JP2003243736A - 圧電アクチュエータ、液滴噴射ヘッド、およびそれを用いた液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下部電極としてルテニウム酸ストロンチウ
ム、圧電体層としてＰＭＮ−ＰＴを用いた圧電アクチュ
エータの提供。 【解決手段】 本圧電アクチュエータは、ＳｉＯ_２また
はＳｉ（（１００）配向または（１１０）配向）の基層
（３１、２０）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲ
Ｏ）で構成されるバッファ層（４１）、リラクサ系誘電
体（ＰＭＮ−ＰＴ）で構成された（００１）配向で室温
で菱面体晶系または疑似立方晶系の圧電体層（４４）を
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体材料を結晶
させて形成された圧電体層を備える圧電アクチュエータ
に係り、特に、下部電極にルテニウム酸ストロンチウム
を、圧電体層にＰＭＮ−ＰＴ、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
能を呈する圧電体層を２つの電極で挟んで構成されてい
る。圧電体層の材料としては、電歪セラミックス、圧電
セラミックスが知られている。圧電アクチュエータの特
性改善のために、圧電体層を形成するセラミックス材料
と、圧電体層を結晶成長させる下地となる下部電極材料
と、の両面から研究が進められてきた。

【０００３】圧電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、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）が有名である。ＰＺＴ
の他には、鉛を使用しないという利点があり変位量が大
きく原料が安価であり使用実績が多いチタン酸バリウム
（ＢａＴｉＯ_３）が存在する。

【０００４】また、大きな電気機械結合定数と圧電定数
とを持ち、ＰＺＴ系セラミックスに代わる材料として、
リラクサ系強誘電体材料が注目されている。リラクサ系
強誘電体材料としては、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ
（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３―ＰｂＴｉＯ_３）やＰＺ
Ｎ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３―ＰｂＴ
ｉＯ_３）が有力な材料として挙げられる。

【０００５】電極材料としては、伝統的にＰｔ等の金属
材料が用いられてきたが、近年、ルテニウム酸ストロン
チウム（ＳｒＲｕＯ_３等）が注目されている。この理由
は、ルテニウム酸ストロンチウムがＰＺＴ系の圧電体層
と同様なペロブスカイト結晶構造を備えているため、界
面での接合性に優れＰＺＴ等のエピタキシャル成長を実
現しやすいからである。またこの材料は圧電体層中のＰ
ｂの拡散を防止するバリア層としての特性にも優れてい
る。

【０００６】ＰＺＴからなる圧電体層とルテニウム酸ス
トロンチウムからなる電極とを組み合わせることで、好
適な特性を有する圧電アクチュエータを提供することが
できる。例えば、特開２００１−１２２６９８号公報に
は、ルテニウム酸ストロンチウムからなる下部電極上に
ＰＺＴからなる圧電体層を形成する場合における、バッ
ファ層を用いた複合電極構造について開示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ルテニ
ウム酸ストロンチウム等の金属酸化物電極は、直接接す
る圧電体層の強誘電体材料と格子定数が適合しているこ
と、およびシリコン基板および圧電体層との密着性がよ
いことが望まれる。バッファ層の材料と圧電体層の強誘
電体材料とを任意に組み合わせて用いるわけにいかな
い。具体的には、強誘電体材料の格子定数に適合するよ
うに下部電極のルテニウム酸ストロンチウム等の酸化物
の結晶状態を制御し同時にシリコン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。

【０００８】従来実験されているのは、ＰＺＴを圧電体
層の材料として用いた場合の金属酸化物電極の構造であ
り、ＰＺＴ以外の強誘電体材料を用いた場合に、金属酸
化物電極としてどのような層構造や結晶状態が必要であ
るかは不明であった。特に優れた圧電体特性を有するＰ
ＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系強誘電体材
料、環境保護の観点から好適なチタン酸バリウムなどを
金属酸化物電極とともに用いた場合には、好適な圧電ア
クチュエータが提供できると予想できる。

【０００９】本発明は、特に、下部電極にルテニウム酸
ストロンチウム等の金属酸化物を用い、圧電体層を形成
する強誘電体材料にＰＭＮ−ＰＴを用いた場合における
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滴噴射ヘッドを
提供することを目的とする。

【００１０】

【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、基層と、基層上に形成された、酸化物で構
成されるバッファ層と、ルテニウム酸ストロンチウムを
含む電極をバッファ層側に備える電極対と、電極対間に
形成された、リラクサ系誘電体から構成される圧電体層
と、を備えている。

