JP2004006722A

JP2004006722A - 圧電アクチュエータ、インクジェット式ヘッド及び吐出装置

Info

Publication number: JP2004006722A
Application number: JP2003076244A
Authority: JP
Inventors: Setsuya Iwashita; 岩下　節也; Amamitsu Higuchi; 樋口　天光; Hiroshi Miyazawa; 宮澤　弘
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-01-08
Also published as: US7033521B2; US20040084994A1

Abstract

【課題】圧電体として、Ｐｂを含まないチタン酸バリウムを用いた圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】（ａ）Ｓｉ基板上に（ｂ）エピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層と、（ｃ）前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）若しくは（１１１）配向を備えた下部電極と、（ｄ）前記下部電極上に形成された、擬立方晶（００１）または（１１１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）からなる圧電体層と、（ｅ）　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。
下部電極は金属でもよい。
【選択図】　図３

Description

【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、これを用いたインクジェット式ヘッド及びこのインクジェット式ヘッドを用いた吐出装置に係り、特に、圧電体としてＰｂを含まないものを用いた圧電アクチュエータ、これを用いたインクジェット式ヘッド及びこのインクジェット式ヘッドを用いた吐出装置に関する。
【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、従来Ｐｂを含むＰＺＴが高性能の故に盛んに用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｐｂは多くの生物に有害であり、環境保護の観点からこれを用いないで、しかも高性能の圧電アクチュエータの出現が望まれている。
【０００４】
本発明は、圧電体としてチタン酸バリウムを用い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ヘッド及び吐出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、（１００）若しくは（１１０）配向であるＳｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）配向を備えた下部電極と、前記下部電極上に形成された、擬立方晶（００１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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である。
【０００６】
本発明の第２の態様は、Ｓｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１１１）配向の下部電極と、前記下部電極上に形成された、擬立方晶（１１１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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である。
【０００７】
本発明の第３の態様は、（１００）若しくは（１１０）配向であるＳｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、（１００）配向の金属を備えた下部電極と、前記下部電極上に形成された、擬立方晶（００１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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である。
【０００８】
本発明の第４の態様は、Ｓｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、（１１１）配向の金属を備えた下部電極と、前記下部電極上に形成された、擬立方晶（１１１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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である。
【０００９】
本発明は、このように特定の配向を持ったＳｉ基板の上に、エピタキシャル形成された特定の配向を持った酸化物又は窒化物のバッファ層と、その上に形成された特定の配向を有しペロブスカイト構造を有する酸化物又は金属の下部電極と、その上に形成された特定の配向の擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）からなる圧電体層と、その上に形成された上部電極とから、圧電アクチュエータを構成することにより、ＰＺＴに比肩しうる性能を有する圧電アクチュエータを提供することができるという効果を奏する。
【００１０】
前記態様１又は２又は３又は４において、擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）の擬立方晶とは、ここでは正方晶、斜方晶、菱面体晶を意味する。正方晶、斜方晶、菱面体晶の順に分極量は大きく、ヤング率は低下するため、圧電特性は良くなる。
【００１１】
前記態様１又は３において、擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）として、（００１）配向の正方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）ＴｉＯ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）が好ましい。作製が容易であり、Ｓｒ，Ｃａ置換によりキュリー温度（Ｔｃ）が制御できるからである。なお、ｘ＞０．３５の場合、立方晶になってしまい、圧電特性を示さない。また、０．３＜ｘ≦０．３５では立方晶の場合と正方晶の場合があり再現性に乏しい。したがって、０≦ｘ≦０．３が好ましい。より好ましくは０．０５≦ｘ≦０．１５である。この範囲では、室温近傍に相転移がなく、室温における圧電特性もｘ＝０のときと遜色ないからである。なお、（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ｘ＝０、０＜ｙ≦０．２）では、（００１）配向の斜方晶Ｂａ（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３あるいは（１００）配向の菱面体晶Ｂａ（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３、の作製が可能であり、より好ましい。
【００１２】
前記態様２又は４において、擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）として、（１１１）配向の正方晶または菱面体晶または斜方晶Ｂａ（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）が好ましい。Ｚｒ，Ｈｆ置換により結晶系を正方晶から斜方晶、菱面体晶へ制御できる。正方晶と比較し、斜方晶、菱面体晶の方がヤング率が低くより大きな圧電特性が期待できる。ｙ＞０．２のとき、エピタキシャルにより歪を導入しても、室温では立方晶になってしまうため、０≦ｙ≦０．２が好ましい。
【００１３】
前記態様１又は３において、エピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層としては、（１００）もしくは（１１０）配向のＳｒＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、またはイットリア安定化ジルコニア、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、（００１）配向のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙおよびＴｉＮ、これらを含む固溶体の少なくとも１種からなることが好ましい。また、前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）配向を備えた下部電極としては、ＣａＲｕＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、およびこれらの固溶体のうち少なくとも１種類からなることが好ましい。前記特定の配向の圧電体層を形成することが容易であるからである。
【００１４】
