(57)【要約】【課題】支持基板の材料の制約を受けることがなく、その支持基板上に成膜される圧電体の膜応力を低減させ、支持基板の変形を抑制可能にする。【解決手段】この圧電アクチュエータ６０は、振動板となるZrO2基板６２上にエアロゾルデポジション法によりＰＺＴ圧電膜６４を成膜して構成されるが、このZrO2基板６２とＰＺＴ圧電膜６４との間にスパッタ法等により所要の厚みをもった白金(Pt)からなる応力バッファ層６６を介在させる。ZrO2の熱膨張係数はＰＺＴの熱膨張係数よりも大きいが、Ptの熱膨張係数はＰＺＴの熱膨張係数よりも小さい。ＰＺＴ圧電膜６４にはZrO2基板６２との熱膨張係数の差等により圧縮応力が働くが、ＰＺＴよりも熱膨張係数の小さい適宜の厚みの応力バッファ層６６を介在させることで、ＰＺＴ圧電膜６４の膜応力を相殺するよういしている。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温よりも高温下で支持基板上に圧電体を成膜してなる圧電アクチュエータにおいて、
前記支持基板と圧電体との間に少なくとも１層以上の熱応力制御層を介在させ、この熱応力制御層により前記圧電体の成膜後の膜応力を低減させることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数と前記支持基板の第２の熱膨張係数とに基づいて選択された熱膨張係数を有す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。
【請求項３】
前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が大きい場合には、前記第２の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が大きい場合には、前記第１の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が小さい場合には、前記第２の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が小さい場合には、前記第１の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記熱応力制御層は、前記熱応力を低減させるために必要な所定の厚みを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記熱応力制御層は、前記圧電体を駆動するための電極を兼ねていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記熱応力制御層と前記圧電体との間には、該圧電体を駆動するための電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記支持基板の厚みは、３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電体の厚みは、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電体は、エアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記エアロゾルデポジション法により形成された圧電体はＰＺＴ圧電膜であり、前記ＰＺＴ圧電膜の結晶ａ軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記熱応力制御層は、スパッタ法、メッキ法、及びエアロゾルデポジション法のうちのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
前記支持基板はジルコニア(ZrO2)であり、前記熱応力制御層は厚みが２〜５μｍの白金(Pt)であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１６】
前記支持基板はジルコニア(ZrO2)であり、前記熱応力制御層は厚みが１〜５μｍのイリジウム(Ir)であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１７】
前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが１０μｍ以下の白金(Pt)であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１８】
前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが１〜５μｍのニッケル(Ni)であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが２〜５μｍの酸化チタン(TiO2)であることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２０】
液体が充填される圧力室と、
前記圧力室から液体を吐出するためのノズルと、
請求項１乃至１９のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記支持基板が、前記圧力室内の容積を変化させて前記ノズルから液体を吐出させるための振動板である圧電アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２１】
支持基板上に１層以上の熱応力制御層を形成する熱応力制御層形成工程と、
