(57)【要約】【課題】支持基板の電極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、１０−２０μｍ厚の振動板６２の電極６４上にエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により１０μｍ厚のＰＺＴ膜６８を成膜して構成されるが、この電極６４とＡＤ膜のＰＺＴ膜６８との間にスパッタ法により成膜される0.5 μｍ以上の厚みのＰＺＴ膜６６を介在させる。スパッタ膜のＰＺＴ膜６６は、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８と同一組成の材料で構成されているため、ＰＺＴ膜６８との界面に圧縮応力が溜め込まれず、ＰＺＴ膜６８の膜応力を低減させることができ、応力緩和層として機能するとともに、膜応力が少なく且つ膜密着性が強いため、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８の密着性向上層としての機能も併せ持つ。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極上に形成された応力緩和層と、前記応力緩和層上に成膜された圧電体とから構成され、
前記応力緩和層により前記圧電体の成膜時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】
前記圧電体は、前記応力緩和層上に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に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記応力緩和層は、膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記応力緩和層は、スパッタ法、加水分解を用いたゾルゲル法、熱分解を用いた有機金属分解法のうちのいずれかの成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記応力緩和層は、エアロゾルデポジション法により前記電極上に形成され、前記圧電体の膜密度よりも密度の低い低緻密膜であ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】
前記応力緩和層は、ビッカース硬度が600Hv 以下の低緻密膜であることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記応力緩和層は、前記圧電体と同一組成、又はほぼ同一組成の材料からな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】
前記応力緩和層は、高誘電率材料からな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９】
前記応力緩和層は多層からなり、各層は成膜方法及び材料のうちの少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項１乃至８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】
前記応力緩和層上に形成された圧電体はＰＺＴ膜であり、前記ＰＺＴ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】
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１２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１４】
支持基板の電極上に膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により１層以上の応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、
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応力緩和層上に噴射し、該応力緩和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、
前記応力緩和層は、前記圧電膜との界面に生じる膜応力を低減させる材料からな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、特に圧電体の成膜時に生じる膜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、圧電体の膜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膜応力は、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、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】
因みに、図９は振動板（基板）の厚みと応力変形量との関係を示すグラフであり、図１０はＰＺＴ圧電膜の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。
【００１１】
ここで、図９に示した応力変形量は、厚みの異なる複数の基板上にＡＤ法によって厚み１０μｍのＰＺＴ圧電膜をそれぞれ成膜し、このときの膜応力による長さ１０ｍｍの短冊状の構造物の反りによる変形量（両端部の高さ変位量）を示している。また、図１０に示した応力変形量は、厚み３０μｍの基板上にＡＤ法によって厚みの異なるＰＺＴ圧電膜をそれぞれ成膜し、このときの膜応力による長さ１０ｍｍの短冊状の構造物の反りによる変形量を示している。
【００１２】
図１１（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１１（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。
【００１３】
図１１（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。
【００１４】
(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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
(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。
