(57)【要約】【課題】本発明は、圧電駆動部を有するアクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドに関し、液滴吐出ヘッドの吐出精度を改善することを目的とする。【解決手段】本開示の一態様おける液滴吐出ヘッド１００は、圧力室とアクチュエータ５０と吐出流路２６とを備え、アクチュエータ５０は、振動板３１と圧電駆動部４１とを備え、圧電駆動部４１は、下部電極４３とバリア層４４と圧電体層４５と上部電極４６とを備え、圧電体層４５は、強誘電体酸化物からなり、下部電極４３は、モリブデン、タングステン、銀、アルミニウム、銅、亜鉛、インジウム、マグネシウム、金、コバルト、鉄、ニッケルのうち少なくとも一つを含む金属材料からなり、バリア層４４は、金属窒化物、イリジウム、酸化イリジウム、イリジウム合金から選ばれる少なくとも一つからなり、バリア層４４の厚みは、圧電体層４５の厚みの１／３５以上とした。【選択図】図１
2018121002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力室と、
前記圧力室の内部に圧力を付加するアクチュエータと、
前記圧力室に連通し、液体を吐出する吐出流路と、を備え、
前記アクチュエータは、
前記圧力室の壁面の一部で形成された振動板と、
前記振動板の主面に配置された圧電駆動部と、を備え、
前記圧電駆動部は、
前記振動板の主面に配置された下部電極と、
前記下部電極において前記下部電極と反対側の主面に配置されたバリア層と、
前記バリア層において前記下部電極と反対側の主面に配置された圧電体層と、
前記圧電体層において前記下部電極と反対側の主面に配置された上部電極と、を備え、
前記圧電体層は、強誘電体酸化物からなり、
前記下部電極は、モリブデン、タングステン、銀、アルミニウム、銅、亜鉛、インジウム、マグネシウム、金、コバルト、鉄、ニッケルのうち少なくとも一つを含む金属材料からなり、
前記バリア層は、金属窒化物、イリジウム、酸化イリジウム、イリジウム合金から選ばれる少なくとも一つからなり、
前記バリア層の厚みは、前記圧電体層の厚みの１／３５以上とした、
液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記バリア層の厚みは、前記圧電体層の厚みの１／５以下とした、
請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛であり、
前記バリア層と前記圧電体層との間に配向制御層を配置し、
前記配向制御層は、チタン酸鉛、ランタンを添加したチタン酸鉛、マグネシウムとランタンを添加したチタン酸鉛、ニッケル酸ランタンのいずれかである、
請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧電駆動部を有するアクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出ヘッドは、インク等の液滴を吐出するための圧力室を有する。圧力室は内部のインクに圧力を付加するためのアクチュエータを有する。アクチュエータは、振動板と圧電駆動部を有する。振動板は圧力室の壁面の一部で構成される。圧電駆動部は、下部電極、バリア層、圧電体層、上部電極を順に積層して構成される。振動板は、例えばＳｉＯ２で形成される。下部電極は、例えばＰｔで形成される。バリア層は例えばＩｒＯ２で形成される。圧電体層は、ＰＺＴなどの強誘電体酸化物で形成される。上部電極は、例えばＰｔで形成される。
【０００３】
なお、バリア層は、圧電体層からのＰｂの拡散を防止するために配置されている。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２４２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、このような液滴吐出ヘッドに対しては、印刷速度の高速化や印刷精度の高解像度化が要求される。この対策として、本願発明者は、下部電極の電気抵抗の改善に着目した。
【０００７】
圧電体層をスパッタリング法などの気相法で成膜する場合、圧電体の結晶成長や酸素欠陥抑制ために、基板加熱や成膜雰囲気への酸素導入を行う必要がある。下部電極は圧電体層成膜までに形成されるため、下部電極は圧電体成膜時に高温・酸化雰囲気に晒される。その際、成膜雰囲気内の酸素や圧電体層からの脱離酸素により、下部電極の表面が酸化し、電気抵抗が増加する。