エアロゾルデポジション法により圧電原料の粉体を含むエアロゾルを前記熱応力制御層上に噴射し、該熱応力制御層上に粉体を堆積させて圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、を含み、
前記熱応力制御層形成工程は、前記圧電膜の熱応力による前記支持基板の変形を低減させる熱膨張係数及び厚みを有する熱応力制御層を形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドに係り、特に圧電体の成膜に伴う熱応力を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットヘッドの製造方法は、圧電体のバルク研磨品やグリーンシート焼結体を振動板に接着剤により貼り付ける方法が主流であり、圧電体の熱応力を考慮する必要がなかった。
【０００３】
また、特許文献１に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、エピタキシャル基板上に圧電膜をエピタキシャル成長させ、この圧電膜の反対側にシリコン基板を直接接合し、その後、エピタキシャル基板を圧電膜から剥離するようにしている。この場合、圧電膜の形成後に圧電膜とエピタキシャル基板との界面で生じる熱応力は、エピタキシャル基板を取り除くことにより除去することができる。
【０００４】
更に、最近、インクジェットヘッドの高精細化に伴って圧電体も薄膜である必要が生じ、振動板上にスパッタ法で圧電体を形成する例が散見される。
【０００５】
その一方、近年、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system) の分野では、圧電セラミックスを利用したセンサやアクチュエータ等を更に集積化し、実用に供するために成膜によってそれらの素子を作製することが検討されている。その一つとして、セラミックスや金属等の成膜技術として知られているエアロゾルデポジション法（以下、「ＡＤ法」という）が注目されている。
【０００６】
ＡＤ法とは、原料の粉体からエアロゾルを生成し、そのエアロゾルを基板に噴射し、その際の衝突エネルギーにより粉体を堆積させて膜を形成する方法であり、噴射体積法またはガスデポジション法とも呼ばれている。
【０００７】
インクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドを製造する場合において、上記ＡＤ法にて圧電体等を形成することが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−３０９２９９号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６７１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、スパッタ法で振動板上に成膜される圧電体の膜厚は３μｍ程度であり、膜厚が薄いため、膜応力が存在していても顕著な振動板の変形には繋がらず、膜応力制御は特に重要な位置づけではなかった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載のようにＡＤ法によって圧電体等を成膜する場合、緻密構造のＡＤ膜は圧縮応力が強く働き、また、ＡＤ成膜時の温度が約６００°Ｃと高く、圧電体と振動板の熱膨張係数の差から成膜後に熱応力が働き、特に厚み３０μｍ以下の薄い振動板上に成膜すると、振動板が応力変形するという問題が生じる。また、圧電体の膜厚が１μｍ以上、更には１０μｍ程度の膜厚になると、膜応力に伴う変形は更に顕著に生じる。
【００１０】
図１３（Ａ）は振動板１上に成膜された圧電体２に膜応力がなく、振動板１が変形しない理想的な形態を示しており、図１３（Ｂ）は圧電体２に圧縮応力が働き、振動板１が凹凸状に応力変形する形態を示している。
【００１１】
図１３（Ｂ）に示したように振動板１に応力変形が生じると、以下の不具合が生じる。
【００１２】
(1) 振動板１とインク室隔壁３とを接着する際に隙間が生じ、その結果、以下の問題が生じる。
【００１３】
ａ）インク室隔壁３によってインク室４が分離できず、インクが隣接するインク室４間を移動、もしくは隙間に溜まってしまい、ノズルからが吐出するインク量が制御不能になる。
【００１４】
ｂ）振動板１がインク室隔壁３に固定されない部分が生じ、面内の変位体積、トルクにバラツキが生じて、面内のインク吐出ムラによる画像不良が生じる。
【００１５】
ｃ）振動板１とインク室隔壁３との接着固定を確実に行うことができず、経時耐久性が保証できなくなる。
【００１６】
(2) 振動板１に変形が生じることで、インク室４の容量が変化し、仮に同じ変位体積で振動板１を駆動しても吐出インク量にばらつきが生じ、面内のインク吐出ムラによる画像不良が生じる。
【００１７】
(3) 振動板１に変形が生じると、その後の圧電体２を駆動するための電極への配線プロセス等のアライメント精度が出せずに、配線不良が生じる。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、支持基板の材料の制約を受けることがなく、その支持基板上に成膜される圧電体の膜応力を低減させ、支持基板の変形を抑制することができる圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するために請求項１に係る発明は、常温よりも高温下で支持基板上に圧電体を成膜してなる圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板と圧電体との間に少なくとも１層以上の熱応力制御層を介在させ、この熱応力制御層により前記圧電体の成膜後の膜応力を低減させることを特徴としている。