【００１９】
(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。
【００２０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、支持基板の電極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】
【００２１】
前記目的を達成するために請求項１に係る圧電アクチュエータは、支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極上に形成された応力緩和層と、前記応力緩和層上に成膜された圧電体とから構成され、前記応力緩和層により前記圧電体の成膜時の膜応力を低減させることを特徴としている。
【００２２】
前記支持基板の電極上と圧電体との間に応力緩和層が介在しない場合には、圧電体と電極との界面には、圧電体の成膜に伴う膜応力 (圧縮応力）が働いているが、前記応力緩和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。
【００２３】
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、前記圧電体は、前記応力緩和層上に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。エアロゾルデポジション法は、スパッタ法では成膜できない厚膜を形成することができるが、エアロゾルデポジション法によって成膜される圧電膜は、緻密構造を有しており、圧縮方向に強い膜応力が働く。前記応力緩和層は、この膜応力の発生を低減させる機能がある。
【００２４】
請求項３に示すように請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴としている。応力緩和層を形成する際に電極と応力緩和層との界面に応力を発生させないようにするためである。
【００２５】
請求項４に示すように請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、スパッタ法、加水分解を用いたゾルゲル法、熱分解を用いた有機金属分解法のうちのいずれかの成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴としている。
【００２６】
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、前記応力緩和層は、エアロゾルデポジション法により前記電極上に形成され、前記圧電体の膜密度よりも密度の低い低緻密膜であることを特徴としている。エアロゾルデポジション法によって応力緩和層を形成する際に、原料粉体条件や成膜条件を制御することにより緻密度をコントロールし、応力緩和層を低緻密膜にすることで応力緩和層自体に大きな膜応力が発生しないようにしている。
【００２７】
請求項６に示すように請求項５に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、ビッカース硬度が600Hv 以下の低緻密膜であることを特徴としている。尚、緻密度とビッカース硬度とは相関関係がある。
【００２８】
請求項７に示すように請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、前記圧電体と同等の組成材料からなることを特徴としている。応力緩和層を圧電体と同等の組成材料にするとこで、応力緩和層と圧電体との界面で圧縮応力が溜め込まれないようにすることができ、また、圧電駆動に寄与することができる。
【００２９】
請求項８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、前記応力緩和層は、高誘電率材料からなることを特徴としている。応力緩和層が高誘電率材料であれば、電界ロスが少なく、変位動作のロスにならない。
【００３０】
請求項９に示すように請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は多層からなり、各層は成膜方法及び材料のうちの少なくとも一方が異なることを特徴としている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、前記応力緩和層上に形成された圧電体はＰＺＴ膜であり、前記ＰＺＴ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膜の膜応力は支持基板を大きく変形させることがない。
【００３５】
請求項１３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１２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。
【００３６】
請求項１４に係る圧電アクチュエータの製造方法は、支持基板の電極上に膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により１層以上の応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、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応力緩和層上に噴射し、該応力緩和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、前記応力緩和層は、前記圧電膜との界面に生じる膜応力を低減させる材料からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、支持基板の電極とこの電極上に直接成膜される圧電体との間に応力緩和層を形成するようにしたため、前記電極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】
【００３８】
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。
【００３９】
［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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
［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膜を成膜すると、緻密構造のＰＺＴ膜は、ＰＺＴ膜自体に圧縮応力が強く働く。この圧縮応力は、実験結果により膜内部よりも振動板との界面の方が高く、また、振動板との界面の電子顕微鏡観察により、振動板側にダメージが確認された。
