極７と導通している。下電極７に対する電気信号の入出力は、第２の電極取出層１０を介して行われる。
【００４４】
上記した上電極９、圧電体８および第２の絶縁層５には、基板２に垂直な上下方向に貫通する貫通孔９ａ・８ａ・５ａがそれぞれ形成されている。そして、これらの貫通孔９ａ・８ａ・５ａには、貫通方向に伸びる棒状の連結部２１が設けられている。したがって、連結部２１は、圧電体８を基板２に垂直な方向に貫通して設けられていることになる。この連結部２１により、上電極９と第１の電極取出層４とが連結され、電気的に導通している。連結部２１は、例えば上電極９と同じ金属材料で構成される。
【００４５】
なお、貫通孔９ａ・８ａ・５ａの直径（連結部２１の直径）は、使用する電圧、電流、電極材料の充填性などにより決定されるが、例えば５〜１０μｍである。
【００４６】
なお、上電極９に貫通孔９ａを形成せずに、連結部２１の上面と上電極９の下面とを当接させる構成であってもよい。また、上電極９と連結部２１とは一体化されていてもよい。
【００４７】
また、下電極７にも貫通孔７ａが形成されており、この貫通孔７ａに圧電体８が入り込んでいる。下電極７の貫通孔７ａは、圧電体８の貫通孔８ａおよび貫通孔８ａを通る連結部２１よりも大径で形成されており、下電極７は、連結部２１と非接触で配置されている。したがって、上電極９を、連結部２１を介して、下電極７と接触させることなく第１の電極取出層４と導通させることができ、上電極９と下電極７との絶縁性を確保することができる。
【００４８】
なお、貫通孔７ａの直径は、上電極９と下電極７との絶縁性により決定されるが、例えば２０〜５０μｍ程度である。
【００４９】
（電気機械変換素子の製造方法）
次に、上記した構成の電気機械変換素子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（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電気機械変換素子１の製造工程を示す断面図である。
【００５０】
まず、図２（ａ）に示すように、基板２として、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の分野でよく利用されているＳＯＩ基板を用意する。なお、ＳＯＩ基板は、上述したように、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板１１・１２を接合したものである。
【００５１】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板２を加熱炉に入れて１０００℃程度で所定時間保持し、基板２の表面に、厚さが１００ｎｍ程度の熱酸化膜（石英：ＳｉＯ２）からなる第１の絶縁層３を形成する。
【００５２】
続いて、図２（ｃ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱して、スパッタ法でＴｉ／Ｐｔ層を１００ｎｍ程度の厚さで形成し、第１の絶縁層３上に第１の電極取出層４を形成する。
【００５３】
次に、図２（ｄ）に示すように、基板２を６００℃程度に加熱し、スパッタ法でＭｇＯやＳｒＯを１００ｎｍ程度の厚さで成膜し、第１の電極取出層４上に第２の絶縁層５を形成する。
【００５４】
続いて、図３（ａ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱し、スパッタ法でＴｉ／Ｐｔ層を１００ｎｍ程度の厚さで形成し、第２の絶縁層５上に下電極７およびこれと導通する第２の電極取出層１０を同時に形成する。なお、第２の絶縁層５としてのＭｇＯやＳｒＯ、下電極７および第２の電極取出層１０としてのＰｔは、格子定数がＰＺＴと近いため、ＰＺＴの結晶成長を促進する役割も果たす。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示すように、下電極７の中心にウェットエッチング法で直径５０μｍの穴を開けて、貫通孔７ａを形成する。その後、基板２を６００℃程度に加熱し、スパッタ法でチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を３μｍ程度の厚さで成膜し、下電極７の貫通孔７ａ内と、下電極７および第２の電極取出層１０上に、圧電体８を形成する。
【００５６】
続いて、図３（ｃ）に示すように、圧電体８の中心および第２の絶縁層５の中心にウェットエッチング法で直径１０μｍの穴を開けて、貫通孔８ａ・５ａをそれぞれ形成する。
【００５７】
その後、図４（ａ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱し、貫通孔８ａ・５ａ内にスパッタ法でＴｉからなる連結部２１を形成する。そして、連結部２１および圧電体８の上に、Ｔｉ／Ａｕ層を１００ｎｍ程度の厚さで成膜し、上電極９を形成する。
【００５８】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体８と上電極９とをウェットエッチング法で外径が１００μｍとなるように加工する。その後、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１１の中心に反応性イオンエッチング法で直径１２０μｍの穴を開けて、圧力室１１ａを形成する。
【００５９】
最後に、図示はしないが、第２の絶縁層５における圧力室１１ａの外側の位置に開口部５ｂ（図１参照）を形成し、この開口部５ｂ内に第１の電極取出層４と同じ金属材料（例えばＰｔ）をスパッタし、第１の電極取出層４と導通する突出部４ａを形成する。これにより、電気機械変換素子１が完成する。なお、開口部５ｂの上方に位置する下電極７および第２の電極取出層１０については、エッチングによって予め除去しておけばよい。
【００６０】
（動作について）
次に、上記した電気機械変換素子１の動作について説明する。図１において、駆動膜６の圧電体８は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されている。この構成では、駆動膜６の上電極９と下電極７との間に電圧を印加すると、圧電体８が圧電効果により、基板２に垂直な方向、つまり、分極方向および電界方向に平行なｄ３３方向に伸縮するとともに、基板２に平行な方向、つまり、分極方向および電界方向に垂直なｄ３１方向に伸縮する。
【００６１】
このように圧電体８が伸縮すると、従動膜であるＳｉ基板１２との長さの違いによって、駆動膜６に曲率が生じ、駆動膜６が基板２に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室１１ａ内の圧力を高めて、圧力室１１ａから図示しないノズルを介してインクを吐出させることができる。
【００６２】
ここで、本実施形態では、第１の電極取出層４は、圧電体８よりも下方、つまり、基板２側に位置している。そして、上電極９は、圧電体８の内部を貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。これにより、従来のように、素子表面に、圧電体８の上面（基板２と反対側の面）から圧電体８の外表面に沿うような配線を設けることなく、上電極９を取り出すことができる。つまり、圧電体８を貫通する連結部２１、および圧電体８の下方に位置する第１の電極取出層４を介して、上電極９に電圧を印加することが可能となる。