【００２０】
前記支持基板と圧電体との間に熱応力制御層が介在しない場合には、支持基板と圧電体との熱膨張係数の差、及び常温と成膜時との温度差によって圧電体の成膜後に常温に戻るときに圧電体に熱応力が作用し、また、圧電体自体にも応力 (圧縮応力）が働いているが、前記熱応力制御層を介在させることにより、圧電体の膜応力を低減させて支持基板の変形を抑制するようにしている。尚、圧電体の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する支持基板を選択することにより、圧電体の熱応力を低減させることが考えられるが、この場合には、支持基板の耐久性や加工適正、振動適正 (ヤング率など）の他に熱膨張係数の制約も受けることになる。本発明は、支持基板の熱膨張係数の制約がなく、支持基板として使用可能な材料の自由度が広がる。
【００２１】
請求項２に示すように請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数と前記支持基板の第２の熱膨張係数とに基づいて選択された熱膨張係数を有することを特徴としている。即ち、前記熱応力制御層としては、前記圧電体の熱応力を低減する熱膨張係数を有するものが選択される。
【００２２】
請求項３に示すように請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が大きい場合には、前記第２の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴としている。これにより、前記圧電体と支持基板上の熱応力制御層との熱膨張係数の差を小さくするようにしている。
【００２３】
請求項４に示すように請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が大きい場合には、前記第１の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴としている。この熱応力制御層によりに前記圧電体の圧電真応力と熱応力を相殺するようにしている。
【００２４】
請求項５に示すように請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が小さい場合には、前記第２の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有することを特徴としている。これにより、前記圧電体と支持基板上の熱応力制御層との熱膨張係数の差を小さくするようにしている。
【００２５】
請求項６に示すように請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体の第１の熱膨張係数よりも前記支持基板の第２の熱膨張係数が小さい場合には、前記第１の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有することを特徴としている。この熱応力制御層によりに前記圧電体の圧電真応力と熱応力を相殺するようにしている。
【００２６】
請求項７に示すように請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記熱応力を低減させるために必要な所定の厚みを有することを特徴としている。前記熱応力制御層の厚みが増すにつれて、前記支持基板の熱膨張係数よりも熱応力制御層の熱膨張係数が支配的になる。
【００２７】
請求項８に示すように請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、前記圧電体を駆動するための電極を兼ねていることを特徴としている。
【００２８】
請求項９に示すように請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層と前記圧電体との間には、該圧電体を駆動するための電極が形成されていることを特徴としている。尚、この電極も厚さによっては、熱応力制御層の一部としてみなすことができる。
【００２９】
請求項１０に示すように請求項１乃至９のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板の厚みは、３０μｍ以下であることを特徴としている。
【００３０】
請求項１１に示すように請求項１乃至１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体の厚みは、１μｍ以上であることを特徴としている。
【００３１】
即ち、高精細かつ高トルクの圧電インクジェットヘッドを実現するための圧電アクチュエータとしては、厚みの３０μｍ以下 (好ましくは１５μｍ程度）の薄い支持基板 (振動板）上に１μｍ以上（好ましくは１０μｍ程度）の圧電体厚膜を直接成膜することが重要である。
【００３２】
請求項１２に示すように請求項１乃至１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、エアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴としている。前記圧電体をエアロゾルデポジション法により成膜することで、例えば、スパッタ法では成膜できない厚さの圧電体を成膜することができる。