【０００８】
下部電極の電気抵抗が増加すると、アクチュエータの駆動信号に遅延が生じ、印刷精度を劣化させてしまう。特に液滴吐出ヘッドのように駆動信号の電圧が大きいものになると遅延の影響が顕著になる。
【０００９】
そこで、本開示はこのような課題を解決し、液滴吐出ヘッドの吐出精度を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様における液滴吐出ヘッドは、圧力室とアクチュエータと吐出流路とを備え、アクチュエータは、振動板と圧電駆動部とを備え、圧電駆動部は、下部電極とバリア層と圧電体層と上部電極とを備え、圧電体層は、強誘電体酸化物からなり、下部電極は、モリブデン、タングステン、銀、アルミニウム、銅、亜鉛、インジウム、マグネシウム、金、コバルト、鉄、ニッケルから選ばれる少なくとも一つからなり、バリア層は、金属窒化物、イリジウム、酸化イリジウム、イリジウム合金から選ばれる少なくとも一つからな
り、バリア層の厚みは、圧電体層の厚みの１／３５以上とした。
【発明の効果】
【００１１】
この構成により、液滴吐出ヘッドの吐出精度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態における液滴吐出ヘッドの要部構成を示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図３】図３は、実施の形態に係るアクチュエータを製造する際の各工程を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係るアクチュエータを製造する際の各工程を示す断面図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る下部電極の電気抵抗の増加に伴う駆動信号の変化を示す波形図である。
【図６】図６は、バリア層の厚みと下部電極の表面酸化との関係を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態におけるアクチュエータの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本開示の実施の形態に係る圧電駆動部を備えたアクチュエータについて、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１４】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
【００１５】
以下、本開示の一態様の液滴吐出ヘッドについて図を用いて説明する。図１に液滴吐出ヘッド１００の要部構成を示す。液滴吐出ヘッド１００は、ノズルプレート１０と、基部２０と、振動層３０と、駆動部４０とを備えている。
【００１６】
ノズルプレート１０は、例えばケイ素（Ｓｉ）等の単結晶材料から形成されており、インクを吐出する吐出口１１が形成されている。
【００１７】
基部２０は、複数の基板２１ａ〜２１ｄが積層されて形成される。基板２１は、例えばＳｉ等の単結晶材料から形成されている。基部２０には、流路２２が形成されている。流路２２は、共通液室２３と、供給流路２４と、圧力室２５と、吐出流路２６とを備えている。共通液室２３は、インク供給源（図示省略）から液滴吐出ヘッド１００に送られたインクを一時的に貯留する部分であり、基板２１ｂに形成されている。この共通液室２３から、吐出口１１までインクが案内されるように、供給流路２４と、圧力室２５と、吐出流路２６とが形成されている。
【００１８】
供給流路２４は、共通液室２３から圧力室２５までインクを案内する流路２２であり、基板２１ｃに形成されている。圧力室２５は、基板２１ｄに形成されており、その一端部に供給流路２４が連通され、他端部に吐出流路２６が連通されている。吐出流路２６は、圧力室２５から吐出口１１まで連通するように、基板２１ａ、２１ｂ、２１ｃに形成されている。画像形成時においては、流路２２はインクで満たされており、圧力室２５でインクに圧力が付与されると、吐出流路２６を介して吐出口１１からインクが吐出するように
なっている。
【００１９】