【００６４】
このことから、ＡＤ成膜時の高エネルギー粒子の振動板への打ち込みにより振動板が非平衡状態となり、過剰なエネルギーが界面に溜め込まれることが、膜応力（圧縮応力）の発生の原因と捉えられる。従って、振動板の界面のダメージを低減させることで、ＰＺＴ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。
【００６５】
（第１実施例）
図５は本発明に係る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、シリコン(Si)又はジルコニア(ZrO2)からなる基板（振動板）６２上に白金(Pt)からなる電極６４がスパッタ法により形成され、この電極６４上に応力緩和層としてＰＺＴ膜６６がスパッタ法により形成され、更にＰＺＴ膜６６上にＰＺＴ膜６８がＡＤ法により室温成膜されている。
【００６６】
前記振動板６２の厚みは１０−２０μｍであり、電極６４の厚みは５００nmである。また、スパッタ膜のＰＺＴ膜６６の膜厚は０．５μｍ以上であり、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８の膜厚は１０μｍである。尚、スパッタ膜のＰＺＴ膜６６の厚みの上限は、スパッタ法によって成膜可能な厚みであり、例えば３μｍ程度である。
【００６７】
スパッタ法によりＰＺＴ膜６６を電極６４上に形成する場合、断面電子顕微鏡写真からも電極ダメージが確認されず、電極６４の凹凸が０．０１μｍ以下であることが確認された。また、ＰＺＴ膜６６の膜厚を０．５μｍ以上形成したが、振動板６２の膜応力変形は全く確認されなかった。
【００６８】
このＰＺＴ膜６６上にＡＤ成膜された１０μｍ厚のＰＺＴ膜６８の膜応力は、振動板６２の膜応力変形量を測定した結果、１０％まで低減されていることが確認された。また、膜の密着性試験においても膜剥離は確認されず、実用上問題ない密着性が確保されていることが確認された。
【００６９】
（第２実施例）
図６は本発明に係る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。尚、図５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。
【００７０】
図６に示す第２実施例の圧電アクチュエータ７０は、応力緩和層として２層のＰＺＴ膜６６、 ７２が形成されている点で、図５に示した第１実施例と相違する。
【００７１】
２層のＰＺＴ膜６６、 ７２のうちの電極６４上に形成されたＰＺＴ膜６６は、前述したようにスパッタ法によって形成されたスパッタ膜であり、ＰＺＴ膜６６上に形成されたＰＺＴ膜７２は、ＡＤ法によって室温成膜された低緻密のＡＤ膜である。
【００７２】
低緻密のＰＺＴ膜７２は、原料粉体条件や成膜条件の制御により緻密度が低くなるようにＡＤ成膜されたものであり、ここでの低緻密のＰＺＴ膜とはビッカース硬度が600Hv 以下の膜を指す。また、ＰＺＴ膜７２の厚みは、１μｍである。
【００７３】
この低緻密のＰＺＴ膜７２上には、１０μｍ厚の高緻密のＰＺＴ膜６８がＡＤ法によって室温成膜されている。
【００７４】
ここで、ＡＤ膜の緻密度の制御方法について説明する。
【００７５】
原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径とＡＤ膜の膜質との関係をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡) を用いて調べた結果、原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径が大きいほど、ＡＤ膜における平均結晶粒径は小さく、高緻密であり（空隙率が低く）、逆に原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径が小さいほど、ＡＤ膜における平均結晶粒径は大きく、低緻密であった（空隙率が高かった）。
【００７６】
また、原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径とＡＤ膜のビッカース硬度(Hv)とは相関関係があり、原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径が大きいほど、ＡＤ膜のビッカース硬度は大きく、原料のＰＺＴ粉体の平均粒子径が小さいほど、ＡＤ膜のビッカース硬度が小さいことが確認された。
【００７７】
これらの観察結果及び測定結果は、次のメカニズムによって生じたものと考えられる。即ち、粒子径の大きい１次粒子は、ノズルから噴射された際に有している運動エネルギーが大きいので、基板に衝突したときに破砕しやすい。そのため、小さく破砕された１次粒子の断片がメカノケミカル反応によって互いに結合するので、緻密で強固なＡＤ膜が形成される。反対に、粒子径が小さい１次粒子は、運動エネルギーが小さいので、基板に衝突しても破砕しにくい。そのような１次粒子は、基板に衝突しても下層にトラップ (捕獲）されて堆積するのみなので、緻密度が低く (空隙率が高く）、比較的脆い膜となる。
【００７８】
従って、このようなメカニズムに基づいて原料の粉体の平均粒子径を規定することにより、ＡＤ膜の平均結晶粒径や緻密度 (空隙率）や硬度を制御することが可能となる。
【００７９】
上記のようにして１μｍ厚の低緻密のＰＺＴ膜７２、及び１０μｍ厚の高緻密のＰＺＴ膜６８を形成した後、６００°Ｃでアニール処理した。アニール雰囲気は酸素もしくは大気中とした。
【００８０】
スパッタ膜によるＰＺＴ膜６６の応力緩和層を入れずに、電極６４上に直接低緻密のＰＺＴ膜を形成した場合には、応力低減の効果は確認されたものの、膜剥離テストにより密着性が悪く、密着性の向上が課題であった。スパッタ膜を応力緩和層として導入し、且つ特性向上も兼ねたアニール工程を行うと、膜応力が５％程度まで低減されていることが確認されただけでなく、膜の密着性も格段に向上していることが確認された。
【００８１】
膜の構造解析によりスパッタ膜と低緻密ＡＤ膜が粒子成長により固着結合し、強固な密着性がとれていることが分かった。スパッタ膜と低緻密ＡＤ膜の２層の応力緩和層の導入により、応力低減が大幅に実現されるとともに、密着性も十分確保されていることが確認された。
【００８２】
（第３実施例）