【００３３】
請求項１３に示すように請求項１２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記エアロゾルデポジション法により形成された圧電体はＰＺＴ圧電膜であり、前記ＰＺＴ圧電膜の結晶ａ軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲であることを特徴としている。前記ＰＺＴ圧電膜の結晶ａ軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲にあれば、ＰＺＴ圧電膜の膜応力は支持基板を大きく変形させることがない。
【００３４】
請求項１４に示すように請求項１乃至１３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記熱応力制御層は、スパッタ法、メッキ法、及びエアロゾルデポジション法のうちのいずれかにより形成されていることを特徴としている。尚、エアロゾルデポジション法により熱応力制御層を成膜する場合には、熱応力制御層に膜応力が生じないようにする必要がある。例えば、圧電膜のように緻密構造に成膜しないようにしたり、膜厚や材料を選択する。
【００３５】
請求項１５に示すように請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板はジルコニア(ZrO2)であり、前記熱応力制御層は厚みが２〜５μｍの白金(Pt)であることを特徴としている。通常、電極として形成されている白金(Pt)は、１００ｎｍであるが、熱応力制御層としての機能するためには、２〜５μｍ程度の厚みが必要となる。また、この厚みの範囲の熱応力制御層は、スパッタ法によって形成することができる。
【００３６】
請求項１６に示すように請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板はジルコニア(ZrO2)であり、前記熱応力制御層は厚みが１〜３μｍのイリジウム(Ir)であることを特徴としている。PtよりもIrの方が熱膨張係数が小さいため、Ir熱応力制御層の厚みをPt熱応力制御層よりも薄くできる。
【００３７】
請求項１７に示すように請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが１０μｍ以下の白金(Pt)であることを特徴としている。
【００３８】
請求項１８に示すように請求項１乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが１〜５μｍのニッケル(Ni)であることを特徴としている。
【００３９】
請求項１９に示すように請求項９乃至１４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板はシリコン(Si)であり、前記熱応力制御層は厚みが２〜５μｍの酸化チタン(TiO2)であることを特徴としている。NiよりもTiO2の方が熱膨張係数が小さいため、TiO2熱応力制御層の厚みは、Ni熱応力制御層の厚みよりも厚くなる。
【００４０】
請求項２０に係る液体吐出ヘッドは、液体が充填される圧力室と、前記圧力室から液体を吐出するためのノズルと、請求項１乃至１９のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記支持基板が、前記圧力室内の容積を変化させて前記ノズルから液体を吐出させるための振動板である圧電アクチュエータと、を備えたことを特徴としている。この液体吐出ヘッドは、高精細かつ高トルクを実現することができる。
【００４１】
請求項２１に係る圧電アクチュエータの製造方法は、支持基板上に１層以上の熱応力制御層を形成する熱応力制御層形成工程と、エアロゾルデポジション法により圧電原料の粉体を含むエアロゾルを前記熱応力制御層上に噴射し、該熱応力制御層上に粉体を堆積させて圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、を含み、前記熱応力制御層形成工程は、前記圧電膜の熱応力による前記支持基板の変形を低減させる熱膨張係数及び厚みを有する熱応力制御層を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、支持基板とこの支持基板上に直接成膜される圧電体との間に熱応力制御層を形成するようにしたため、支持基板上に成膜される圧電体の膜応力を低減させることができ、これにより支持基板の変形を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下添付図面に従って本発明に係る圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドの好ましい実施の形態について詳説する。
【００４４】
［インクジェット記録装置の概要］
まず、本発明に係る液体吐出ヘッドを適用するインクジェット記録装置の概要について説明する。
【００４５】
図１はインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色ごとに設けられた複数の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙを有する印字部１２と、各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６と、を備えている。
【００４６】
