(57)【要約】下部電極として（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを用いた場合に最適な層構成を備えた圧電アクチュエータを提供する。この圧電アクチュエータは、（１００）Ｓｉ基板２０上にエピタキシャル成長された（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２からなる振動板３０と、前記振動板上に形成された、（００１）配向のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘのバッファ層４１と、前記バッファ層上に形成された、（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを備えた下部電極４２と、前記下部電極上に形成された、（１００）配向のＰＺＴからなる圧電体層４３と、前記圧電体層上に形成された上部電極４４と、を備える。
2003098714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１００）配向のＳｉ基板上にエピタキシャル成長されたフルオライト構造を有する立方晶（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２からなる振動板と、
前記振動板上に形成された、層状ペロブスカイト構造を有する正方晶あるいは斜方晶（００１）配向のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＲＥ＝Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ）のバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、ペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを備えた下部電極と、
前記下部電極上に形成された、菱面体晶（１００）配向のペロブスカイト構造を有する圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された上部電極と、
を備えた、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記下部電極は、少なくとも２層のルテニウム酸ストロンチウムと、これらに挟まれたイリジウム又は白金の層とを備えた、圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記下部電極を構成するルテニウム酸ストロンチウムのうち少なくとも前記圧電体層側の層は、ＳｒＲｕＯ３で表される組成を有する圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記圧電体層は、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ又はＰＺＮ−ＰＴである、圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の圧電アクチュエータを備え、
前記圧電アクチュエータに備えられた前記振動板の振動により容積変化可能に構成された圧力室を前記Ｓｉ基板に備えた、液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体噴射ヘッドを液体噴射手段として備えた液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は圧電体とこれを挟んで配置される一対の電極を備えた圧電アクチュエータに係り、特に、下部電極としてルテニウム酸ストロンチウムを備えた圧電アクチュエータに関する。
背景技術
圧電アクチュエータは、電気機械変換機能を呈する圧電体膜を２つの電極で挟んだ圧電体素子を備え、圧電体膜は結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。この圧電性セラミックスとしては、ペロブスカイト型結晶構造を有し、化学式ＡＢＯ３で示すことのできる複合酸化物が知られている。例えばＡには鉛（Ｐｂ）、Ｂにジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）の混合を適用したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が知られている。
従来、ＰＺＴ系圧電体素子の電極材料として用いられてきたのはＰｔである。Ｐｔは最密充填構造である面心立方格子（ＦＣＣ）構造をとるため自己配向性が強く、ＳｉＯ２のようなアモルファス上に成膜すると（１１１）に強く配向し、その上の圧電体膜も配向性が良くなる。しかし、配向性が強いため柱状結晶が成長し、粒界に沿ってＰｂなどが下地に拡散し易くなるといった問題があった。またＰｔとＳｉＯ２の密着性にも問題があった。
更に、ＰｔとＳｉＯ２との密着性の改善のために、Ｔｉを用いたり、Ｐｂなどの拡散バリア層としてＴｉＮなどを用いても、複雑な電極構造になる上、Ｔｉの酸化、ＴｉのＰｔ中への拡散、それに伴うＰＺＴの結晶性の低下が起こり、圧電特性などの電気特性が悪化する。
Ｐｔ電極にはこのような問題があるため、強誘電体メモリなどの分野では、ＲｕＯｘやＩｒＯ２などの導電性酸化物の電極材料が研究されている。中でもルテニウム酸ストロンチウムは、ＰＺＴと同じペロブスカイト型結晶構造を有しているので、界面での接合性に優れ、ＰＺＴのエピタキシャル成長を実現し易く、Ｐｂの拡散バリア層としての特性にも優れている。
しかし、ルテニウム酸ストロンチウムを圧電体素子の下部電極として用いる場合は、それより下の層を構成する物質は、振動板としての物理的性質や、ルテニウム酸ストロンチウムを適切に配向制御し基板や下部電極との密着性を確保する化学的性質を満たしていなければならない。
発明の開示
本発明は、下部電極として（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを用いた場合に最適な層構成を備えた圧電アクチュエータを提供することを目的とする。そして、この圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。