振動層３０は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）により形成されている。振動層３０は、圧力室２５に対応する部分（振動板３１）が振動して、圧力室２５内のインクに圧力（発生力）を付与する。この圧力によって、圧力室２５内のインクは吐出流路２６を介して吐出口１１からインクを吐出する。つまり、振動板３１は、圧力室２５の壁面の一部で形成されている。
【００２０】
駆動部４０は、振動板３１を駆動させるための部位であり、圧電駆動部４１と、配線部４２とを備えている。この駆動部４０と、振動板３１と、基板２１ｄの一部とによって、アクチュエータ５０が形成されている。
【００２１】
以下、アクチュエータ５０について説明する。
【００２２】
図２はアクチュエータ５０を示す断面図である。このアクチュエータ５０は、振動板３１の上に圧電駆動部４１が配置されている。圧電駆動部４１は、下部電極４３、バリア層４４、圧電体層４５、上部電極４６が、この順で振動板３１の上面にて積層されている。圧電駆動部４１は、絶縁層４７で覆われている。配線部４２は、絶縁層４７の上に配置された配線電極４８とコンタクトホール４９で形成されている。配線電極４８は、コンタクトホール４９で上部電極４６に接続されている。また、振動板３１は、外周に配置された支持部５１で支持された構造となっている。支持部５１は基板２１ｄと振動層３０で形成されている。
【００２３】
振動板３１の膜厚は１〜１０μｍである。下部電極４３は、モリブデン（Ｍｏ）で構成している。なお、下部電極４３は、電気抵抗が低いモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも１つを含む金属材料でも構成することができる。下部電極４３のシート抵抗値は０．１〜０．２Ω／□である。下部電極４３の厚みは０．５〜１μｍである。バリア層４４は、イリジウム（Ｉｒ）で構成している。なお、バリア層４４は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などの金属窒化物、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、イリジウム−チタン（Ｉｒ−Ｔｉ）やイリジウム−白金（Ｉｒ−Ｐｔ）などのイリジウム合金（Ｉｒ合金）でも構成することができる。バリア層４４の厚みは０．０５〜０．２μｍである。圧電体層４５は、強誘電体酸化物からなる。強誘電体酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴ）、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ）で形成することができる。なお、圧電体層４５の結晶配向は（００１）優先配向である。圧電体層４５の厚みは２〜５μｍである。圧電体層４５の結晶配向性を良化させるため、バリア層４４と圧電体層４５の間に、白金（Ｐｔ）や白金合金（Ｐｔ合金）、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金（Ｉｒ合金）などの導電性の配向制御層（膜厚：０．０５〜０．５μｍ）を導入してもよい。上部電極４６は、白金（Ｐｔ）で構成している。なお、上部電極４６は、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）などでも構成することができる。上部電極４６の厚みは０．１〜０．５μｍである。絶縁層４７はポリイミドで構成している。絶縁層４７の厚みは１〜３μｍである。配線電極４８は、銅（Ｃｕ）で構成している。配線電極４８の厚みは０．１〜０．５μｍである。
【００２４】
アクチュエータ５０の製造方法について説明する。なお、アクチュエータ５０は液滴吐出ヘッド１００をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）で製造する工程で一緒に形成されるものである。ここでは、アクチュエータ５０を製造する部分の工程のみを説明する。アクチュエータ５０を製造する工程を図３に示す。
【００２５】