給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。
【００４７】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター（第１のカッター）２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置される。尚、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。
【００４８】
デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。
【００４９】
ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。
【００５０】
ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（不図示）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は図１の左から右へと搬送される。
【００５１】
縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。
【００５２】
吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
【００５３】
印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙは、図２に示したように、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
【００５４】
記録紙１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。
【００５５】
印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのラインセンサを含み、該ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。
【００５６】
印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
【００５７】
後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
【００５８】
こうして生成されたプリント物はカッター２８によって所定のサイズに切断された後、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。尚、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。
【００５９】
［エアロゾルデポジション法（以下、「ＡＤ法」という）による成膜方法］
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの製造に使用するＡＤ法による成膜方法について説明する。
【００６０】
図３はＡＤ法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体５１を配置するエアロゾル生成容器５２を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。
【００６１】
エアロゾル生成容器５２には、キャリアガス導入部５３、エアロゾル導出部５４、振動部５５が設けられている。キャリアガス導入部５３から窒素ガス（Ｎ2 ）等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器５２内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部５５によってエアロゾル生成容器５２に振動を与えることにより、原料の粉体が攪拌され、効率よくエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部５４を通って成膜チャンバ５６に導かれる。
【００６２】
成膜チャンバ５６には、排気管５７、ノズル５８、可動ステージ５９が設けられている。排気管５７は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ５６内を排気する。エアロゾル生成容器５２において生成され、エアロゾル導出部５４を通って成膜チャンバ５６に導かれたエアロゾルは、ノズル５８から支持基板５０に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が支持基板５０上に衝突して堆積する。支持基板５０は、３次元に移動可能な可動ステージ５９に載置されており、可動ステージ５９を制御することにより、支持基板５０とノズル５８との相対的位置が調節される。
【００６３】
［圧電体及び支持基板の目標厚］
高精細の液体吐出ヘッドを実現するために圧電体寸法を３００μｍ角、支持基板 (振動板）寸法を５００μｍ角とする。
【００６４】
図４（Ａ）は上記条件下でのジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体の厚みと、変位体積及び発生圧との関係を示すグラフであり、同図（Ｂ）は振動板の厚みと、変位体積及び発生圧との関係を示すグラフである。
【００６５】
図４（Ａ）に示すように液体吐出ヘッドの液滴サイズ（体積目標）をｘピコリットル（ｐｌ）、圧力目標をｙメガパスカル（Ｍｐａ）とすると、体積目標及び圧力目標の両者を満足するＰＺＴの厚みは１０μｍとなる。