【００６３】
したがって、素子表面に設けられる上記配線に起因するような特性劣化や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子１を実現することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、上電極９を取り出すための第１の電極取出層４が、駆動膜６に対して従動膜側（基板２側）に設けられており、変位する駆動膜６（下電極７よりも基板２と反対側）には設けられていない。これにより、上電極９を取り出すべく、第１の電極取出層４を設ける構成としても、その第１の電極取出層４が駆動膜６の変位を阻害することはない。したがって、第１の電極取出層４を設けることによって、素子の特性が低下することはない。
【００６５】
なお、圧電体８の中心付近の変形は少ないため、圧電体８の中心付近を通る連結部２１は、圧電体８の変形の妨げにはならず、連結部２１を設けることによる特性の低下は生じない。また、圧電体８の変形時に連結部２１に働く力も小さいため、連結部２１の劣化（破損、剥離、亀裂など）が生じることもない。
【００６６】
また、圧電体８は、分極方向および電界方向が基板２に対して垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されているので、分極方向に垂直な方向（基板２に平行な方向）の圧電体８のｄ３１変形を利用して、電気機械変換素子１を駆動することができる。
【００６７】
しかも、圧電体８を挟む２つの電極のうち、圧電体８に対して基板２とは反対側に位置する上電極９が、連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されているので、素子表面に上電極９の取り出し用の配線を設けることなく、上電極９を取り出して、圧電体８のｄ３１変形による駆動を実現することができる。
【００６８】
また、圧電体８を挟む２つの電極のうち、圧電体８に対して基板２側に位置する下電極７は、第２の電極取出層１０と導通している。この第２の電極取出層１０は、下電極７と同層で設けられているので、下電極７の形成の際に、第２の電極取出層１０を同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
【００６９】
ところで、図５は、本実施形態の電気機械変換素子１の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。同図のように、第２の電極取出層１０は、下電極７よりも下方（基板２側）に設けられていてもよい。この場合、下電極７は、第２の電極取出層１０の上に第３の絶縁層１３を介して形成され、第２の電極取出層１０は、第３の絶縁層１３を貫通する連結部２２を介して下電極７と導通する。また、第２の電極取出層１０には、第３の絶縁層１３を貫通して外部に突出する突出部１０ａが形成されており、この突出部１０ａを介して、第２の電極取出層１０に対する電気信号の入出力が行われる。
【００７０】
このように、下電極７と第２の電極取出層１０とが同層で設けられていなくても、上電極９が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、図示はしないが、第１の電極取出層４は、圧電体８よりも下方（基板２側）に設けられるのであれば、第２の電極取出層１０よりも上方に設けられていてもよい。この場合でも、上電極９が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００７２】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００７３】
図６は、本実施形態の電気機械変換素子１の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。本実施形態の電気機械変換素子１は、基板２上に、第１の絶縁層３と、第１の電極取出層４と、第２の絶縁層５と、駆動膜６とをこの順で積層して構成されている。ただし、本実施形態では、駆動膜６の圧電体は、分極方向および電界方向が基板２に平行となるように、２つの電極で挟まれて配置されている。
【００７４】
具体的には、駆動膜６は、内電極３１（一方の電極）と、圧電体３２と、外電極３３（他方の電極）とを有している。圧電体３２はリング状に形成されて、第２の絶縁層５上に設けられている。本実施形態では、圧電体３２の分極方向は、図６の矢印で示すように、基板２に平行となっている。
【００７５】
内電極３１は、圧電体３２の内周部、すなわち、圧電体３２の貫通孔３２ａに位置しており、貫通孔３２ａの内面と接触してリング状に形成されている。
【００７６】
外電極３３は、圧電体３２の外周部、すなわち、内電極３１と圧電体３２を介して対向する位置に形成されており、圧電体３２の外周面と接触してリング状に形成されている。外電極３３は、第２の絶縁層５上に設けられた第２の電極取出層１０と導通しており、一部は第２の電極取出層１０と同層で設けられている。また、外電極３３は、連結部２１よりも大径で構成されて、連結部２１とは非接触で配置されている。
【００７７】
第１の電極取出層４は、圧電体３２よりも基板２側に位置している。第１の電極取出層４には、貫通孔４ｂが形成されており、連結部２１が、圧電体３２の貫通孔３２ａ、第２の絶縁層５の貫通孔５ａおよび第１の電極取出層４の貫通孔４ｂを通ってこれらの内面と接触するように筒状に設けられている。したがって、連結部２１は、圧電体３２を基板２に垂直な方向に貫通している。この構成により、内電極３１と第１の電極取出層４とが連結部２１を介して連結されている。なお、第１の電極取出層４に貫通孔４ｂを形成せずに、第１の電極取出層４の上面に連結部２１が当接する構成となっていてもよい。
【００７８】
本実施形態では、連結部２１は、内電極３１と同一の金属材料で形成されており、連結部２１の一部が内電極３１を兼ねている。このため、圧電体３２の内径（連結部２１の外径）を例えば２０〜３０μｍに広げて、連結部２１と圧電体３２との接触面積（内電極３１と圧電体３２との接触面積）を増やしている。
【００７９】
上記の構成において、駆動膜６の圧電体３２は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に平行となるように、内電極３１および外電極３３で挟まれて配置されている。この構成では、駆動膜６の内電極３１および外電極３３との間に電圧を印加すると、圧電体３２が圧電効果により、基板２に垂直な方向、つまり、分極方向および電界方向に垂直なｄ３１方向に伸縮するとともに、基板２に平行な方向、つまり、分極方向および電界方向に平行なｄ３３方向に伸縮する。
【００８０】
このように圧電体３２が伸縮すると、従動膜であるＳｉ基板１２との長さの違いによって、駆動膜６に曲率が生じ、駆動膜６が基板２に垂直な方向（上下方向）に変位する。これにより、圧力室１１ａ内の圧力を高めて、圧力室１１ａから図示しないノズルを介してインクを吐出させることができる。
【００８１】