先ず、図３（ａ）に示すようにＳｉ基板６０の表面に振動板３１となるＳｉＯ２層６１を成膜する。次に、図３（ｂ）に示すようにＳｉＯ２層６１の上に下部電極４３となるＭｏ層６２を成膜する。次に、図３（ｃ）に示すようにＭｏ層６２の上にバリア層４４となるＩｒ層６３を成膜する。次に、図３（ｄ）に示すようにＩｒ層６３の上に圧電体層４５となるＰＺＴ層６４を成膜する。ＰＺＴ層６４の成膜処理は５８０℃の高温・酸化環境下で行われる。なお、本願におけるＰＺＴには、ニオブ（Ｎｂ）やタンタル（Ｔａ）などの添加物を含有するものも含まれる。次に、図３（ｅ）に示すようにＰＺＴ層６４の上に上部電極４６となるＴｉ層６５を形成する。次に、図４（ａ）に示すようにＴｉ層６５とＰＺＴ層６４の不要箇所をエッチング処理で除去する。次に、図４（ｂ）に示すように上部電極４６を絶縁層４７で覆い、次に、図４（ｃ）に示すように絶縁層４７にコンタクトホール４９を形成した後に配線電極４８を形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板６０における不要部分をドライエッチング処理により除去することで、アクチュエータ５０が完成する。
【００２６】
ここで、圧電体層４５の成膜処理における下部電極４３への影響について説明する。圧電体層４５の成膜処理は、上述したように高温・酸化環境下で行われる。その際、先に形成された下部電極４３も高温・酸化環境下に晒される。下部電極４３は、高温・酸化環境の中で表面が酸化し、電気抵抗が増加してしまう。図５に下部電極４３の電気抵抗の増加に伴う駆動信号の波形変化を示す。実線６０は表面が酸化していない下部電極４３に印加された駆動信号の波形（理想波形）を示している。破線６１は表面が酸化した下部電極４３に印加された駆動信号の波形（劣化波形）を示している。駆動信号における理想波形は矩形波である。駆動信号の電圧は１０〜３０Ｖで周波数は３０〜６０ｋＨｚである。一方、劣化波形は、下部電極４３の酸化による抵抗増加の影響により、矩形波の立ち上がり波形および立下り波形の傾きが鈍化している。この波形の傾きの鈍化は、圧電駆動部４１による振動励起のタイミングを遅延させる。この遅延時間を図５において△ｔとする。振動励起タイミングにおける△ｔの遅延は、インクの吐出タイミングにおける△ｔの遅延となる。吐出タイミングの遅延は、印刷精度の劣化となる。特に、インクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッド１００においては駆動電圧が大きく、他のＭＥＭＳアクチュエータに比べ、その影響が顕著となる。なお、下部電極４３のシート抵抗値は０．２Ω／□以下であることが好ましい。シート抵抗値がこの範囲であれば、振動励起タイミングの遅延の影響を抑制できる。
【００２７】
この点を踏まえ、液滴吐出ヘッド１００の特長について説明する。この液滴吐出ヘッド１００は、アクチュエータ５０の構造に特徴を有する。第一の特徴は下部電極４３の電気抵抗を小さくした点である。下部電極４３の電気抵抗を小さくする構成として、次の２つの構成を採用している。
【００２８】
１つ目の構成波は、下部電極４３の材料を、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうち少なくとも１つを含む低抵抗金属材料としたことである。これらの材料は、従来の電極材料、つまりＰｔやＴｉなどに比べ抵抗値が小さいことが特徴である。
【００２９】
２つ目の構成は、金属窒化物、Ｉｒ、ＩｒＯ２、Ｉｒ合金から選ばれる少なくとも一つからなるバリア層４４を圧電体層４５と下部電極４３の間に配置し、その厚みを圧電体層４５の厚みの１／３５以上としたことである。下部電極４３を構成する上述した低抵抗金属材料は、圧電体層４５の成膜処理において酸化すると電気抵抗が増加するため、この酸化を抑制するためにバリア層４４を配置している。
【００３０】
なお、圧電体層４５と下部電極４３の間にバリア層４４を配置する構成は、上述した特
許文献１にも開示されている。ただし、特許文献１を含むこれまでのバリア層４４は、圧電体層４５からのＰｂ拡散を防止するための構成である。このため、Ｐｂに対するバリア性の良い酸化物材料が用いられている。しかし、このようなバリア層４４は酸素を含んでいるため酸素の拡散防止の効果が低く、圧電体層４５の成膜処理において酸素が透過してしまうため、下部電極の表面が酸化する。この酸化により下部電極４３の電気抵抗は数桁程度増加してしまう。
【００３１】