【００１１】酸化物の存在により、ルテニウム酸ストロ
ンチウムを含む電極を（００１）配向に配向制御するこ
とができ、（００１）配向に制御されたルテニウム酸ス
トロンチウム上にはペロブスカイト結晶構造のリラクサ
系誘電体から構成される圧電体層をエピタキシャル成長
させることができるからである。

【００１２】このとき、リラクサ系誘電体は室温で（０
０１）配向の菱面体晶系または疑似立方晶系の結晶構造
を備えている。このリラクサ系誘電体としては、ＰＭＮ
−ＰＴが挙げられる。

【００１３】具体的には、リラクサ系誘電体はＰＭＮ_ｘ
−ＰＴ_{（１−ｘ）}で表した場合の組成比ｘが０．６から
０．８までの範囲内である。

【００１４】バッファ層は、例えば、酸化ストロンチウ
ム、酸化セリウム、イットリウム安定化ジルコニウム
（ＹＳＺ）からなる群から選ばれる一以上の材料が挙げ
られる。

【００１５】より具体的には、バッファ層としては（１
００）配向の金属酸化物が好適である。このとき、基層
は非晶質の酸化珪素で構成されている。

【００１６】またはこのようなバッファ層としては、
（１１０）配向の金属酸化物でもよい。この場合の金属
酸化物としては、例えば、酸化ストロンチウムが挙げら
れる。このとき、基層は（１００）配向または（１１
０）配向の珪素から構成される。

【００１７】本発明は、上記したような構成の圧電アク
チュエータを備えた液滴噴射ヘッドでもある。また、本
発明は、このような液滴噴射ヘッドを備えたプリンタで
もある。

【００１８】本発明の圧電アクチュエータは、基層との
密着性を確保しながら電気機械変換特性および圧電特性
に優れた材料で圧電体層を形成することができるため、
耐久性に優れておりインクの吐出性能に優れたヘッドと
プリンタを提供できるのである。

【００１９】なお、本発明の圧電アクチュエータは、液
滴噴射ヘッドに備えられ、印刷用途のインクジェット式
記録ヘッドとして、またはプリンタとしてのみならず、
表示装置製造や基板印刷のために工業材料を吐出させる
ための液滴噴射ヘッド、およびそれを用いた装置にも適
用可能である。また当該圧電アクチュエータの層構造
は、誘電体メモリ、強誘電体キャパシタ、不揮発性半導
体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、セン
サ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変調
器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘電
体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、およ
び電気光学装置に適応することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に本発明の好適な実施の形態
を、図面を参照して説明する。 （実施形態１）本発明の実施形態１は、下部電極に金属
酸化物、圧電体層にリラクサ系強誘電体材料を用いた場
合の圧電アクチュエータに関する。本実施形態は、例え
ばインクジェット式記録ヘッドに適用するために適した
圧電アクチュエータである。

【００２１】図１に、実施形態１の圧電アクチュエータ
およびそれを備えるインクジェット式記録ヘッドの層構
造を説明する部分断面図を示す。図１は、一つのインク
吐出要素を拡大して示したものである。

【００２２】図１に示すように、圧電アクチュエータ４
０は、絶縁膜３１上に、バッファ層４１、下部電極４
２、圧電体層４４および上部電極４３を積層して構成さ
れている。インクジェット式記録ヘッドに関する構成要
素として、インクを溜める圧力室２１が形成されている
圧力室基板２０、インク液滴を吐出するノズル１１を備
えるノズルプレート１０、および圧力室２１に溜められ
たインクに圧力を加えるために圧電アクチュエータ４０
の変位に応じて振動可能に構成された前記絶縁膜３１を
備えている（図５参照）。本実施形態では、絶縁膜３１
のほぼ全面にバッファ層４１および下部電極４２を重ね
て形成してあるので、絶縁膜３１、バッファ層４１、お
よび下部電極４２の全体が振動板３０として機能するよ
うになっている。

【００２３】圧力室基板２０は、必要とされる機械的強
度および化学的耐性を備えた加工しやすい材料、例えば
シリコンで構成される。その厚みはヘッドの仕様に応じ
て定められるが、シリコン単結晶基板（ウェハ）を利用
する場合にはその基板の厚みとなる。インクジェット式
記録ヘッドの場合、求められる解像度に応じて圧力室２
１の寸法が定められている。圧力室基板２０は、例えば
（１００）配向または（１１０）配向を備えている。