前記態様２又は４において、エピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層としては、（１１１）配向のＳｒＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、またはＹ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３などの希土類酸化物、ＴｉＮおよびこれらを含む固溶体の少なくとも１種からなることが好ましい。また、前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１１１）配向の下部電極としては、ＣａＲｕＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、およびこれらの固溶体のうち少なくとも１種類からなることが好ましい。前記特定の配向の圧電体層を形成することが容易であるからである。
【００１５】
前記態様３又は４において、前記金属はＰｔ、Ｉｒ又はＲｕであることが好ましい。前記特定の配向の酸化物又は窒化物の上に前記特定の配向の金属の下部電極を形成することが容易であるからである。
【００１６】
前記態様１又は２又は３又は４において、前記Ｓｉ基板と前記バッファ層の間にアモルファス状の酸化シリコン膜を備えることが好ましい。酸化シリコン膜がＳｉ基板のエッチングのストッパー層として、さらにはアクチュエータの振動板として機能するためである。
【００１７】
本発明の第５の態様は、上記態様１〜４の何れか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、インクジェット式ヘッドである。振動板とは、バッファ層、下電極、圧電体層および酸化シリコン膜（酸化シリコン膜がある場合）からなる。
【００１８】
これによって、ＰＺＴを用いないで性能の良いインクジェット式ヘッドを提供することができる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、前記第５の態様のインクジェット式ヘッドを印字手段として備えた吐出装置である。これによって、ＰＺＴを用いないで性能の良い吐出装置を提供することができる。
【００２０】
上記圧電アクチュエータにおいて、前記下部電極としてルテニウム酸ストロンチウムを用いる場合、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は、ＳｒＲｕＯ_３で表される組成の層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。
【００２１】
上記圧電アクチュエータにおいて、前記Ｓｉ基板は（１００）若しくは（１１０）配向、又は（１１１）配向であることが望ましい。これにより、ＳｒＯ等の酸化物やＴｉＮをより良好に配向制御することができる。
【００２２】
本発明のインクジェット式ヘッドは、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バッファ層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。
【００２３】
本発明の吐出装置、例えばプリンタは、上記のインクジェット式ヘッドを印字手段として備えたものである。
【００２４】
【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。
【００２５】
インクジェット式ヘッド１は、例えば、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が、インクカートリッジの種類や個数は特に限定されるものではなく、５〜７色あるいはそれ以上の個数や種類であってもよい。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。
【００２６】
また、前記実施形態のインクジェットヘッドの構成は、例えば、各種工業用液体吐出装置の液体吐出機構に適用することもできる。この場合、液体吐出装置では、前述したようインク（イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック等のカラー染料又は顔料インク）の他、例えば、液体吐出機構のノズル（液体吐出口）からの吐出に適当な粘度を有する溶液や液状物質が使用可能である。
【００２７】
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。
【００２８】
（インクジェット式ヘッドの全体構成）
図２に、上記インクジェット式ヘッドの分解斜視図を示す。インクジェット式ヘッド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バッファ層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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
バッファ層３０には圧電アクチュエータ（後述）が設けられている。バッファ層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。
【００３２】
（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）若しくは（１１０）配向又は（１１１）配向のＳｉ基板２０上に、バッファ層３０、下部電極４２、圧電体薄膜４３および上部電極４４を順に積層して構成されている。下部電極４２、圧電体薄膜４３および上部電極４４は、圧電体薄膜素子４０を構成する。
【００３３】
バッファ層３０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機能を有する。バッファ層３０は、（１００）配向のＳｉ基板上に形成された（１１０）又は（１００）配向、好ましくは（１１０）配向の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）により構成される。このＳｒＯは、擬立方晶（１００）配向のペロブスカイト構造のＣａＲｕＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３等の下部電極４２をエピタキシャル成長させるのに適している。特にＳｒＯをエピタキシャル形成することにより、（１００）配向のＳｉ基板上に（１１０）又は（１００）配向のＳｒＯの結晶格子が規則的に並び、（１００）配向のペロブスカイト構造の下部電極４２を、その上に形成するのに特に適したものとすることができる。
【００３４】
前記ＳｒＯに代えて、ＭｇＯ、ＢａＯ若しくはＣａＯ（これらは、（１００）配向のＳｉ基板上に（１１０）又は（１００）配向にエピタキシャル成長させることができる。）を用いることができる。さらに、バッファ層３０として（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア（以下ＹＳＺ）およびＣｅＯ_２を順次堆積し、さらにその上に（００１）配向のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙを堆積しても、（１００）配向のペロブスカイト構造の下部電極４２を、その上に形成するのに特に適したものとすることができる。ＹＳＺの代わりにＺｒＯ２を用いても同様である。（ＹＳＺ、ＺｒＯ_２は（１００）Ｓｉ基板上に（１００）配向にエピタキシャル成長させることができ、その上のＣｅＯ_２も（１００）配向にエピタキシャル成長させることができ、さらにその上のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙも（００１）配向にエピタキシャル成長させることができる。）　上記バッファ層３０は、イオンビームを照射しながら成膜することにより、（１１０）配向のＳｉ基板２０表面に熱酸化により形成したアモルファスの酸化シリコン層上にも同様な配向でエピタキシャル成長させることができる。
【００３５】
なお、下部電極４２として、例えば前記ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）を用いる場合、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。前記下部電極として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。
【００３６】
また、バッファ層３０は、（１１１）配向のＳｉ基板上に形成された（１１１）配向の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）により構成されてもよい。このＳｒＯは、（１１１）配向ペロブスカイト構造のＳＲＯ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。特にＳｒＯをエピタキシャル形成することにより、（１１１）配向のＳｉ基板上に（１１１）配向のＳｒＯの結晶格子が規則的に並び、（１１１）配向のペロブスカイト構造のＳＲＯ下部電極４２の形成に特に適したものとすることができる。
【００３７】
前記ＳｒＯに代えて、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯまたは希土類酸化物（これらは、（１１１）配向のＳｉ基板上に（１１１）配向にエピタキシャル成長させることができる。）を用いることができる。
更に、バッファ層は（１００）配向のＳｉ基板上に（１００）配向にエピタキシャル成長させたＴｉＮ層、又は（１１１）配向のＳｉ基板上に（１１１）配向にエピタキシャル成長させたＴｉＮ層であってもよい。
【００３８】
（１００）配向にエピタキシャル成長させたＴｉＮ層の上には、（１００）配向の金属下部電極４２をエピタキシャル成長させるのに適している。
【００３９】