本実施形態では、第１の電極取出層４は、圧電体３２よりも下方、つまり、基板２側に位置している。そして、内電極３１は、圧電体３２を貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。これにより、素子表面に、圧電体３２の上面（基板２と反対側の面）から圧電体３２の外表面に沿うような配線を設けることなく、内電極３１を取り出すことができる。つまり、連結部２１および第１の電極取出層４を介して、内電極３１に電圧を印加することが可能となる。
【００８２】
したがって、上記配線に起因するような特性劣化や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子１を実現することができる。
【００８３】
また、圧電体に対する駆動電界（電圧）を一定とした場合、圧電体のｄ３１方向の変位は、ｄ３３方向の変位の１／３〜１／２と小さい。したがって、分極方向および電界方向が基板２と平行になるように圧電体３２を配置して、ｄ３３方向の変位を利用して駆動膜６を上下方向に変位させることにより、実施の形態１のように、分極方向および電界方向が基板２と垂直となるように圧電体８を配置して、ｄ３１方向の変位を利用して駆動膜６を上下方向に変位させる構成に比べて、駆動膜６を上下方向に大きく変位させることができる。これにより、電気機械変換素子１としての出力や感度を増大させることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、特に、内電極３１が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されているので、素子表面に内電極３１の取り出し用の配線を設けることなく、内電極３１を取り出して、圧電体３２のｄ３３変形を利用した駆動を実現することができる。
【００８５】
また、連結部２１の一部は内電極３１を兼ねているので、連結部２１と内電極３１とを別々に構成する場合に比べて、素子の構成を簡素化することができる。
【００８６】
ところで、図７は、本実施形態の電気機械変換素子１の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。同図のように、連結部２１は筒状ではなく、棒状に形成されていてもよい。したがって、連結部２１の一部を構成する内電極３１は、リング状ではなく、棒状に形成されていてもよい。この場合でも、内電極３１が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００８７】
なお、上述した各実施の形態では、電気機械変換素子１をインクジェットプリンタのアクチュエータとして用いた例について説明したが、電気機械変換素子１をセンサとして用いることもできる。つまり、電気機械変換素子１の駆動膜６に対して外部から圧力が加わると、駆動膜６に曲率が生じて応力が働き、圧電効果によって駆動膜６に電界が生じる。したがって、駆動膜６に生じた電界の振幅、周期、位相を、駆動膜６の２つの電極を介して検出することにより、電気機械変換素子１を圧力、振動、音波などを検知するセンサとしても用いることができる。このように、電気機械変換素子１をセンサとして用いる場合でも、圧電体の上面から外表面に沿う配線を設けなくても済むので、上記配線による特性低下を回避して、素子の信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の電気機械変換素子は、例えば、インクジェットプリンタのアクチュエータや各種のセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 電気機械変換素子
２ 基板
４ 第１の電極取出層
７ 下電極（他方の電極）
８ 圧電体
８ａ 貫通孔
９ 上電極（一方の電極）
１０ 第２の電極取出層
２１ 連結部
３１ 内電極（一方の電極）
３２ 圧電体
３２ａ 貫通孔
３３ 外電極（他方の電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の圧電効果を利用して駆動される電気機械変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を基板の上に薄膜状に形成したカンチレバー（片持ち梁）構造の電気機械変換素子が知られている。この構造では、薄膜の面に沿う伸縮変形を、面に垂直な方向の変位に効率よく変換することができるため、感度の高いセンサやアクチュエータを構成することができる。しかし、梁の先端が拘束されていないため、剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという課題がある。
【０００３】
この課題を解決するために、変位膜の両端を固定した両持ち梁構造や、変位膜の周縁を固定したダイアフラム（横隔膜）構造の電気機械変換素子が提案されている。この構造では、変位膜の剛性が高くなるため、発生圧力を大きくできる、外力に対してより安定して変形できる、変位膜の中心部を基板に平行に移動できる、密閉構造により気体や液体を輸送するポンプに活用できる、等の利点がある。
【０００４】
このような電気機械変換素子は、例えばインクジェットプリンタに応用することができる。インクジェットプリンタは、液体インクを吐出する複数のチャネル（圧力室）を備えており、紙や布等の記録メディアに対して相対的に移動しながら、インクの吐出を制御することにより、二次元の画像を出力する。このようなプリンタで画像を高速に描画するには、チャネルを記録メディアの幅全体に並べて、一方向に走査するラインヘッド方式が望ましい。
【０００５】
また、ラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を図るには、チャネルをできるだけ小さくして、ヘッドに、小型のチャネルを二次元に高密度に配置することが望ましい。例えば特許文献１では、正方形のチャネルを千鳥配置することによって、チャネルを高密度に配置している。
【０００６】
以下、インクジェットプリンタに応用されるダイアフラム構造の電気機械変換素子について、さらに詳細に説明する。図８は、従来のダイアフラム構造の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。この電気機械変換素子では、基板１０１上に、従動膜１０２と、駆動膜１０３とがこの順で積層されている。
【０００７】
基板１０１には、インクを収容する圧力室１０１ａが形成されており、従動膜１０２は圧力室１０１ａの上壁を構成している。駆動膜１０３は、下電極１０４と、圧電体１０５と、上電極１０６とを有している。下電極１０４の上面および圧電体１０５の側面は、絶縁膜１０７で覆われている。そして、下電極１０４は、絶縁膜１０７に設けられた貫通孔１０７ａを介して、絶縁膜１０７の表面に引き出されている。
【０００８】
圧電体１０５は、圧力室１０１ａの上部に位置しており、基板１０１に垂直な方向（図８の矢印方向）に分極している。上電極１０６は、絶縁膜１０７の表面に沿って設けられる配線１０６ａにより、圧電体１０５の上面から圧力室１０１ａの外部に引き出されている。
【０００９】