【００２４】なお、インクジェット式記録ヘッド以外に
本圧電アクチュエータを適用する場合等で絶縁膜３１を
設ける必要がない場合には、この圧力室基板２０を本発
明の基層として作用させることができる。

【００２５】絶縁膜３１は、インクジェット式記録ヘッ
ドの振動板として機能可能な弾性と機械的強度を備えた
導電性のない材料、例えば非晶質の酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ_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。
当実施形態ではこの絶縁膜が本発明の基層となってい
る。

【００２６】バッファ層４１は、金属酸化物、例えば、
酸化ストロンチウム、酸化セリウム等により構成され
る。バッファ層はこれら金属酸化物と他の層、例えばイ
ットリア安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）との積層構造を
備えていてもよい。バッファ層の配向性としては、基層
として非晶質の絶縁膜３１を設ける場合には（１００）
配向にし、（００１）配向の下部電極４１をエピタキシ
ャル結晶成長させやすいようにする。なお、絶縁膜を用
いず、基層として（１００）配向または（１１０）配向
のシリコン基板を直接適用する場合には、バッファ層は
（１１０）配向になり、シリコン基板との密着性を確保
しながら（００１）配向の下部電極を結晶成長させるこ
とを可能にする。

【００２７】なお、図２に示すように振動板を絶縁膜３
１だけで形成する場合、下部電極の形成領域より狭い領
域にバッファ層４１ｂをパターン形成し、それを覆うよ
うに下部電極４２ｂを形成することが望ましい。こうす
ることにより潮解性を有する酸化ストロンチウムを外気
に触れないようにすることができる。

【００２８】下部電極４２は、圧電体層４４を挟む電極
対の一方の電極であり、圧力室基板２０上に形成される
複数の圧電アクチュエータ４０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、図２に示すように圧電体層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、具体的にはル
テニウム酸ストロンチウムにより（ＳＲＯ）構成され
る。この下部電極のルテニウム酸化ストロンチウムは
（００１）配向になっている。下部電極４２を二層のＳ
ＲＯ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。ここで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ＳｒＲ
ｕＯ_３となる。本実施形態における下部電極としてＳＲ
Ｏを用いるときは、導電性及び圧電体層の結晶性を高め
るため、組成としてＳｒＲｕＯ_３が好ましい。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、圧電体層側のＳＲＯ
を、ＳｒＲｕＯ_３とすることが好ましい。

【００２９】圧電体層４４は、ペロブスカイト型結晶構
造を持つ圧電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いる。圧電体層４４の組成は、リ
ラクサ系誘電体である。リラクサ系強誘電体材料として
は、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ
_２／３）Ｏ_３―ＰｂＴｉＯ_３）である。各元素の組成比
は厳密なものではなく、本来の特性が失われない限り若
干のずれがあってもよい。例えば、ＰＭＮ−ＰＴの組成
をＰＭＮ_ｘ−ＰＴ_{（１−ｘ）}で表した場合、組成比ｘが
０．６から０．８までの範囲内にあるように組成制御を
して圧電体層を構成することが好ましい。リラクサ系誘
電体は室温で（００１）配向の菱面体晶系または疑似立
方晶系の結晶構造を備えている。（００１）配向の金属
酸化物から構成される下部電極上には、このように（０
０１）配向の菱面体晶系または疑似立方晶系の結晶構造
を備えたリラクサ系誘電体の結晶を成長させることがで
きる。

【００３０】上部電極４３は、圧電体層４４に電圧を印
加する電極対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
ことが好ましい。

【００３１】図３および図４の製造工程断面図を参照し
ながら、本実施形態の圧電アクチュエータおよびインク
ジェット式記録ヘッドの製造工程を説明する。

【００３２】基板及び絶縁膜の形成工程では、図３（Ｓ
Ｔ１）に示すように、圧力室基板２０に振動板としての
絶縁膜３１を成膜する。圧力室基板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、シリコン
基板の表面を熱酸化して形成する。例えば、１１００℃
程度の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化
させることで、厚さ２μｍ以下、好ましくは約１μｍの
膜厚の非晶質熱酸化膜が形成される。この方法ではＳｉ
Ｏ_２からなる絶縁膜３１がシリコン基板の両面に形成さ
れる。そのうち一方の絶縁膜３１が振動板として使用さ
れる。