【００６６】
同様に、図４（Ｂ）に示しように体積目標をｘ（ｐｌ）、圧力目標をｙ（Ｍｐａ）とすると、体積目標及び圧力目標の両者を満足する振動板の厚みは１５μｍとなる。
【００６７】
振動板上にＰＺＴを直接成膜する際に、スパッタ法で成膜可能な厚みは３μｍ程度であるため、上記のように１０μｍのＰＺＴ膜を成膜するには、ＡＤ法による成膜が好適である。
【００６８】
［圧電アクチュエータの構造］
上述したように１５μｍ厚の振動板上にＡＤ法によって１０μｍ厚のＰＺＴ圧電膜を成膜すると、緻密構造のＰＺＴ圧電膜は、ＰＺＴ圧電膜自体に圧縮応力が強く働くとともに、ＰＺＴ圧電膜と振動板との熱膨張係数の差により熱応力が働き、このＰＺＴ圧電膜の膜応力により振動板が応力変形する。そこで、本発明は、振動板とＰＺＴ圧電膜との間に熱応力制御層を介在させ、その熱応力制御層の熱膨張係数と厚みを変えることで、ＰＺＴ圧電膜の膜応力の低減（振動板の応力変形の抑制）を図るようにしている。
【００６９】
（第１実施例）
〈圧電体よりも振動板の熱膨張係数が大きい場合〉
圧電体よりも振動板の熱膨張係数が大きい場合、振動板よりも熱膨張係数の小さい材料からなる薄膜、好ましくは圧電体よりも熱膨張係数の小さい材料からなる熱応力制御層 (応力バッファ層）を事前に振動板上に形成する。
【００７０】
図５は圧電アクチュエータの第１実施例を示す要部断面図である。図５に示すように、この圧電アクチュエータ６０は、振動板がジルコニア(ZrO2)基板６２（熱膨張係数：9.9×10-6／°Ｃ）、圧電体がＰＺＴ圧電膜６４（熱膨張係数：9.5×10-6／°Ｃ）からなり、ZrO2基板６２とＰＺＴ圧電膜圧力６４との間に、ＰＺＴよりも熱膨張係数が小さい白金(Pt)（熱膨張係数：8.8×10-6／°Ｃ）からなる応力バッファ層６６が形成されている。
【００７１】
前記応力バッファ層６６は、スパッタ法、メッキ法、若しくはＡＤ法によりZrO2基板６２上に形成され、ＰＺＴ圧電膜６４は、ＡＤ法により応力バッファ層６４上に形成される。尚、ＡＤ法での成膜時の温度は、約６００°Ｃである。
【００７２】
図６はZrO2基板６２上にＰＺＴ圧電膜６４を成膜した場合の膜応力と応力バッファ層６６の膜厚との関係を示すグラフである。尚、同図のグラフ上の目標膜応力（４０ＭＰａ）は、基板変形を１０μｍ（接着剤の厚さに相当）以下にすることができる膜応力を目標値としている。
【００７３】
図６のグラフに示すように応力バッファ層６６の膜厚が０のとき（即ち、応力バッファ層６６を形成しないとき）、ＰＺＴ圧電膜６４の膜応力 (圧縮応力）は最大となり、応力バッファ層６６の膜厚が厚くなるにしたがって、Pt基板上に成膜された膜状況に近くなり、仮想Pt基板に対する膜応力に近くなっていく様子が分かる。
【００７４】
図６に示すグラフによれば、応力バッファ層６６の膜厚を２μｍにすると、目標膜応力（−４０ＭＰａ）に達することが分かる。
【００７５】
一方、図７は振動板（支持基板）の熱膨張係数とＰＺＴ圧電膜の膜応力との関係を示すグラフである。
【００７６】
図７のグラフから支持基板の熱膨張係数が約８×10-6／°Ｃのときに、ＰＺＴ圧電膜の膜応力が０になる。この場合の支持基板の熱膨張係数（約８×10-6／°Ｃ）は、ＰＺＴ圧電膜の熱膨張係数（9.5×10-6／°Ｃ）よりも小さく、ＰＺＴ圧電膜の熱膨張係数と一致していない。これは、ＡＤ法によって成膜される緻密構造のＰＺＴ圧電膜には大きな圧縮応力が働いているためであり、ＰＺＴ圧電膜の膜応力を０にすることができる支持基板の熱膨張係数は、前記圧縮応力を熱応力で相殺可能な値（約８×10-6／°Ｃ）であり、ＰＺＴ圧電膜の熱膨張係数よりも小さい値となっている。
【００７７】
図７のグラフ上で熱膨張係数が Pt に相当する8.8×10-6／°Ｃの支持基板とした場合の予想膜応力は、−６０ＭＰａであり、ZrO2基板６２上にPtの応力バッファ層６６を形成した場合の実験結果とほぼ一致する。
【００７８】
このように圧電体よりも振動板の熱膨張係数が大きい場合には、振動板と圧電体との間に圧電体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する薄膜（応力バッファ層）を形成し、その厚みをコントロールすることで、圧電膜真応力を熱応力で緩和できることが確認された。
【００７９】
ただし、図６からも明らかなように２μｍの厚さの白金(Pt)では、熱応力による引っ張り応力が十分でないため、ＰＺＴ圧電膜の圧縮応力は完全には相殺されていない。ZrO2基板６２上にＰＺＴ圧電膜６４を成膜する場合、白金(Pt)の熱膨張係数（8.8×10-6／°Ｃ）よりも熱膨張係数の小さい応力バッファ層の導入が膜応力相殺の実現には有効であり、例えば、膜厚１〜５μｍのイリジウム(Ir)（熱膨張係数：6.5×10-6／°Ｃ）が有効である。
【００８０】
（第２実施例）
〈圧電体よりも振動板の熱膨張係数が小さい場合〉
圧電体よりも振動板の熱膨張係数が小さい場合、振動板よりも熱膨張係数の大きい材料からなる薄膜、好ましくは圧電体よりも熱膨張係数の大きい材料からなる熱応力制御層 (応力バッファ層）を事前に振動板上に形成する。
【００８１】