本発明による圧電アクチュエータは、（１００）配向のＳｉ基板上にエピタキシャル成長されたフルオライト構造を有する立方晶（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２からなる振動板と、前記振動板上に形成された、層状ペロブスカイト構造を有する正方晶あるいは斜方晶（００１）配向のＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＲＥ＝Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ）のバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、ペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを備えた下部電極と、前記下部電極上に形成された、菱面体晶（１００）配向のペロブスカイト構造を有する圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を備えている。
上記圧電アクチュエータにおいて、前記下部電極は、少なくとも２層のルテニウム酸ストロンチウムと、これらに挟まれたイリジウム又は白金の層とを備えることが望ましい。これにより、ＳＲＯのみで構成した下部電極に比べ靭性が向上し、割れやひびの発生を抑えることができる。
上記圧電アクチュエータにおいて、前記下部電極を構成するルテニウム酸ストロンチウムのうち少なくとも前記圧電体層側の層は、ＳｒＲｕＯ３で表される組成を有することが望ましい。これにより、下部電極としての導電性と、圧電体膜の配向制御を十分に確保することができる。
上記圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体層は、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ又はＰＺＮ−ＰＴであることが望ましい。これらの圧電体により、良好な圧電特性を得られるとともに、ルテニウム酸ストロンチウムを備えた下部電極上において良好に配向制御することができる。
本発明の液体噴射ヘッドは、上記の圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータに備えられた前記振動板の振動により容積変化可能に構成された圧力室を前記Ｓｉ基板に備えたものである。
本発明の液体噴射装置は、上記の液体噴射ヘッドを液体噴射手段として備えたものである。
発明を実施するための最良の形態
（インクジェットプリンタの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた液体噴射装置の一例であるインクジェットプリンタの構成図である。インクジェットプリンタは、主に本発明の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド１、本体２、トレイ３、ヘッド駆動機構７を備えて構成されている。
インクジェット式記録ヘッド１は、噴射する液体としてイエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクを収容したカートリッジを備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。また、このインクジェットプリンタは、内部に専用のコントローラボード等を備えており、インクジェット式記録ヘッド１のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構７の走査を制御する。
また、本体２は背面にトレイ３を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）６を備え、記録用紙５を自動的に送り出し、正面の排出口４から記録用紙５を排紙する。
（インクジェット式記録ヘッドの全体構成）
図２に、上記インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図を示す。インクジェット式記録ヘッド１は、圧力室基板（Ｓｉ基板）２０と、その一方の面に固定された振動板３０と、他方の面に固定されたノズル板１０とを備えて構成されている。このヘッド１は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧力室２１は、インクなどの液体を吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２は複数の圧力室２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各圧力室２１に充たすための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１にインクを導入可能に形成されている。
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられた圧力室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いる。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０は、筐体２５に納められている。
振動板３０には圧電アクチュエータ（後述）が設けられている。振動板３０には、インクタンク口（図示せず）が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクをリザーバ２３に供給可能になっている。
（層構造）
図３は、本発明の製造方法によって製造されるインクジェット式記録ヘッドおよび各圧電アクチュエータの層構造を説明する断面図である。図に示すように、圧電アクチュエータは、（１００）配向のＳｉ基板２０上に、振動板３０、バッファ層４１、下部電極４２、圧電体薄膜４３および上部電極４４を積層して構成されている。
振動板３０は、圧電体層の変形により変形し、圧力室２１の内部の圧力を瞬間的に高める機能を有する。振動板３０は、フルオライト構造を有する立方晶（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２により構成される。このイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２は、（１００）Ｓｉ基板上に容易に立方晶（１００）配向でエピタキシャル成長し、さらにその上にバッファ層をエピタキシャル成長させるのに適している。
バッファ層４１は、振動板３０上に自身がエピタキシャル成長し、さらにその上に下部電極４２をエピタキシャル成長させるためのものである。バッファ層４１は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＲＥ＝Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ）からなり、正方晶あるいは斜方晶の（００１）配向でエピタキシャル成長している。そして、銅と酸素の２次元ネットワークの積層構造を含む層状ペロブスカイト構造を有している。