【００３３】なお、熱酸化法による他、ＣＶＤ法等の成
膜法を適宜選択して成膜してもよい。また絶縁膜３１
は、二酸化珪素に限られず、酸化ジルコニウム、また
は、酸化ジルコニウムと二酸化珪素との積層膜により形
成されていてもよい。

【００３４】バッファ層の形成工程では、図３（ＳＴ
２）に示すように、絶縁膜３１上に酸化ストロンチウム
（ＳｒＯ）からなるバッファ層４１を、例えばＲＦスパ
ッタ法により形成する。ＳｒＯから構成されるバッファ
層は、界面の密着性を確保するためおよび潮解性を有し
ているため膜厚が薄いことが好ましく、例えば３０ｎｍ
またはそれ以下の厚みとする。バッファ層４１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。この工程に
より（００１）に面内配向（二軸配向）したＳｒＯ膜が
形成される。

【００３５】なお、絶縁膜を使用せず（１００）配向ま
たは（１１０）配向のシリコン基板上に直接バッファ層
を形成する場合には、バッファ層のＳｒＯは（１１０）
配向になる。

【００３６】絶縁膜３１全面にバッファ層を形成した
後、図３（ＳＴ２）に示すように、バッファ層４１の周
囲を異方性エッチング等により選択的にエッチングす
る。これによりバッファ層４１は、後に下部電極が形成
された場合に絶縁膜３１と下部電極４２に全体を覆われ
た構造となる。バッファ層が潮解性を有する材料である
場合には、この密封構造により空気を遮断することがで
きる。

【００３７】なお、圧電アクチュエータを図２に示すよ
うな層構造で作成するためには、各圧電体層の形状より
若干小さな面積となるように、全面形成されたバッファ
層をパターニングする。

【００３８】下部電極の形成工程では、図３（ＳＴ３）
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を所定の厚
さ、例えば約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。

【００３９】圧電体層の形成工程では、図３（ＳＴ４）
に示すように、下部電極４２上に、圧電体層４４を成膜
する。本実施形態では、リラクサ系強誘電体材料、特に
ＰＭＮ−ＰＴを公知の成膜法、例えばゾ塗布熱分解法
（ＭＯＤ法）で成膜する。

【００４０】例えばＭＯＤ法を適用する具体例として
は、まず有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピ
ンコート等の塗布法にて下部電極４２上に塗布する。Ｐ
ＭＮ−ＰＴを形成するならＰｂ（Ｍｇ_１／３Ｎ
ｂ_２／３）Ｏ_３とＰｂＴｉＯ_３との二元固溶体を利用す
る。次いで塗布したゾルを一定温度で一定時間乾燥さ
せ、溶媒を蒸発させる。ゾルの乾燥後、さらに大気雰囲
気下において所定の高温で一定時間脱脂し、金属に配位
している有機の配位子を熱分解させて金属酸化物とす
る。この塗布→乾燥→脱脂の各工程を所定回数繰り返し
て複数層の圧電体前駆体膜を積層する。これらの乾燥と
脱脂処理により溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは
配位子の熱分解を経て金属−酸素−金属のネットワーク
を形成する。次いでこの圧電体前駆体膜を所定の温度で
焼成し結晶化させる。この熱処理により、アモルファス
状態の前駆体からリラクサ系強誘電体のペロブスカイト
結晶構造が、下部電極の結晶構造の影響を受けながら結
晶成長する。

【００４１】なお、本実施形態ではＭＯＤ法で圧電体層
を形成したが、他の方法で形成してもよい。例えば、ゾ
ル・ゲル法や、特開平８−３１６０９８号に記載されて
いるようなスパッタリング法により圧電体層を形成して
もよい。

【００４２】本実施形態では（００１）配向のＳＲＯ上
でリラクサ系強誘電体材料をエピタキシャル成長させる
ため、圧電体層４４は室温で（００１）配向の菱面体晶
系の結晶構造を備えている。圧電体薄膜層の厚みはクラ
ックが発生しない程度で所望の特性が得られる厚みとす
る。

【００４３】上部電極の形成工程は、図３（ＳＴ５）に
示すように、圧電体層４４上に上部電極４３を形成する
工程である。具体的には、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（Ａ
ｌ）等をスパッタ法で成膜する。アルミニウムを用いる
場には合、電蝕対策のため更にイリジウム等を積層する
ことが好ましい。上部電極は、例えば１００ｎｍの膜厚
に成膜する。