この構成では、上電極１０６および下電極１０４に電圧を印加すると、圧電体１０５が圧電効果により伸縮し、駆動膜１０３には、従動膜１０２との長さの違いによって曲率が生じる。これにより、駆動膜１０３が基板１０１に垂直な方向に変位する。したがって、圧力室１０１ａにインクを充填しておけば、駆動膜１０３の変位によって圧力室１０１ａ内の圧力が高まるため、圧力室１０１ａからインクを吐出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３１６８４７４号公報（請求項１、図１等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、駆動膜の圧電体は、バルクセラミックスで構成されるものと、薄膜で構成されるものとの２種類が存在する。バルクセラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料の結晶粒を粒径数μｍの粉末に加工し、溶剤でペースト化してシート状に焼成して作製する。この場合、形成できるシートの厚みは、最小でも５０〜１００μｍであり、これよりもシートを薄くすると、シートに亀裂が入り、使用することができなくなる。
【００１２】
このように、圧電体をバルクセラミックスで構成すると、圧電体の厚みが大きいため、曲げ剛性が大きくなる。このため、必要な変位量を得るためには、圧力室の直径をｍｍオーダーに大きくする必要があり、チャネルを小型化することができなくなる。なお、必要な変位量とは、例えばインクジェットプリンタでは、吐出するインクの量を決める変位体積に相当する。
【００１３】
一方、圧電体を薄膜で構成する場合は、ＰＺＴなどの圧電材料を、ＰＶＤやＣＶＤ、ゾルゲル法などにより、基板上に数μｍの厚さで形成する。圧電体の厚みが小さいため、曲げ剛性が小さく、圧力室の直径をバルクセラミックスの１／１０程度に小さくすることができる。これにより、チャネルを高密度に配置でき、低コスト、高解像度を実現することができる。
【００１４】
ところが、圧電体を薄膜で構成すると、上電極の取り出し方が問題となる。すなわち、バルクセラミックスからなる圧電体は、厚くて丈夫であるため、圧電体上の電極（上電極）上に直接ワイヤーをボンディングして配線を引き出す（上電極を取り出す）ことができる。しかし、薄膜からなる圧電体は薄くて脆いため、ワイヤーボンディングにおける溶着時の圧力や超音波振動に耐えることができない。その結果、圧電体が薄膜の場合は、上電極をワイヤーボンディングによって取り出すことはできない。
【００１５】
そこで、図８で示したように、下電極１０４の上面と圧電体１０５の側面とを絶縁膜１０７で覆い、絶縁膜１０７上の配線１０６ａによって、上電極１０６の一部をチャネルの外へ取り出す手法が用いられる。つまり、配線１０６ａにより、圧電体１０５の上面（基板１０１とは反対側の面）から圧電体１０５の外表面に沿って上電極１０６が引き出される。
【００１６】
ところが、駆動膜１０３の変位方向は、基板１０１に垂直な上下方向であるため、図８のように、圧電体１０５の上面から圧電体１０５の外表面に沿って上電極１０６を引き出す構成では、上電極１０６と連続した最上層の配線１０６ａが駆動膜１０３の上下方向の変位を阻害する。その結果、駆動膜１０３の上下方向の変位量が低下し、素子としての特性が低下する。また、圧力室１０１ａの周縁部付近では、駆動膜１０３の変形が大きいため、その周縁部に位置する配線１０６ａに働く応力も大きくなり、配線１０６ａに亀裂や剥離が生じる恐れがある。このような、素子としての特性低下や配線の劣化は、電気機械変換素子としての信頼性を低下させる要因となる。
【００１７】
なお、このような問題は、分極方向と電界方向とが基板に垂直となるように圧電体を配置した場合（図８参照）のみならず、分極方向と電界方向とが基板に平行となるように圧電体を配置した場合でも、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿って一方の電極を取り出す場合には、同様に起こり得る。
【００１８】
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、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿うような配線を設けることなく、圧電体を挟む一方の電極を取り出すことができ、これによって、素子としての信頼性を向上させることができる電気機械変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の電気機械変換素子は、薄膜からなる圧電体と、前記圧電体を挟む２つの電極と、一方の電極と導通する第１の電極取出層と、他方の電極と導通する第２の電極取出層とを基板上に有し、前記第１の電極取出層は、前記圧電体よりも前記基板側に位置しており、前記一方の電極は、前記圧電体を前記基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、前記第１の電極取出層と連結されていることを特徴としている。
【００２０】
例えば、圧電体の分極方向および電界方向が基板に対して垂直となるように、圧電体を２つの電極で挟んで配置した場合、一方の電極（例えば上電極）は、圧電体を基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、圧電体よりも基板側（下方）に位置する第１の電極取出層と連結されることになる。また、例えば、圧電体をリング状に形成してその外周部および内周部に電極を配置し、圧電体の分極方向および電界方向が基板に平行となるように、圧電体を２つの電極で挟んで配置した場合でも、一方の電極（例えば内電極）は、連結部を介して、下方の第１の電極取出層と連結されることになる。
【００２１】
このように、一方の電極（上電極、内電極）が、圧電体を貫通する連結部を介して、下方の第１の電極取出層と連結されることにより、素子表面に、圧電体の上面（基板と反対側の面）から圧電体の外表面に沿うような配線を設けることなく、一方の電極を取り出すことができる。したがって、上記配線を設けることによる問題（特性の低下や配線の劣化）が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子を実現することができる。
【００２２】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に対して垂直となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていてもよい。
【００２３】
圧電体の分極方向および電界方向が基板に対して垂直の場合、分極方向（電界方向）に垂直な方向（ｄ３１方向）の圧電体の変形（ｄ３１変形）を利用して、電気機械変換素子を駆動することができる。
【００２４】
本発明の電気機械変換素子において、前記一方の電極は、前記圧電体に対して前記基板とは反対側に位置する上電極で構成されており、前記他方の電極は、前記圧電体に対して前記基板側に位置する下電極で構成されていてもよい。
【００２５】
上電極が、圧電体を貫通する連結部を介して、圧電体よりも下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に上電極の取り出し用の配線を設けることなく、上電極を取り出すことができる。これにより、圧電体のｄ３１変形を利用した電気機械変換素子において、上記配線による圧電体の変位量の低下を回避して、特性の低下を回避することができる。
【００２６】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に平行となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていてもよい。