図７は本発明に係る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。尚、図５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。
【００８３】
図７に示す第３実施例の圧電アクチュエータ８０は、応力緩和層としてスパッタ膜のＰＺＴ膜６６の代わりに、ゾルゲル膜のＰＺＴ膜８２が形成されている点で、図５に示した第１実施例と相違する。
【００８４】
即ち、振動板６２の電極６４上に応力緩和層として、ゾルゲル法によりＰＺＴ膜８２が形成されている。
【００８５】
このゾルゲル法によるＰＺＴ膜８２は、ＰＺＴ組成のゾルゲル溶液を調整し、スピンコートにより振動板６２の電極６４上に塗布し、その後、乾燥（１５０°Ｃ）、脱溶媒（４００°Ｃ）工程を繰り返すことで膜厚を制御し、最後に５５０°Ｃで焼成することにより形成する。
【００８６】
ゾルゲル膜のＰＺＴ膜８２の場合、断面電子顕微鏡写真からも電極ダメージが確認されず、電極６４の凹凸が0.01μｍ以下であることが確認された。また、振動板６２の膜応力変形は全く確認されなかった。
【００８７】
尚、ゾルゲル法とは加水分解による溶液製膜法であるが、ゾルゲル法の代わりに、熱分解による溶液製膜法である有機金属分解法（ＭＯＤ法）などの他の化学溶液法によって化学溶液膜を形成するようにしてもよい。
【００８８】
上記第１実施例乃至第３実施例において、スパッタ膜のＰＺＴ膜６６ (第１実施例）、スパッタ膜のＰＺＴ膜６６＋低緻密ＡＤ膜のＰＺＴ膜７２ (第２実施例）、及びゾルゲル膜を含む化学溶液膜のＰＺＴ膜８２（第３実施例）は、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８と同一組成の材料で構成されているため、ＰＺＴ膜６８との界面に圧縮応力が溜め込まれず、膜応力を低減させることができ、応力緩和層として機能するとともに、ＰＺＴ膜６６のスパッタ膜、ＰＺＴ膜８２の化学溶液膜の場合、膜応力が少なく且つ膜密着性が強いため、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８の密着性向上層としての機能も併せ持つことができる。
【００８９】
また、スパッタ膜のＰＺＴ膜６６、低緻密ＡＤ膜のＰＺＴ膜７２、化学溶液膜のＰＺＴ膜８２と、ＡＤ膜のＰＺＴ膜６８とが同一組成の材料であるため、熱処理（例えば、残留応力を取り除くために６００°Ｃを１時間保持するアニール処理）を行うと、粒子融合が進み化学結合が生じることになり密着性がより強固になる。更に、ＰＺＴ膜６６、７２、８２は、応力緩和層であっても圧電駆動に寄与するため、圧電アクチュエータ６０の変位動作のロスにならない。
【００９０】
また、応力緩和層は、圧電膜と同等の組成でなくても高誘電率材料であれば、電界ロスが少なく圧電アクチュエータの変位動作のロスにならない。従って、応力緩和層は、高誘電率材料でもよい。高誘電率材料としては、ＳｉＯ2 、アルミナ、ハフニア（HfO2) 、チタン酸バリウムストロンチウム、酸化ニオブ五酸化タンタルなどが挙げられる。
【００９１】
また、第２実施例に示したように応力緩和層は、単層に限らず、多層構成とすることもでき、各応力緩和層の製膜方法は任意に選択することができる。
【００９２】
［膜応力の定量化］
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。
【００９３】
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。
【００９４】
応力緩和層を導入しない場合のＡＤ法（室温製膜）によるＰＺＴ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。
【００９５】
［液体吐出ヘッドの構造］
図８は本発明に係る液体吐出ヘッドの要部断面図である。尚、図５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。
【００９６】
図８に示す液体吐出ヘッド９０は、図５に示した圧電アクチュエータ６０と圧力室隔壁９２とを接着剤によって貼り付け、この圧力室隔壁９２の下面にノズルプレート９４を貼り付けて構成されている。また、ＰＺＴ膜６８の上面には、電極９１が形成されている。
【００９７】
圧力室隔壁によって画成された圧力室９８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、電極６４、９１間に１ｋＶ／ｍｍ程度のＤＣパルス電界が印加されることで振動板６２を変位駆動し、ノズルプレート９４に形成されたノズル９６から所望の液滴サイズのインクを吐出する。
【００９８】
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】
【００９９】
【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は本発明に係る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は本発明に係る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７】図７は本発明に係る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８】図８は本発明に係る液体吐出ヘッドの要部断面図である。
【図９】図９は振動板（基板）の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０はＰＺＴ圧電膜の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１（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１１（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】
【０１００】
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…振動板、６４、９１…電極、６６…スパッタ膜のＰＺＴ膜、６８…ＡＤ膜のＰＺＴ膜、７２…低緻密のＰＺＴ膜、８２…ゾルゲル膜のＰＺＴ膜、９０……液体吐出ヘッド、９２…圧力室隔壁、９４…ノズルプレート、９６…ノズル、９８…圧力室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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