【００４４】上記の各工程によって、圧電アクチュエー
タの層構造が形成される。下部電極４１と上部電極４３
との間に所定の電圧を印加することで両電極間に電界が
生じ、この電極により圧電体層４４中の結晶構造が圧電
定数に応じたひずみを生ずる。これが全体として圧電ア
クチュエータの体積変化となる。

【００４５】当該圧電アクチュエータは、応用する装置
の仕様に応じて適する形状に加工して使用する。その用
途に限定はないが、例えば後述する実施形態におけるイ
ンクジェット式記録ヘッドである。

【００４６】本実施形態によれば、圧電特性に優れたＰ
ＭＮ−ＰＴのリラクサ系強誘電体材料とする圧電体層
と、当該圧電体層や基層との密着性に優れるルテニウム
酸ストロンチウムを使用した電極と、を組み合わせたの
で、圧電体特性および耐久性が共に優れた圧電アクチュ
エータを提供することができる。

【００４７】

【実施例１】本実施形態１に基づいて圧電アクチュエー
タを製造した。本実施例では、バッファ層に酸化ストロ
ンチウム、酸化セリウム、およびイットリア安定化ジル
コニアの積層構造、下部電極に（００１）配向の酸化ス
トロンチウムを形成し、その上にＰＭＮ_０．７−ＰＴ
_０．３のリラクサ系誘電体材料で圧電体層を結晶成長さ
せたものを製造した。バッファ層の膜厚は１００ｎｍで
あり、下部電極の膜厚は２００ｎｍであり、圧電体層の
膜厚は１０００ｎｍであった。

【００４８】図７に、実施例の圧電アクチュエータの配
向性を調べるために、Ｘ線回折分析を実施した結果のＸ
ＲＤパターン図を示す。圧電体層は２１．８°付近に
（００１）配向のピークおよび３１°付近に（１１０）
配向のピークを有している。図７に示すように、（１１
０）配向は（００１）配向の５％未満であり、実質的に
ＰＭＮ−ＰＴからなる圧電体層は（００１）配向が優勢
に現れていることが判った。

【００４９】図８（ａ）および（ｂ）に、本実施例の圧
電アクチュエータの層構造を調べるために電子顕微鏡で
その断面を撮影したＳＥＭ写真を示す。図８（ｂ）は図
８（ａ）の部分拡大図である。図８に示すように、本実
施例の圧電アクチュエータでは酸化ストロンチウムの下
部電極上でＰＭＮ−ＰＴの柱状結晶が成長していること
が確認できた。このような柱状結晶で構成されている圧
電体層は圧電特性を示すのである。

【００５０】図９に、Ｐｔで形成した下部電極上にＰＺ
Ｎ−ＰＴの誘電体材料を使用して結晶成長させた比較例
を示す。図９は膜厚 μｍの結晶膜を作製したも
のである。図９に示すように、従来用いられた材料とし
て下部電極にＰｔを用いて結晶成長を試みた場合には、
ＰＺＮ−ＰＴの結晶が小粒径の結晶粒からなり図８
（ａ）や（ｂ）に示すような柱状結晶になっていない。
柱状に結晶が成長しないと好適な圧電特性が期待できな
いため従来のＰｔ電極上にリラクサ系誘電体の圧電体層
を形成しても圧電アクチュエータにならないことが解
る。。

【００５１】（実施形態２）本発明の実施形態２は、本
発明の圧電アクチュエータを適用したインクジェット式
記録ヘッドに関する。

【００５２】図５に、本実施形態のインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図を示す。図５に示すように、本イ
ンクジェット式記録ヘッド１は、圧力室基板（シリコン
基板）２０、その一方の面に固定され、背面（図示され
ない面）に本発明の圧電アクチュエータ４０（図５に図
示せず）が形成されている振動板３０、および圧力室基
板２０の他方の面に固定されたノズルプレート１０を備
えて構成され、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッ
ドとして構成されている。本実施形態で使用する圧電ア
クチュエータ４０としては、実施形態１で説明したリラ
クサ系強誘電体材料で圧電体層を形成したもの、また
は、実施形態２で説明したようなチタン酸バリウムで圧
電体層を形成したものが、共に使用可能である。

【００５３】圧力室基板２０は、圧力室（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。圧力室２１は、吐出されるべ
きインクを貯蔵する空間となっている。側壁２２は複数
の圧力室２１の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に補充するた
めのインクの一時的貯蔵部となっている。供給口２４
は、リザーバ２３から各圧力室２１にインクを導入する
供給口として形成されている。