そこで、この実施の形態の液滴吐出ヘッド１００は、バリア層４４の材料をＩｒＯ２を除く酸素を含まない材料とし、そのバリア層４４の膜厚を制御したことで、圧電体層４５の成膜処理における下部電極４３の酸化を防止している。バリア層４４の厚みと下部電極４３の表面酸化との関係を図６に示す。横軸はバリア層４４の膜厚を示す。縦軸は、下部電極４３の表面の酸素元素量を示す。下部電極４３の表面の酸素元素量は、圧電体層４５の成膜後にＸ線光電子分光法で深さ方向の分析を行うことにより算出される。なお、圧電体層４５の厚みは３．５μｍ、バリア層４４はＩｒ−Ｔｉ合金、下部電極はシート抵抗が０．２Ω／□となるように膜厚調整したＭｏ薄膜とし、この圧電体層４５の成膜処理における下部電極４３の酸化による下部電極表面の酸素元素量を測定した。この結果、バリア層４４の膜厚が０．１μｍ以上とすることで下部電極４３の表面の酸素元素はほぼ確認されず、シート抵抗値の劣化がないことを確認した。また、図６はバリア層にＩｒ−Ｔｉ合金を用いたものだが、バリア層をＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｉｒ、ＩｒＯ２、Ｉｒ−Ｐｔ合金とした場合もほぼ同様の結果となり、バリア性能に差は見られなかった。なお、成膜処理の時間は、圧電体層４５の厚みが大きいと成膜処理の時間が長くなるというように、圧電体層４５の厚みに比例する。したがって、下部電極４３の酸化を抑制するためには、バリア層４４の厚みを圧電体層４５の厚みの１／３５以上であることが必要である。
【００３２】
ただし、バリア層４４の厚みを大きくすれば、バリア層４４自体の強度が増加する。バリア層４４は、図２に示すように下部電極４３の全面に設けられるため、振動板３１を形成する一構成要素となる。つまり、バリア層４４の厚みを増やすことは、振動板３１の振動抵抗の増加させることになる。したがって、バリア層４４の厚みを圧電体層４５の厚みの１／５以下とすることが好ましい。圧電体層４５の膜厚の増加に比例して、振動板の振動を誘起する発生力が増加するため、バリア層４４の厚みを圧電体層４５の厚みの１／５以下とすることで、振動板３１の振動抵抗の増加を抑制することができるためである。また、バリア層４４の膜厚を大きくすれば、バリア層４４の表面粗度が大きくなる。この結果、バリア層４４と上層の膜との密着性の劣化や、圧電体層４５の結晶配向性の劣化つながる。しかしながら、バリア層４４の厚みを圧電体層４５の厚みの１／５以下とすることで、これらの密着性や結晶配向性の劣化も抑制することができる。
【００３３】
また、図７にアクチュエータ５０の変形例を示す。上述したアクチュエータ５０との違いは、下部電極４３と圧電体層４５との間に配向制御層７０を設けた点であり、同様の構成については、同じ符号を付して説明を簡略化する。
【００３４】
下部電極４３と圧電体層４５との間に配向制御層７０を設けたことにより、層間における格子定数の差が小さくなり、圧電体層４５の結晶配向性を高めることができる。したがって、圧電体層４５の成膜処理の温度を低減させることができるので、下部電極４３の酸化をさらに抑制することが出来る。例えば、圧電体層４５がＰＺＴであれば、配向制御層７０は、チタン酸鉛（ＰＴ）、ランタンを添加したチタン酸鉛（ＰＬＴ）、マグネシウムとランタンを添加したチタン酸鉛（ＰＬＭＴ）、ニッケル酸ランタン（ＬＮＯ）のいずれかにより形成することが出来る。これらの材料は、格子定数が圧電体層４５を形成するＰＺＴの格子定数に近く、圧電体層４５の結晶配向性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本開示は、特に駆動電圧が大きい液滴吐出ヘッド用途において有効である。
【符号の説明】
【００３６】
２５    圧力室
５０    アクチュエータ
２６    吐出流路
３１    振動板
４１    圧電駆動部
４３    下部電極
４４    バリア層
４５    圧電体層
４６    上部電極
１００    液滴吐出ヘッド
７０    配向制御層
【図１】
2018121002.tif 000003
【図２】
2018121002.tif 000004
【図３】
2018121002.tif 000005
【図４】
2018121002.tif 000006
【図５】
2018121002.tif 000007
【図６】
2018121002.tif 000008
【図７】
2018121002.tif 000009