【００２７】
圧電体の分極方向および電界方向が基板に平行な場合、分極方向（電界方向）に平行な方向（ｄ３３方向）の圧電体の変形（ｄ３３変形）を利用して、電気機械変換素子を駆動することができる。また、同じ条件（例えば同じ駆動電界）では、ｄ３３方向の圧電体の変位量は、ｄ３１方向の圧電体の変位量よりも大きいため、電気機械変換素子としての出力や感度を増大させることができる。
【００２８】
本発明の電気機械変換素子において、前記圧電体には、前記連結部が挿通される貫通孔が形成されており、前記一方の電極は、前記圧電体の前記貫通孔に位置して、前記連結部の一部を兼ねる内電極で構成されており、前記他方の電極は、前記内電極と前記圧電体を介して対向する外電極で構成されていてもよい。
【００２９】
圧電体の貫通孔に位置する内電極が、連結部を介して、圧電体よりも下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に内電極の取り出し用の配線を設けることなく、内電極を取り出すことができる。これにより、圧電体のｄ３３変形を利用した電気機械変換素子において、上記配線による圧電体の変位量の低下を回避して、特性の低下を回避することができる。また、内電極が連結部の一部を兼ねているので、素子の構成を簡素化することができる。
【００３０】
本発明の電気機械変換素子において、前記他方の電極は、前記連結部と非接触で配置されていることが望ましい。
【００３１】
この場合、一方の電極を、連結部を介して、他方の電極と接触させることなく第１の電極取出層と導通させることができ、一方の電極と他方の電極との絶縁性を確保することができる。
【００３２】
本発明の電気機械変換素子において、前記第２の電極取出層は、前記他方の電極の少なくとも一部と同層に設けられていてもよい。
【００３３】
他方の電極の形成（成膜）の際に、第２の電極取出層を同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、一方の電極が、圧電体を貫通する連結部を介して、圧電体下方の第１の電極取出層と連結されているので、素子表面に圧電体の上面から圧電体の外表面に沿う配線を設けることなく、一方の電極を取り出すことができる。したがって、上記配線を設けることによる特性の低下や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】上記電気機械変換素子の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図６】本発明の実施の形態２の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図７】上記電気機械変換素子の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【図８】従来の電気機械変換素子の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔実施の形態１〕
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。
【００３７】
（電気機械変換素子の構成）
図１は、本実施形態の電気機械変換素子１の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。電気機械変換素子１は、基板２上に、第１の絶縁層３と、第１の電極取出層４と、第２の絶縁層５と、駆動膜６とをこの順で積層して構成されている。駆動膜６は、基板２側から、下電極７と、圧電体８と、上電極９とを有している。
【００３８】
基板２は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板１１・１２が接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。一方のＳｉ基板１１には、断面円形の圧力室１１ａが形成されており、ここに例えばインクが充填される。他方のＳｉ基板１２は、圧力室１１ａの上壁を構成しているとともに、駆動膜６の変位に伴って変位する従動膜を構成している。なお、基板２は、１枚のＳｉ基板を所定形状に加工することにより、圧力室１１ａおよび従動膜を有する基板として構成されてもよい。第１の絶縁層３は、Ｓｉ基板１２と第１の電極取出層４とを絶縁する目的で設けられている。
【００３９】
第１の電極取出層４は、駆動膜６の圧電体８を挟む２つの電極の一方（ここでは上電極９）と導通する層である。この第１の電極取出層４は、圧電体８および後述する第２の電極取出層１０よりも下方、すなわち、基板２側に位置している。第１の電極取出層４は、第２の絶縁層５の開口部５ｂから突出する突出部４ａを有しており、この突出部４ａを介して、第１の電極取出層４に対して電気信号の入出力が行われる。
【００４０】
第２の絶縁層５は、第１の電極取出層４と、下電極７、圧電体８および第２の電極取出層１０とを絶縁する目的で設けられている。上記した開口部５ｂは、第２の絶縁層５において、圧力室１１ａの外側に形成されている。
【００４１】
圧電体８は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電材料を薄膜で形成したものである。この圧電体８は、圧力室１１ａの上方に位置しており、上電極９（一方の電極）および下電極７（他方の電極）で挟まれている。上電極９は、圧電体８に対して基板２とは反対側に位置しており、下電極７は、圧電体８に対して基板２側に位置している。したがって、圧電体８の電界方向（電圧印加方向）は、基板２に対して垂直方向となる。
【００４２】
また、図１の構成では、圧電体８は、基板２に垂直な方向（基板面に垂直な方向）に分極されている。なお、図１における矢印は、圧電体８の分極方向を示している。よって、圧電体８は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されていると言うことができる。
【００４３】
第２の絶縁層５上には、第２の電極取出層１０が設けられている。第２の電極取出層１０は、下電極７と同層で設けられて、下電極７と導通している。下電極７に対する電気信号の入出力は、第２の電極取出層１０を介して行われる。
【００４４】
上記した上電極９、圧電体８および第２の絶縁層５には、基板２に垂直な上下方向に貫通する貫通孔９ａ・８ａ・５ａがそれぞれ形成されている。そして、これらの貫通孔９ａ・８ａ・５ａには、貫通方向に伸びる棒状の連結部２１が設けられている。したがって、連結部２１は、圧電体８を基板２に垂直な方向に貫通して設けられていることになる。この連結部２１により、上電極９と第１の電極取出層４とが連結され、電気的に導通している。連結部２１は、例えば上電極９と同じ金属材料で構成される。
【００４５】
なお、貫通孔９ａ・８ａ・５ａの直径（連結部２１の直径）は、使用する電圧、電流、電極材料の充填性などにより決定されるが、例えば５〜１０μｍである。
【００４６】
なお、上電極９に貫通孔９ａを形成せずに、連結部２１の上面と上電極９の下面とを当接させる構成であってもよい。また、上電極９と連結部２１とは一体化されていてもよい。
【００４７】
