JP2003179278A - 圧電アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下部電極として（１１１）又は（１１０）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）又は（１１０）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。 【解決手段】 Ｓｉ基板２０と、前記Ｓｉ基板上に形成
された、ＳｉＯ_２若しくはＺｒＯ_２、又はＳｉＯ_２とＺ
ｒＯ_２との積層構造からなる振動板３０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、ＣｅＯ_２又はＺｒＯ_２からなるバッファ層３
２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）又は（１１０）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、（１１１）又は（１１０）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。

Description

【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ＡＢＯ_３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（Ｔ
ｉ）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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２の密着性にも問
題があった。

【０００４】更に、ＰｔとＳｉＯ_２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、Ｔ
ｉ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、ＲｕＯ_ｘやＩｒＯ_２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）又は
（１１０）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）又は（１１０）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、ＳｉＯ_２若しく
はＺｒＯ_２、又はＳｉＯ_２とＺｒＯ_２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、ＣｅＯ_２又はＺｒ
Ｏ_２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。

【０００９】また、本発明による他の圧電アクチュエー
タは、Ｓｉ基板上に形成された、ＳｉＯ_２若しくはＺｒ
Ｏ_２、又はＳｉＯ_２とＺｒＯ_２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、ＣｅＯ_２又はＺｒＯ_２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（１１０）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、（１１０）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、ＳｒＲｕＯ_３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（ＳｉＯ_２）若しくは酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ_２）、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）又は（１１０）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、（１１
１）配向のＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２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）又は
（１１０）配向のルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲ
Ｏ）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。

【００２５】ＳＲＯはペロブスカイト構造をとり、Ｓｒ
_ｎ＋１Ｒｕ_ｎＯ_３ｎ＋１（ｎは１以上の整数）で表され
る。ｎ＝１のときＳｒ_２ＲｕＯ_４となり、ｎ＝２のとき
Ｓｒ _３Ｒｕ_２Ｏ_７となり、ｎ＝∞のときＳｒＲｕＯ_３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
ＳｒＲｕＯ_３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、Ｓｒ
ＲｕＯ_３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（Ｐ
ｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３：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，Ｌ
ａ）ＴｉＯ_３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，
Ｌａ）ＺｒＯ_３）などでもよい。ＰＺＴは、正方晶系で
かつ（１１１）又は（１１０）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２
０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３
１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ＳｉＯ_２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Ｚｒ
_１−ｘＹ_ｘＯ_{２−０． 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Ｓ
ＲＯ、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（Ｚｒ
_０．５６Ｔｉ_０．４４）Ｏ_３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Ｐ
ＺＴ薄膜を形成する場合は（１１１）配向となり、（１
１０）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１
μｍ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（Ｓ
６）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（１１
１）又は（１１０）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）又は（１１０）配向のＰ
ＺＴ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、３
１…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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角 浩二 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 村井 正己 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF65 AG42 AG44 AG49 BA04 BA14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ基板上に形成された、ＳｉＯ_２若し
   くはＺｒＯ_２、又はＳｉＯ_２とＺｒＯ_２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、ＣｅＯ_２又はＺｒＯ_２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、 を備えた、圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 Ｓｉ基板上に形成された、ＳｉＯ_２若し
   くはＺｒＯ_２、又はＳｉＯ_２とＺｒＯ_２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、ＣｅＯ_２又はＺｒＯ_２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（１１０）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、（１１０）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。
3. 【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、ＳｒＲｕＯ_３で
   表される組成を有する圧電アクチュエータ。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【請求項６】 請求項５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。