図８は圧電アクチュエータの第２実施例を示す要部断面図である。図８に示すように、この圧電アクチュエータ７０は、振動板がシリコン(Si)基板７２（熱膨張係数：3.5×10-6／°Ｃ）、圧電体がＰＺＴ圧電膜６４（熱膨張係数：9.5×10-6／°Ｃ）からなり、Si基板７２とＰＺＴ圧電膜圧力６４との間に、Siよりも熱膨張係数が大きい白金(Pt)（熱膨張係数：8.8×10-6／°Ｃ）からなる応力バッファ層７４が形成されている。尚、Si基板７２上に応力バッファ層７４及びＰＺＴ圧電膜６４を形成する方法は、図５に示した第１実施例と同様のため、その説明は省略する。
【００８２】
図９はSi基板７２とＰＺＴ圧電膜６４との間に応力バッファ層７４を介在させた場合の該応力バッファ層７４の膜厚とSi基板７２の応力変形量との関係を示すグラフである。
【００８３】
Ptの応力バッファ層７４が形成されない場合は、Si基板７２とＰＺＴ圧電膜６４との熱膨張係数の差に伴う熱応力による引っ張り応力が強く、変形量も大きいが、応力バッファ層７４の厚みが増えるにしたがって応力バッファ層７４の熱膨張係数が支配的になる。
【００８４】
図９のグラフによれば、Ptの応力バッファ層７４が９μｍほどの厚みになると、ＰＺＴ圧電膜６４の膜応力が相殺され、応力変形量が０になることが分かる。
【００８５】
尚、Ptの熱膨張係数（8.8×10-6／°Ｃ）は、Siの熱膨張係数（3.5×10-6／°Ｃ）よりも大きいが、ＰＺＴの熱膨張係数（9.5×10-6／°Ｃ）よりも小さい。従って、Ptの応力バッファ層７４からはＰＺＴ圧電膜６４に対して圧縮方向の熱応力は働かないが、ＰＺＴ圧電膜６４がSi基板７２上に直接成膜される場合に比べて引っ張り方向の熱応力を緩和させることができる。図７で説明したようにＰＺＴ圧電膜６４にはもともと圧縮応力が強く働いているため、前記Ptの応力バッファ層７４により引っ張り方向の熱応力を緩和させることで、前記ＰＺＴ圧電膜６４の圧縮応力を、前記緩和された熱応力（引っ張り応力）で相殺することができる。
【００８６】
また、Ptの応力バッファ層７４の代わりに、Ptよりも大きな熱膨張係数、好ましくはＰＺＴよりも大きな熱膨張係数の材料（例えば、ニッケル（Ni) （熱膨張係数：13×10-6／°Ｃ）) からなる応力バッファ層を導入することにより、Ptの応力バッファ層７４よりも薄い膜厚の応力バッファ層でＰＺＴ圧電膜６４の応力相殺を実現することが予測される。即ち、圧電体よりも振動板の熱膨張係数が小さい場合、振動板と圧電体との間に圧電体よりも熱膨張係数の大きい材料からなる応力バッファ層を形成し、その厚みをコントロールすることで圧電膜真応力と熱応力を相殺することができる。
【００８７】
（実施例３）
〈振動板＋応力バッファ層＋電極＋ＰＺＴ圧電体（応力バッファ層が複数）の場合〉
図５及び図８に示したPtの応力バッファ層６６、７４は、ＰＺＴ圧電膜６４を駆動するための電極（下部電極）を兼ねるが、応力バッファ層と電極とを機能分離してもよい。
【００８８】
図１０は圧電アクチュエータの第３実施例を示す要部断面図である。図１０に示すように、この圧電アクチュエータ８０は、振動板がシリコン(Si)基板７２（熱膨張係数：3.5×10-6／°Ｃ）、圧電体がＰＺＴ圧電膜６４（熱膨張係数：9.5×10-6／°Ｃ）からなり、Si基板７２とＰＺＴ圧電膜圧力６４との間に、ＰＺＴよりも熱膨張係数が大きいニッケル(Ni)（熱膨張係数：13×10-6／°Ｃ）からなる応力バッファ層８２と、電極として機能する白金(Pt)電極８４（熱膨張係数：8.8×10-6／°Ｃ）とが形成されている。尚、応力バッファ層８２、及びPt電極８４は、例えばスパッタ法で形成し、ＰＺＴ圧電膜６４はＡＤ法で形成する。
【００８９】
Pt電極８４の膜厚が、例えば１μｍ以下の薄い領域では応力制御は、応力バッファ層８２が支配的であることが分かり、また、１μｍ以下のPt電極８４は、電極機能上も問題がないことが確認された。
【００９０】
応力バッファ層として、上記Niの他に酸化チタン(TiO2)（熱膨張係数：10〜15×10-6／°Ｃ）も候補として挙げられ、その他、熱膨張係数の条件を満足する材料系であれば、任意のものを適用することができる。
【００９１】
［上記構成の圧電アクチュエータの試作及び応力変形の検証］
図１１は上記構成の圧電アクチュエータを有する液体吐出ヘッドの要部断面図である。
【００９２】
図１１に示すように、この液体吐出ヘッド９０は、Si基板９１上に応力バッファ層となる下部電極９２をスパッタ法により形成し、下部電極９２上にＡＤ法によりＰＺＴ圧電膜９３をパターン形成(300μｍ角）し、ＰＺＴ圧電膜９３の上部に上部電極９４を形成した後、ＰＺＴ圧電膜９３と逆側からエッチングによりSi振動板９５を形成することにより構成されている。尚、エッチングされた空間は、インク等の液体が充填される圧力室９６となり、圧力室９６の周囲のSi基板９１は、圧力室隔壁となる。また、Si振動板９５の厚みは１５μｍとした。
【００９３】
ＰＺＴ圧電膜９３の下部電極９２と上部電極９４との間に３ｋＶ／ｍｍのＤＣ電界を印加してＰＺＴ圧電膜９３をポーリングした。更に、下部電極９２と上部電極９４との間に１ｋＶ／ｍｍ程度のＤＣパルス電界を印加することでSi振動板９５を変位駆動させ、Si振動板９５の下面にレーザを当てて圧電アクチュエータの動作の評価を行った。
【００９４】
応力バッファ層を導入しない場合は、ＰＺＴ圧電膜９３部分のSi振動板９５が応力変形して、変位量がばらつくことが確認されたが、応力バッファ層の導入により変位量が±１０％以下に安定することが確認された。
【００９５】
［膜応力の定量化］
ＰＺＴ圧電膜（ＡＤ膜）の膜応力の定量化を図るためにＸ線回折（ＸＲＤ）による結晶ａ軸長の評価を行った。
【００９６】