また、下電極７にも貫通孔７ａが形成されており、この貫通孔７ａに圧電体８が入り込んでいる。下電極７の貫通孔７ａは、圧電体８の貫通孔８ａおよび貫通孔８ａを通る連結部２１よりも大径で形成されており、下電極７は、連結部２１と非接触で配置されている。したがって、上電極９を、連結部２１を介して、下電極７と接触させることなく第１の電極取出層４と導通させることができ、上電極９と下電極７との絶縁性を確保することができる。
【００４８】
なお、貫通孔７ａの直径は、上電極９と下電極７との絶縁性により決定されるが、例えば２０〜５０μｍ程度である。
【００４９】
（電気機械変換素子の製造方法）
次に、上記した構成の電気機械変換素子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（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電気機械変換素子１の製造工程を示す断面図である。
【００５０】
まず、図２（ａ）に示すように、基板２として、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の分野でよく利用されているＳＯＩ基板を用意する。なお、ＳＯＩ基板は、上述したように、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板１１・１２を接合したものである。
【００５１】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板２を加熱炉に入れて１０００℃程度で所定時間保持し、基板２の表面に、厚さが１００ｎｍ程度の熱酸化膜（石英：ＳｉＯ２）からなる第１の絶縁層３を形成する。
【００５２】
続いて、図２（ｃ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱して、スパッタ法でＴｉ／Ｐｔ層を１００ｎｍ程度の厚さで形成し、第１の絶縁層３上に第１の電極取出層４を形成する。
【００５３】
次に、図２（ｄ）に示すように、基板２を６００℃程度に加熱し、スパッタ法でＭｇＯやＳｒＯを１００ｎｍ程度の厚さで成膜し、第１の電極取出層４上に第２の絶縁層５を形成する。
【００５４】
続いて、図３（ａ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱し、スパッタ法でＴｉ／Ｐｔ層を１００ｎｍ程度の厚さで形成し、第２の絶縁層５上に下電極７およびこれと導通する第２の電極取出層１０を同時に形成する。なお、第２の絶縁層５としてのＭｇＯやＳｒＯ、下電極７および第２の電極取出層１０としてのＰｔは、格子定数がＰＺＴと近いため、ＰＺＴの結晶成長を促進する役割も果たす。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示すように、下電極７の中心にウェットエッチング法で直径５０μｍの穴を開けて、貫通孔７ａを形成する。その後、基板２を６００℃程度に加熱し、スパッタ法でチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を３μｍ程度の厚さで成膜し、下電極７の貫通孔７ａ内と、下電極７および第２の電極取出層１０上に、圧電体８を形成する。
【００５６】
続いて、図３（ｃ）に示すように、圧電体８の中心および第２の絶縁層５の中心にウェットエッチング法で直径１０μｍの穴を開けて、貫通孔８ａ・５ａをそれぞれ形成する。
【００５７】
その後、図４（ａ）に示すように、基板２を３００℃程度に加熱し、貫通孔８ａ・５ａ内にスパッタ法でＴｉからなる連結部２１を形成する。そして、連結部２１および圧電体８の上に、Ｔｉ／Ａｕ層を１００ｎｍ程度の厚さで成膜し、上電極９を形成する。
【００５８】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体８と上電極９とをウェットエッチング法で外径が１００μｍとなるように加工する。その後、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１１の中心に反応性イオンエッチング法で直径１２０μｍの穴を開けて、圧力室１１ａを形成する。
【００５９】
最後に、図示はしないが、第２の絶縁層５における圧力室１１ａの外側の位置に開口部５ｂ（図１参照）を形成し、この開口部５ｂ内に第１の電極取出層４と同じ金属材料（例えばＰｔ）をスパッタし、第１の電極取出層４と導通する突出部４ａを形成する。これにより、電気機械変換素子１が完成する。なお、開口部５ｂの上方に位置する下電極７および第２の電極取出層１０については、エッチングによって予め除去しておけばよい。
【００６０】
（動作について）
次に、上記した電気機械変換素子１の動作について説明する。図１において、駆動膜６の圧電体８は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されている。この構成では、駆動膜６の上電極９と下電極７との間に電圧を印加すると、圧電体８が圧電効果により、基板２に垂直な方向、つまり、分極方向および電界方向に平行なｄ３３方向に伸縮するとともに、基板２に平行な方向、つまり、分極方向および電界方向に垂直なｄ３１方向に伸縮する。
【００６１】
このように圧電体８が伸縮すると、従動膜であるＳｉ基板１２との長さの違いによって、駆動膜６に曲率が生じ、駆動膜６が基板２に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室１１ａ内の圧力を高めて、圧力室１１ａから図示しないノズルを介してインクを吐出させることができる。
【００６２】
ここで、本実施形態では、第１の電極取出層４は、圧電体８よりも下方、つまり、基板２側に位置している。そして、上電極９は、圧電体８の内部を貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。これにより、従来のように、素子表面に、圧電体８の上面（基板２と反対側の面）から圧電体８の外表面に沿うような配線を設けることなく、上電極９を取り出すことができる。つまり、圧電体８を貫通する連結部２１、および圧電体８の下方に位置する第１の電極取出層４を介して、上電極９に電圧を印加することが可能となる。
【００６３】
したがって、素子表面に設けられる上記配線に起因するような特性劣化や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子１を実現することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、上電極９を取り出すための第１の電極取出層４が、駆動膜６に対して従動膜側（基板２側）に設けられており、変位する駆動膜６（下電極７よりも基板２と反対側）には設けられていない。これにより、上電極９を取り出すべく、第１の電極取出層４を設ける構成としても、その第１の電極取出層４が駆動膜６の変位を阻害することはない。したがって、第１の電極取出層４を設けることによって、素子の特性が低下することはない。
【００６５】
なお、圧電体８の中心付近の変形は少ないため、圧電体８の中心付近を通る連結部２１は、圧電体８の変形の妨げにはならず、連結部２１を設けることによる特性の低下は生じない。また、圧電体８の変形時に連結部２１に働く力も小さいため、連結部２１の劣化（破損、剥離、亀裂など）が生じることもない。