下部電極４２は、圧電体薄膜層４３に電圧を印加するための一方の電極であり、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電体薄膜素子に共通な電極として機能するように振動板３０と同じ領域に形成される。ただし、圧電体薄膜層４３と同様の大きさに、すなわち上部電極と同じ形状に形成することも可能である。下部電極４２は、導電性金属酸化物、特に擬立方晶（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）により構成される。また、２層のＳＲＯ間にイリジウム又は白金の層を挟み込んだ構造としても良い。ＳＲＯ間にイリジウム又は白金の層を挟むことで、靭性が向上し、割れやひびの発生を抑えることができる。
ＳＲＯはペロブスカイト構造をとり、Ｓｒｎ＋１ＲｕｎＯ３ｎ＋１（ｎは１以上の整数）で表される。ｎ＝１のときＳｒ２ＲｕＯ４となり、ｎ＝２のときＳｒ３Ｒｕ２Ｏ７となり、ｎ＝∞のときＳｒＲｕＯ３となる。本実施形態における下部電極としてＳＲＯを用いるときは、導電性及び圧電体薄膜の結晶性を高めるためＳｒＲｕＯ３が最も好ましい。また、前述のように２層のＳＲＯ間にイリジウム又は白金の層を挟み込んだ構造とする場合には、特に圧電体薄膜層側のＳＲＯを、ＳｒＲｕＯ３とすることが好ましい。
圧電体薄膜層４３は、ペロブスカイト型結晶構造を持つ圧電性セラミックスであり、下部電極４２上に所定の形状で形成されて構成されている。圧電体薄膜層４３の組成は、特にジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）又はマグネシウム酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体ＰＭＮ−ＰＴ及び亜鉛酸ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体ＰＺＮ−ＰＴなどが好ましい。また、これに限らず、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＯ３）などでもよい。ＰＺＴ等の圧電体層は、菱面体晶系でかつ（１００）配向であることが好ましい。
上部電極４４は、圧電体薄膜層４３に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等で構成されている。アルミニウムを用いる場合、電蝕対策のため更にイリジウム等を積層する。
（インクジェット式記録ヘッドの動作）
上記インクジェット式記録ヘッド１の動作を説明する。所定の吐出信号が供給されず圧電体薄膜素子４０の下部電極４２と上部電極４４との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層４３には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体薄膜素子４０が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル１１から液滴は吐出されない。
一方、所定の吐出信号が供給され圧電体薄膜素子４０の下部電極４２と上部電極４４との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜層４３に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体薄膜素子４０が設けられている圧力室２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル１１から液滴が吐出される。細長いヘッド中で印刷させたい位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
（製造方法）
図４を参照しながら本実施の形態の圧電アクチュエータの製造工程について、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造工程と併せて説明する。
基板（Ｓ１）
本実施形態の圧電アクチュエータは、図４（Ｓ１）に示す圧力室基板２０上に、振動板３０、バッファ層４１、下部電極４２、圧電体薄膜４３、上部電極４４を成膜して製造する。圧力室基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２００μｍの（１００）配向のシリコン単結晶基板を用いる。
振動板の形成（Ｓ２）
図４（Ｓ２）に示すように、（１００）Ｓｉ基板２０上にＺｒ１−ｘＹｘＯ２−０．５ｘ（０≦ｘ≦１）の組成を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又は上記のＣｅＯ２やＺｒＯ２等からなる振動板３０をエピタキシャル成長により形成する。これにより、（１００）に配向したＹＳＺ等の膜が形成される。
ＹＳＺは、２μｍ以下、例えば１μｍの厚みとする。振動板３０をエピタキシャル形成する方法は、レーザアブレーション法による他、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法などによってもよい。
バッファ層の形成（Ｓ３）
図４（Ｓ３）に示すように、振動板３０の上にバッファ層４１を成膜する。バッファ層４１として、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＲＥ＝Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙ）を厚さ約１０ｎｍに成膜する。成膜方法としては例えばレーザアブレーション法を用いる。またこれに限らずＭＯＣＶＤ法など公知の薄膜作製法をとってもよい。
下部電極の形成（Ｓ４）
図４（Ｓ４）に示すように、バッファ層４１の上に、下部電極４２を成膜する。下部電極４２として、上述のＳＲＯ、又はＳＲＯ／Ｐｔ／ＳＲＯ若しくはＳＲＯ／Ｉｒ／ＳＲＯの積層構造を、厚さ約５００ｎｍに成膜する。成膜方法としては例えばレーザアブレーション法を用いる。またこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法など公知の薄膜作製法をとってもよい。
圧電体薄膜の形成（Ｓ５）