まず、応力フリーの状態を把握するためにＡＤ膜の原料であるＰＺＴ微粒子のＸＲＤ評価を行ったところ、ａ軸長は、2.034 オングストローム（Å）であった。更に、ＰＺＴ微粒子を1250°Ｃで焼結したバルク焼結品のＸＲＤ評価を行ったところ、ａ軸長は、2.030Åであった。そこで、応力フリーの状態のＰＺＴのａ軸長を約2.025 〜2.040 Åの間と規定した。即ち、ＰＺＴ微粒子のａ軸長（2.034 Å）とバルク焼結品のａ軸長（2.030 Å）の平均値2.032 ±0.007 Åを応力フリーの状態のＰＺＴとした。ここで、前記2.025 〜2.040 Åの上限値及び下限値は、ＰＺＴ圧電膜の膜応力によって振動板の変形量が±１０μｍとなる値であり、また、１０μｍは振動板をインク室隔壁等に接着する際の接着剤の厚みである。
【００９７】
応力バッファ層を導入しない場合のＡＤ法によるＰＺＴ圧電膜ａ軸長は、2.055 Åであり、膜応力が１０％まで低減された実施例の場合、ａ軸長は2.033 Åまで変化していることが確認された。
【００９８】
［液体吐出ヘッドの構造］
図１２は液体吐出ヘッドの要部断面図である。尚、図１２と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９９】
図１２に示す液体吐出ヘッド９０’は、図１１に示したSi基板９１の下面にノズルプレート９７を貼付して構成されている。
【０１００】
圧力室９６には図示しない液体流路を介して液体 (インク）が供給されるようになっており、液体吐出ヘッド９０’は、ＰＺＴ圧電膜９３が駆動されることによりSi振動板９５を変位させ、ノズルプレート９７に形成されたノズル９８から所望の液滴サイズのインクを吐出する。
【０１０１】
尚、本発明に係る圧電アクチュエータは、液体吐出ヘッドのアクチュエータとして適用する場合について説明したが、他の機器のアクチュエータとしても使用できる。また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、記録紙にインクを吐出するライン型インクジェットヘッドとして使用される場合について説明したが、これに限らず、ヘッドが印字媒体の送り方向と直交する方向に往復移動するシャトル型のヘッドにも適用できる。更に、本発明に係る液体吐出ヘッドは、記録媒体に処理液又は水を噴射することによる画像形成用ヘッドとして、また、基材に塗布液を噴射することで画像記録媒体を形成するための液体吐出ヘッドとして用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】図１は本発明に係るインクジェット記録装置の全体構成図である。
【図２】図２は図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。
【図３】図３はＡＤ法による成膜装置を示す模式図である。
【図４】図４（Ａ）はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体の厚みと変位体積及び発生圧との関係を示すグラフであり、図４（Ｂ）は振動板の厚みと変位体積及び発生圧との関係を示すグラフである。
【図５】図５は圧電アクチュエータの第１実施例を示す要部断面図である。
【図６】図６はZrO2基板上にＰＺＴ圧電膜を成膜した場合の膜応力とPtの応力バッファ層の膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】図７は振動板（支持基板）の熱膨張係数とＰＺＴ圧電膜の膜応力との関係を示すグラフである。
【図８】図８は圧電アクチュエータの第２実施例を示す要部断面図である。
【図９】図９はSi基板とＰＺＴ圧電膜との間にPtの応力バッファ層を介在させた場合の該応力バッファ層の膜厚とSi基板の応力変形量との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は圧電アクチュエータの第３実施例を示す要部断面図である。
【図１１】図１１は圧電アクチュエータを有する液体吐出ヘッドの要部断面図である。
【図１２】図１２は液体吐出ヘッドの要部断面図である。
【図１３】図１３（Ａ）は振動板上に成膜された圧電体に膜応力がなく、振動板が変形しない理想的な形態を示し、図１３（Ｂ）は圧電体に圧縮応力が働き、振動板が凹凸状に応力変形する形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙ…ヘッド、６０、７０、８０…圧電アクチュエータ、６２…ZrO2基板、６４、９３…ＰＺＴ圧電膜、６６、７４、８２…応力バッファ層、７２、９１…Si基板、８４…電極、９０、９０' …液体吐出ヘッド、９２…下部電極、９４…上部電極、９５…Si振動板、９６…圧力室、９７…ノズルプレート、９８…ノズル
【図１】
2006165102.tif 000003
【図２】
2006165102.tif 000004
【図３】
2006165102.tif 000005
【図４】
2006165102.tif 000006
【図５】
2006165102.tif 000007
【図６】
2006165102.tif 000008
【図７】
2006165102.tif 000009
【図８】
2006165102.tif 000010
【図９】
2006165102.tif 000011
【図１０】
2006165102.tif 000012
【図１１】
2006165102.tif 000013
【図１２】
2006165102.tif 000014
【図１３】
2006165102.tif 000015