【００５４】ノズルプレート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ノズル１
１が設けられており、各ノズルが圧力室２１に対応する
位置関係で圧力室基板２０に貼り合わせられている。ノ
ズルプレート１０を貼り合わせた圧力室基板２０は筐体
２５に納められ、図示しない供給経路によって外部のイ
ンクタンクからインクを圧力室基板内部に導入可能に構
成されている。

【００５５】振動板３０には、図１や図３（ＳＴ８）に
示すように、本発明の圧電アクチュエータ４０が圧力室
２１に対応する位置に設けられ、図示しないが下部電極
と上部電極との間に共通にあるいは別々に電圧を印加す
ることが可能なように配線されている。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２
３に供給可能になっている。

【００５６】上記インクジェット式記録ヘッド１の構成
における作用を説明する。

【００５７】所定の吐出信号が出力されておらず各圧電
アクチュエータ４０の下部電極４２と上部電極４３との
間に電圧が印加されていない場合、その圧電アクチュエ
ータ４０における両電極間には電界が生じないので圧電
体層４４には変形を生じない。そのため吐出信号が供給
されていない圧電アクチュエータ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
インクの液滴は吐出されない。

【００５８】一方、所定の吐出信号が出力され圧体アク
チュエータ４０の下部電極４２と上部電極４３との間に
一定電圧が印加された場合、その圧電アクチュエータ４
０における両電極間には電界が生じているので、圧電体
層４４に変形を生じる。そして吐出信号が供給された圧
電アクチュエータ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からインクの液滴
が吐出される。すなわち、印刷させたい位置の圧電アク
チュエータ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。

【００５９】次にこのようなインクジェット式記録ヘッ
ドの製造方法を、図４の製造工程断面図を参照して説明
する。この断面図は、図３を参照しながら実施形態１で
説明した圧電アクチュエータの製造工程に引き続くもの
である。

【００６０】圧電アクチュエータとしての層構造を形成
後（図３（ＳＴ５）参照）、図４（ＳＴ６）に示すよう
に、圧電体層４４及び上部電極４３を所定形状にエッチ
ングして個々の圧電アクチュエータ４０を形成する。エ
ッチングには、例えばフォトリソグラフィ法を適用す
る。まず上部電極４３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。不要なレジストを洗浄した後に
残ったレジストをマスクとして上部電極４３、圧電体層
４４をイオンミリング等の公知の方法でエッチングす
る。以上の工程により、圧電アクチュエータ４０が形成
される。

【００６１】次に、図４（ＳＴ７）に示すように、圧力
室基板２０をエッチングして圧力室２１を形成する。本
実施形態では圧力室基板２０として（１００）配向また
は（１１０）配向のシリコン基板を用いているので、圧
力室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が個々のユニットを
隔てる側壁２２となる。

【００６２】最後に、図４（ＳＴ８）に示すように、樹
脂等を用いてノズルプレート１０を圧力室基板２０に接
合する。ノズルプレート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。

【００６３】本発明によれば、圧電特性に優れたＰＭＮ
−ＰＴのリラクサ系強誘電体材料を圧電アクチュエータ
が使用している場合には、吐出特性および耐久性が共に
優れ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。

【００６４】（実施形態３）本発明の実施形態３は、実
施形態２のインクジェット式記録ヘッドを利用したプリ
ンタに関する。

【００６５】図６は、本発明の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造を説明する斜視図で
ある。本インクジェットプリンタは、図６に示すよう
に、インクジェット式記録ヘッド１、本体２、トレイ
３、排出口４、給紙機構６、ヘッド駆動機構７、制御回
路８、操作パネル９を備えて構成されている。

【００６６】インクジェット式記録ヘッド１としては、
例えば実施形態３で説明したような構造のものを使用可
能であるが、ピエゾジェット式ヘッドであれば、他の構
造を備えていてもよい。具体的に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に対応してそれぞれのヘッ
ドが設けられており、フルカラー印刷が可能なように構
成されている。

【００６７】給紙機構６は、モータ６００、ローラ６０
１および６０２を備え、制御回路８からの制御信号に応
じてトレイ３に載置された用紙５を本体２内部に導入で
きるようになっている。