【００６６】
また、圧電体８は、分極方向および電界方向が基板２に対して垂直となるように、上電極９および下電極７で挟まれて配置されているので、分極方向に垂直な方向（基板２に平行な方向）の圧電体８のｄ３１変形を利用して、電気機械変換素子１を駆動することができる。
【００６７】
しかも、圧電体８を挟む２つの電極のうち、圧電体８に対して基板２とは反対側に位置する上電極９が、連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されているので、素子表面に上電極９の取り出し用の配線を設けることなく、上電極９を取り出して、圧電体８のｄ３１変形による駆動を実現することができる。
【００６８】
また、圧電体８を挟む２つの電極のうち、圧電体８に対して基板２側に位置する下電極７は、第２の電極取出層１０と導通している。この第２の電極取出層１０は、下電極７と同層で設けられているので、下電極７の形成の際に、第２の電極取出層１０を同時に形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
【００６９】
ところで、図５は、本実施形態の電気機械変換素子１の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。同図のように、第２の電極取出層１０は、下電極７よりも下方（基板２側）に設けられていてもよい。この場合、下電極７は、第２の電極取出層１０の上に第３の絶縁層１３を介して形成され、第２の電極取出層１０は、第３の絶縁層１３を貫通する連結部２２を介して下電極７と導通する。また、第２の電極取出層１０には、第３の絶縁層１３を貫通して外部に突出する突出部１０ａが形成されており、この突出部１０ａを介して、第２の電極取出層１０に対する電気信号の入出力が行われる。
【００７０】
このように、下電極７と第２の電極取出層１０とが同層で設けられていなくても、上電極９が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、図示はしないが、第１の電極取出層４は、圧電体８よりも下方（基板２側）に設けられるのであれば、第２の電極取出層１０よりも上方に設けられていてもよい。この場合でも、上電極９が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００７２】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
【００７３】
図６は、本実施形態の電気機械変換素子１の概略の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。本実施形態の電気機械変換素子１は、基板２上に、第１の絶縁層３と、第１の電極取出層４と、第２の絶縁層５と、駆動膜６とをこの順で積層して構成されている。ただし、本実施形態では、駆動膜６の圧電体は、分極方向および電界方向が基板２に平行となるように、２つの電極で挟まれて配置されている。
【００７４】
具体的には、駆動膜６は、内電極３１（一方の電極）と、圧電体３２と、外電極３３（他方の電極）とを有している。圧電体３２はリング状に形成されて、第２の絶縁層５上に設けられている。本実施形態では、圧電体３２の分極方向は、図６の矢印で示すように、基板２に平行となっている。
【００７５】
内電極３１は、圧電体３２の内周部、すなわち、圧電体３２の貫通孔３２ａに位置しており、貫通孔３２ａの内面と接触してリング状に形成されている。
【００７６】
外電極３３は、圧電体３２の外周部、すなわち、内電極３１と圧電体３２を介して対向する位置に形成されており、圧電体３２の外周面と接触してリング状に形成されている。外電極３３は、第２の絶縁層５上に設けられた第２の電極取出層１０と導通しており、一部は第２の電極取出層１０と同層で設けられている。また、外電極３３は、連結部２１よりも大径で構成されて、連結部２１とは非接触で配置されている。
【００７７】
第１の電極取出層４は、圧電体３２よりも基板２側に位置している。第１の電極取出層４には、貫通孔４ｂが形成されており、連結部２１が、圧電体３２の貫通孔３２ａ、第２の絶縁層５の貫通孔５ａおよび第１の電極取出層４の貫通孔４ｂを通ってこれらの内面と接触するように筒状に設けられている。したがって、連結部２１は、圧電体３２を基板２に垂直な方向に貫通している。この構成により、内電極３１と第１の電極取出層４とが連結部２１を介して連結されている。なお、第１の電極取出層４に貫通孔４ｂを形成せずに、第１の電極取出層４の上面に連結部２１が当接する構成となっていてもよい。
【００７８】
本実施形態では、連結部２１は、内電極３１と同一の金属材料で形成されており、連結部２１の一部が内電極３１を兼ねている。このため、圧電体３２の内径（連結部２１の外径）を例えば２０〜３０μｍに広げて、連結部２１と圧電体３２との接触面積（内電極３１と圧電体３２との接触面積）を増やしている。
【００７９】
上記の構成において、駆動膜６の圧電体３２は、分極方向および電界方向が両方とも基板２に平行となるように、内電極３１および外電極３３で挟まれて配置されている。この構成では、駆動膜６の内電極３１および外電極３３との間に電圧を印加すると、圧電体３２が圧電効果により、基板２に垂直な方向、つまり、分極方向および電界方向に垂直なｄ３１方向に伸縮するとともに、基板２に平行な方向、つまり、分極方向および電界方向に平行なｄ３３方向に伸縮する。
【００８０】
このように圧電体３２が伸縮すると、従動膜であるＳｉ基板１２との長さの違いによって、駆動膜６に曲率が生じ、駆動膜６が基板２に垂直な方向（上下方向）に変位する。これにより、圧力室１１ａ内の圧力を高めて、圧力室１１ａから図示しないノズルを介してインクを吐出させることができる。
【００８１】
本実施形態では、第１の電極取出層４は、圧電体３２よりも下方、つまり、基板２側に位置している。そして、内電極３１は、圧電体３２を貫通する連結部２１を介して、第１の電極取出層４と連結されている。これにより、素子表面に、圧電体３２の上面（基板２と反対側の面）から圧電体３２の外表面に沿うような配線を設けることなく、内電極３１を取り出すことができる。つまり、連結部２１および第１の電極取出層４を介して、内電極３１に電圧を印加することが可能となる。
【００８２】
したがって、上記配線に起因するような特性劣化や上記配線の劣化の問題が生じることはなく、信頼性の高い電気機械変換素子１を実現することができる。
【００８３】
また、圧電体に対する駆動電界（電圧）を一定とした場合、圧電体のｄ３１方向の変位は、ｄ３３方向の変位の１／３〜１／２と小さい。したがって、分極方向および電界方向が基板２と平行になるように圧電体３２を配置して、ｄ３３方向の変位を利用して駆動膜６を上下方向に変位させることにより、実施の形態１のように、分極方向および電界方向が基板２と垂直となるように圧電体８を配置して、ｄ３１方向の変位を利用して駆動膜６を上下方向に変位させる構成に比べて、駆動膜６を上下方向に大きく変位させることができる。これにより、電気機械変換素子１としての出力や感度を増大させることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、特に、内電極３１が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されているので、素子表面に内電極３１の取り出し用の配線を設けることなく、内電極３１を取り出して、圧電体３２のｄ３３変形を利用した駆動を実現することができる。