（１１１）配向にエピタキシャル成長させたＴｉＮ層の上には、（１１１）配向の金属下部電極４２をエピタキシャル成長させるのに適している。
【００４０】
前記金属としては、Ｐｔ、Ｉｒ又はＲｕが好ましい。
【００４１】
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バッファ層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）配向若しくは（１１１）配向のペロブスカイト構造のＣａＲｕＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、又はＰｔ、Ｉｒ又はＲｕから選ばれる金属により構成される。これらは圧電体薄膜層４３のＢａＴｉＯ_３系薄膜をエピタキシャル成長させる下地層に適する。また、単層の酸化物電極に代えて２層の酸化物電極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。このように例えば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層を、ＳｒＲｕＯ_３とすることが好ましい。
【００４２】
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は、擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）である。これらは、（００１）配向又は（１１１）配向である。エピタキシャル成長によって歪を導入することにより、Ｔｃの制御も可能である。
【００４３】
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。
【００４４】
（インクジェット式ヘッドの動作）
上記インクジェット式ヘッド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。圧電体薄膜素子４０に吐出信号が供給されていないときは、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。
【００４５】
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。圧電体薄膜素子４０に吐出信号が供給されたとき、インク室２１ではそのバッファ層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。
【００４６】
（製造方法）
図４を参照しながら本実施形態の圧電アクチュエータの製造工程について、インクジェット式ヘッドの製造工程と併せて説明する。
【００４７】
基板（Ｓ１）：
本実施形態の圧電アクチュエータは、図４（Ｓ１）に示すインク室基板２０上に、バッファ層３０、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。インク室基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２００μｍの（１００）若しくは（１１０）配向又は（１１１）配向のシリコン単結晶基板を用いる。なお、（１００）若しくは（１１０）基板表面にアモルファスの酸化シリコン膜を形成する場合は、熱酸化を用いる。
【００４８】
バッファ層の形成（Ｓ２）：
図４（Ｓ２）に示すように、Ｓｉ基板２０上にＳｒＯ（又はＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、またはＹＳＺ、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、（００１）配向のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ、若しくはＴｉＮ）からなるバッファ層３０をエピタキシャル成長により形成する。Ｓｉ基板２０が（１００）配向である場合及び（１１０）配向である場合のいずれでも、成膜条件の制御により（１１０）又は（１００）に配向したＳｒＯ膜を形成することができる。Ｓｉ基板２０が（１１１）配向である場合（１１１）に配向したＳｒＯ（又はＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、または希土類酸化物若しくはＴｉＮ）の膜を形成することができる。
【００４９】
バッファ層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。アモルファスの酸化シリコン膜上にエピタキシャル形成する場合は、基板表面にイオンビームを照射しながら行うとよい。また、ＳｒＯ（又はＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ若しくはＴｉＮ）の成膜にあたっては、ケイ素及びホウ素をドープすることが好ましい。
【００５０】
下部電極の形成（Ｓ３）：
図４（Ｓ３）に示すように、バッファ層３０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の積層構造体を、合計厚さ約５００ｎｍになるように成膜する。成膜方法としては例えばＳＲＯについては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。
【００５１】
上記ＳＲＯに代えてＣａＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、またはＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等の金属を用いることができる。
【００５２】
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。擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）の膜を例えばゾル・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。この他、レーザアブレーション、スパッタ、ＭＯＣＶＤ等で成膜しても良い。
【００５３】
擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）はＳＲＯ又はＰｔ等の金属の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上に擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）を成膜するときは、（００１）配向（菱面体晶の場合は（１００））の擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）エピタキシャル薄膜が形成され、（１１１）配向のＳＲＯ上に擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）を成膜するときは、（１１１）配向の擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）エピタキシャル薄膜が形成される。圧電体薄膜層の厚みは０．５μｍ以上、例えば１μｍ以上２μｍ以下とするのがよい。
【００５４】
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、例えば白金（Ｐｔ）を約５０ｎｍの膜厚に直流スパッタ法で成膜する。
【００５５】
（圧電アクチュエータの形成）
図５（Ｓ６）に示すように、上部電極４４及び圧電体薄膜４３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。
【００５６】
従来、ゾルゲル法で作製した多結晶ＰＺＴの圧電定数ｄ_３１は、２００ｐＣ／Ｎ前後であったが、本法で作製した擬立方晶（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ、０≦ｘ≦０．３）（Ｚ＝Ｚｒ，Ｈｆ、０≦ｙ≦０．２）　のｄ_３１は、２００ｐＣ／Ｎ以上であった。
【００５７】
（インクジェット式ヘッドの形成）
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。インク室基板２０として（１００）配向のＳｉ基板を用いている場合、インク室２１の形成方法としてはドライエッチングを用い、（１１０）配向のＳｉ基板を用いている場合、異方性エッチングを用い、（１１１）配向のＳｉ基板を用いている場合、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。
【００５８】
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、インクジェット式ヘッドが形成される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｐｂを含まず、圧電体としてチタン酸バリウムを用いた高性能の圧電アクチュエータを提供する。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ヘッド及び吐出装置を提供する。
【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をステップ毎に示す断面図である。
【図５】本実施形態のインクジェット式ヘッドの製造工程をステップ毎に示す断面図である。
【符号の説明】
２０　インク室基板（Ｓｉ基板）
３０　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