【００６８】ヘッド駆動機構７は、モータおよび図示し
ない機構要素を備え、制御回路８からの制御信号に応じ
て、供給された用紙５の位置に対応させてヘッド１を図
面矢印方向に適宜移動させ制御回路８から供給される吐
出信号に対応させたタイミングでヘッド１から対応する
色のインクを吐出させることが可能に構成されている。

【００６９】排出口４からは、給紙機構６により供給さ
れヘッド駆動機構７により印字が施された用紙５が排出
されるようになっている。

【００７０】本発明によれば、圧電特性に優れたＰＭＮ
−ＰＴのリラクサ系強誘電体材料によりヘッドの圧電ア
クチュエータが採用している場合には、吐出特性および
耐久性が共に優れたプリンタを提供することができる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、圧電特性に優れたリラ
クサ系強誘電体であるＰＭＮ−ＰＴを材料とする圧電体
層と、当該圧電体層や基層との密着性に優れるルテニウ
ム酸ストロンチウムを使用した電極と、を組み合わせた
ので、圧電体特性および耐久性が共に優れた圧電アクチ
ュエータを提供することができる。さらにこの圧電アク
チュエータを備えた圧電特性と耐久性に優れる液滴噴射
ヘッドおよびそれを用いた液滴噴射装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る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２】実施形態１の変形例に係る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３】実施形態１の圧電アクチュエータの製造方法を
説明する製造工程断面図である。

【図４】実施形態２のインクジェット式記録ヘッドの製
造方法を説明する製造工程断面図である。

【図５】実施形態２のインクジェット式記録ヘッドの構
造を説明する分解斜視静図である。

【図６】実施形態３のプリンタの構造を説明する斜視図
である。

【図７】実施例の圧電アクチュエータにおけるＸ線回折
分析に係るＸＲＤパターン図である。

【図８】実施例の圧電アクチュエータの層構造を示す断
面ＳＥＭ写真であり（ａ）が全体図、（ｂ）がその一部
の拡大図である。

【図９】比較例のＰｔ電極上にＰＭＮ―ＰＴからなる圧
電体層の形成を試みた場合の層構造を示す断面ＳＥＭ写
真である。

【符号の説明】

１…インクジェット式記録ヘッド ２０…圧力室基板（シリコン基板） ３０…振動板 ３１…絶縁膜 ３２…バッファ層（酸化ストロンチウム、酸化セリウ
ム、またはイットリア安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）） ４２…下部電極（ルテニウム酸ストロンチウム） ４４…圧電体層（ＰＭＮ−ＰＴ） ４３…上部電極 ２１…圧力室 １０…ノズルプレート １１…ノズル

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基層と、 前記基層上に形成された、酸化物で構成されるバッファ
   層と、 ルテニウム酸ストロンチウムを含む電極を前記バッファ
   層側に備える電極対と、 前記電極対間に形成された、リラクサ系誘電体から構成
   される圧電体層と、を備えた圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記圧電体層を構成する前記リラクサ系
   誘電体は室温で（００１）配向の菱面体晶系または疑似
   立方晶系の結晶構造を備えている、請求項１に記載の圧
   電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記リラクサ系誘電体はＰＭＮ−ＰＴで
   ある、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記リラクサ系誘電体はＰＭＮ_ｘ−ＰＴ
   _{（１−ｘ）}で表した場合の組成比ｘが０．６から０．８
   までの範囲内である、請求項１に記載の圧電アクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 前記ルテニウム酸ストロンチウムを含む
   電極は（００１）配向を備える、請求項１に記載の圧電
   アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記バッファ層は、酸化ストロンチウ
   ム、酸化セリウム、およびイットリウム安定化ジルコニ
   ウムからなる群から選ばれる一以上の材料により構成さ
   れている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
7. 【請求項７】 前記バッファ層は、（００１）配向の金
   属酸化物から構成される、請求項１に記載の圧電アクチ
   ュエータ。
8. 【請求項８】 前記基層は、非晶質の酸化珪素で構成さ
   れている請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
9. 【請求項９】 前記バッファ層は、（１１０）配向の金
   属酸化物から構成される、請求項１に記載の圧電アクチ
   ュエータ。
10. 【請求項１０】 前記基層は、（１００）配向または
    （１１０）配向の珪素から構成される、請求項９に記載
    の圧電アクチュエータ。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求１０の何れか一項に
    記載の圧電アクチュエータを備えた液滴噴射ヘッド。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の液滴噴射ヘッドを
    備えた液滴噴射装置。