【００８５】
また、連結部２１の一部は内電極３１を兼ねているので、連結部２１と内電極３１とを別々に構成する場合に比べて、素子の構成を簡素化することができる。
【００８６】
ところで、図７は、本実施形態の電気機械変換素子１の他の構成を示す斜視図（一部は断面図）である。同図のように、連結部２１は筒状ではなく、棒状に形成されていてもよい。したがって、連結部２１の一部を構成する内電極３１は、リング状ではなく、棒状に形成されていてもよい。この場合でも、内電極３１が連結部２１を介して第１の電極取出層４と連結されている限り、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００８７】
なお、上述した各実施の形態では、電気機械変換素子１をインクジェットプリンタのアクチュエータとして用いた例について説明したが、電気機械変換素子１をセンサとして用いることもできる。つまり、電気機械変換素子１の駆動膜６に対して外部から圧力が加わると、駆動膜６に曲率が生じて応力が働き、圧電効果によって駆動膜６に電界が生じる。したがって、駆動膜６に生じた電界の振幅、周期、位相を、駆動膜６の２つの電極を介して検出することにより、電気機械変換素子１を圧力、振動、音波などを検知するセンサとしても用いることができる。このように、電気機械変換素子１をセンサとして用いる場合でも、圧電体の上面から外表面に沿う配線を設けなくても済むので、上記配線による特性低下を回避して、素子の信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の電気機械変換素子は、例えば、インクジェットプリンタのアクチュエータや各種のセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 電気機械変換素子
２ 基板
４ 第１の電極取出層
７ 下電極（他方の電極）
８ 圧電体
８ａ 貫通孔
９ 上電極（一方の電極）
１０ 第２の電極取出層
２１ 連結部
３１ 内電極（一方の電極）
３２ 圧電体
３２ａ 貫通孔
３３ 外電極（他方の電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜からなる圧電体と、
前記圧電体を挟む２つの電極と、
一方の電極と導通する第１の電極取出層と、
他方の電極と導通する第２の電極取出層とを基板上に有し、
前記第１の電極取出層は、前記圧電体よりも前記基板側に位置しており、
前記一方の電極は、前記圧電体を前記基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、前記第１の電極取出層と連結されていることを特徴とする電気機械変換素子。
【請求項２】
前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に対して垂直となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
【請求項３】
前記一方の電極は、前記圧電体に対して前記基板とは反対側に位置する上電極で構成されており、
前記他方の電極は、前記圧電体に対して前記基板側に位置する下電極で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換素子。
【請求項４】
前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に平行となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
【請求項５】
前記圧電体には、前記連結部が挿通される貫通孔が形成されており、
前記一方の電極は、前記圧電体の前記貫通孔に位置して、前記連結部の一部を兼ねる内電極で構成されており、
前記他方の電極は、前記内電極と前記圧電体を介して対向する外電極で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換素子。
【請求項６】
前記他方の電極は、前記連結部と非接触で配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電気機械変換素子。
【請求項７】
前記第２の電極取出層は、前記他方の電極の少なくとも一部と同層に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電気機械変換素子。
【請求項１】
薄膜からなる圧電体と、
前記圧電体を挟む２つの電極と、
一方の電極と導通する第１の電極取出層と、
他方の電極と導通する第２の電極取出層とを基板上に有し、
前記第１の電極取出層は、前記圧電体よりも前記基板側に位置しており、
前記一方の電極は、前記圧電体を前記基板に垂直な方向に貫通する連結部を介して、前記第１の電極取出層と連結されていることを特徴とする電気機械変換素子。
【請求項２】
前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に対して垂直となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
【請求項３】
前記一方の電極は、前記圧電体に対して前記基板とは反対側に位置する上電極で構成されており、
前記他方の電極は、前記圧電体に対して前記基板側に位置する下電極で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換素子。
【請求項４】
前記圧電体は、分極方向および電界方向が前記基板に平行となるように、前記２つの電極で挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
【請求項５】
前記圧電体には、前記連結部が挿通される貫通孔が形成されており、
前記一方の電極は、前記圧電体の前記貫通孔に位置して、前記連結部の一部を兼ねる内電極で構成されており、
前記他方の電極は、前記内電極と前記圧電体を介して対向する外電極で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換素子。
【請求項６】
前記他方の電極は、前記連結部と非接触で配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電気機械変換素子。
【請求項７】
前記第２の電極取出層は、前記他方の電極の少なくとも一部と同層に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電気機械変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３３７８３（Ｐ２０１３−３３７８３Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６７９３７（Ｐ２０１１−１６７９３７）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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