Claims

（１００）若しくは（１１０）配向であるＳｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１００）配向を備えた下部電極と、
前記下部電極上に形成された、擬立方晶（００１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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。
Ｓｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、遷移金属酸化物からなりペロブスカイト構造を有する擬立方晶（１１１）配向の下部電極と、
前記下部電極上に形成された、擬立方晶（１１１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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。
（１００）若しくは（１１０）配向であるＳｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、（１００）配向の金属を備えた下部電極と、
前記下部電極上に形成された、擬立方晶（００１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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。
Ｓｉ基板上にエピタキシャル形成された酸化物または窒化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、（１１１）配向の金属を備えた下部電極と、
前記下部電極上に形成された、擬立方晶（１１１）配向の（Ｂａ_１−ｘＭ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＺ_ｙ）Ｏ_３（ここで、（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦０．３）、（Ｚ＝Ｚｒ又はＨｆ、０≦ｙ≦０．２））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。
前記金属がＰｔ、Ｉｒ又はＲｕである請求項３又は４に記載の圧電アクチュエータ。
Ｓｉ基板とバッファ層の間にアモルファス状の酸化シリコン膜を備えた請求項１〜４記載の圧電アクチュエータ。
請求項１〜６の何れか１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、インクジェット式ヘッド。
請求項７に記載のインクジェット式ヘッドを印字手段として備えた吐出装置。