(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上に形成された、ＳｉＯ2若しくはＺｒＯ2、又はＳｉＯ2とＺｒＯ2との積層構造からなる振動板と、
前記振動板上に形成された、（１１１）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ2又はＺｒＯ2からなるバッファ層と、
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（１１１）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）を備えた下部電極であって、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を有する下部電極と、
前記下部電極上に形成された、（１１１）配向のＰＺＴからなる圧電体層と、
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３】
請求項１又は請求項２において、
前記バッファ層は、イットリア安定化ジルコニアからなる、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インク室を前記Ｓｉ基板に備えた、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のインクジェット式記録ヘッドを印字手段として備えたプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００７】
本発明は、下部電極として（１１１）配向のルテニウム酸ストロンチウムを用い、正方晶系の（１１１）配向のＰＺＴを備える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インクジェット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による圧電アクチュエータは、Ｓｉ基板上に形成された、ＳｉＯ２若しくはＺｒＯ２、又はＳｉＯ２とＺｒＯ２との積層構造からなる振動板と、前記振動板上に形成された、（１１１）配向のイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ２又はＺｒＯ２からなるバッファ層と、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（１１１）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、（１１１）配向のＰＺＴからなる圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を備えている。
【００１０】
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。
【００１１】
上記圧電アクチュエータにおいて、前記バッファ層は、イットリア安定化ジルコニアからなることが望ましい。これにより、下部電極を構成するルテニウム酸ストロンチウムをより良好に配向制御することができる。
【００１２】
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、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インク室を前記Ｓｉ基板に備えたものである。
【００１３】
本発明のプリンタは、上記のインクジェット式記録ヘッドを印字手段として備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（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。
【００１５】
インクジェット式記録ヘッド１は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインク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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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、インク室基板（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。
【００１８】
インク室基板２０は、インク室（キャビティ、圧力室）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。インク室２１は、インクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２は複数のインク室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インク室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から各インク室２１にインクを導入可能に形成されている。
【００１９】
ノズル板１０は、インク室基板２０に設けられたインク室２１の各々に対応する位置にそのノズル穴１１が配置されるよう、インク室基板２０に貼り合わせられている。ノズル板１０を貼り合わせたインク室基板２０は、筐体２５に納められている。
【００２０】
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。
【００２１】
（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、Ｓｉ基板２０上に、絶縁膜３１（振動板３０）、バッファ層３２、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。
【００２２】
絶縁膜３１は、導電性のない材料、特に非晶質の酸化珪素（ＳｉＯ２）若しくは酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、又は酸化珪素と酸化ジルコニウムの積層体により構成される。絶縁膜３１は、圧電体層の変形により変形し、インク室２１の内部の圧力を瞬間的に高める為の振動板３０として機能する。
【００２３】
バッファ層３２は、（１１１）配向のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）により構成される。このバッファ層３２は、フルオライト構造を有し、絶縁膜３１上に（１１１）配向ペロブスカイト構造の下部電極４２をエピタキシャル成長させるのに適している。なおバッファ層はこれに限らず、（１１１）配向のＣｅＯ2、ＺｒＯ2等や、これらのうち何れか又は双方と（１１１）配向のＹＳＺとの積層体により構成しても良い。
【００２４】
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、インク室基板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絶縁膜３１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（１１１）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）により構成され、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を有する。
【００２５】
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。
【００２６】
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）又はこれにマグネシウムやニオブなどの添加物を加えたものが好ましい。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は、正方晶系でかつ（１１１）配向であることが好ましい。
【００２７】
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。
【００２８】
（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が設けられているインク室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル穴１１からインク滴は吐出されない。
【００２９】
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が設けられているインク室２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このためインク室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴１１からインク滴が吐出される。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。
【００３０】
（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、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。
【００３１】
基板及び絶縁膜の形成（Ｓ１）
まず、図４（Ｓ１）に示すように、インク室基板２０に振動板としての絶縁膜３１を成膜する。インク室基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２００μｍの（１１０）配向シリコン単結晶基板を用いる。絶縁膜３１は、１１００℃の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させ、２μｍ以下、好ましくは約１μｍの膜厚の熱酸化膜を形成する。この方法ではＳｉ基板２０の両面にＳｉＯ２からなる絶縁膜３１が形成される、そのうち一方の絶縁膜３１が振動板３０となる。
【００３２】
なお、この他に、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。また上述のように、絶縁膜３１（振動板３０）として、二酸化珪素に限られず、酸化ジルコニウム膜等を成膜してもよい。
【００３３】
バッファ層の形成（Ｓ２）
次に、図４（Ｓ２）に示すように、絶縁膜３１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）からなるバッファ層３２を、例えばＲＦスパッタ法により形成する。これにより（１１１）に一軸配向したＹＳＺ膜が形成される。
【００３４】
ＹＳＺは、例えば１００ｎｍの厚みとする。バッファ層３２はスパッタ法に限らず、レーザアブレーション法、ＰＶＤ法（物理的蒸着法）などによって形成してもよい。
【００３５】
下部電極の形成（Ｓ３）
図４（Ｓ３）に示すように、バッファ層３２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。
【００３６】
圧電体薄膜の形成（Ｓ４）
続いて図４（Ｓ４）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。
【００３７】
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。（１１１）配向のＳＲＯ上にＰＺＴ薄膜を形成する場合は（１１１）配向となり、（１１０）配向のＳＲＯ上にＰＺＴ薄膜を形成する場合は（１１０）配向となる。圧電体薄膜層の厚みは例えば１μｍ以上２μｍ以下とする。
【００３８】
上部電極の形成（Ｓ５）
次に図４（Ｓ５）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。
【００３９】
（圧電アクチュエータの形成）
図５（Ｓ６）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、インク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。
【００４０】
（インクジェット式記録ヘッドの形成）
図５（Ｓ７）に示すように、インク室基板２０にインク室２１を形成する。本実施形態ではインク室基板２０として（１１０）配向のＳｉ基板を用いているので、インク室２１の形成方法としては異方性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。
【００４１】
最後に、図５（Ｓ８）に示すように、樹脂等を用いてノズル板１０をインク室基板２０に接合する。ノズル板１０をインク室基板２０に接合する際には、ノズル１１がインク室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。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、下部電極として（１１１）配向のルテニウム酸ストロンチウムを用い、正方晶系の（１１１）配向のＰＺＴを備える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インクジェット式記録ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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インクジェットプリンタの構成図である。
【図２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】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】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】本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【符号の説明】
２０…インク室基板（Ｓｉ基板）、  ３０…振動板、３１…絶縁膜、  ３２…バッファ層、４２…下部電極、  ４３…圧電体薄膜、  ４４…上部電極、  ２１…インク室、  １０…ノズル板、  １１…ノズル穴
【図１】
0004099818.tif 000002
【図２】
0004099818.tif 000003
【図３】
0004099818.tif 000004
【図４】
0004099818.tif 000005
【図５】
0004099818.tif 000006