続いて図４（Ｓ５）に示すように、下部電極４２上に、圧電体薄膜４３を成膜する。本実施形態ではＰｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）Ｏ３の組成からなるＰＺＴ膜を例えばゾル・ゲル法で成膜する。すなわち、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させて非晶質膜である圧電体前駆体膜を成膜し、更に焼成によって結晶化させる。
また、Ｐｂ（Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４）Ｏ３の組成からなるＰＺＴ膜をＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で作製することもできる。この場合、金属アルコキシドは例えばトリエタノールアミン、ジエタノールアミン等のアルカノールアミンの作用で加水分解を抑制される。アルカノールアミンを併用した金属アルコキシド以外には、同様に加水分解を生じない金属アセチルアセトナートがＭＯＤ法の出発原料として相応しい。ＭＯＤ法によれば、成膜工程はゾル・ゲル法と同一の方法が採用できる。すなわち脱脂工程を経ることで圧電体前駆体膜が形成され、更に焼成によって結晶化できる。
ＰＺＴはＳＲＯ下部電極の結晶構造の影響をうけて結晶成長する。本実施形態では（１００）配向のＳＲＯ上にＰＺＴを成膜するため、（１００）配向のＰＺＴ薄膜が形成される。圧電体薄膜層の厚みは例えば０．３μｍ以上２μｍ以下とする。
ＰＭＮ−ＰＴで圧電体膜を形成する場合、組成は結晶系が菱面体晶系を示す組成であり、且つ圧電体に電圧を印加した時に得られる電界誘起歪みを効果的に得られる組成、すなわち（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３において、ｘは、０．２５≦ｘ≦０．３５を満たす組成である。特にｘ＝０．３が好ましい。
ＰＺＮ−ＰＴで圧電体膜を形成する場合、組成は結晶系が菱面体晶系を示す組成であり、且つ圧電体に電圧を印加した時に得られる電界誘起歪みを効果的に得られる組成、すなわち（１−ｙ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｙＰｂＴｉＯ３において、ｙは０．０３５≦ｙ≦０．０５５を満たす組成である。特にｙ＝０．０４５が好ましい。
ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴもＳＲＯ上では（１００）配向を示す膜となる。圧電体膜の厚みは例えば０．３μｍ以上２μｍ以下とする。
上部電極の形成（Ｓ６）
次に図４（Ｓ６）に示すように、圧電体薄膜４３上に上部電極４４を形成する。具体的には、上部電極４４として白金（Ｐｔ）等を１００ｎｍの膜厚に直流スパッタ法で成膜する。
（圧電アクチュエータの形成）
図５（Ｓ７）に示すように、圧電体薄膜４３及び上部電極４４を所定形状に加工して圧電アクチュエータを形成する。具体的には、上部電極４４上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極４４、圧電体薄膜４３をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程により、圧電体薄膜素子４０を備えた圧電アクチュエータが形成される。
（インクジェット式記録ヘッドの形成）
図５（Ｓ８）に示すように、圧力室基板２０に圧力室２１を形成する。圧力室基板２０として（１００）配向のＳｉ基板を用いている場合、圧力室２１の形成方法としてはドライエッチングを用いる。エッチングされずに残った部分は側壁２２となる。
最後に、図５（Ｓ９）に示すように、樹脂等を用いてノズル板１０を圧力室基板２０に接合する。ノズル板１０を圧力室基板２０に接合する際には、ノズル１１が圧力室２１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。以上の工程により、インクジェット式記録ヘッドが形成される。
（他の応用例）
本発明は、上記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、本発明の圧電アクチュエータは、上記液体噴射ヘッドのみならず、ＳＴＭなどの精密位置決め機構、細胞操作用マニピュレータ、超音波診断装置用プローブ、超音波モータ、小型圧電ポンプ等、種々のアクチュエータとして適用することができる。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、インクジェット記録装置に用いられるインクを噴射するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機ＥＬディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を噴射するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を噴射するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。
産業上の利用可能性
本発明によれば、下部電極として（１００）配向のルテニウム酸ストロンチウムを用いた場合に最適な層構成を備えた圧電アクチュエータを提供することができる。そして、この圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた液体噴射装置であるインクジェットプリンタの構成図である。
図２は、液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
図３は、本発明の製造方法によって製造される液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドおよび圧電アクチュエータの層構造を説明する断面図である。
図４は、本実施形態の圧電アクチュエータの製造工程断面図である。
図５は、本実施形態の液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
なお、図中、符号２０は圧力室基板（Ｓｉ基板）、３０は振動板、４２は下部電極、４３は圧電体薄膜、４４は上部電極、２１は圧力室、１０はノズル板、そして１１はノズルである。
【図１】
2003098714.tif 000003
【図２】
2003098714.tif 000004
【図３】
2003098714.tif 000005
【図４】
2003098714.tif 000006
【図５】
2003098714.tif 000007
【国際調査報告】
2003098714.tif 000008
2003098714.tif 000009
2003098714.tif 000010
2003098714.tif 000011