JP2012124223A - 圧電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧の繰り返し印加に対して特性劣化の小さな圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、基板３０、振動層膜４０、圧電体膜６０、二つの電極膜５０、７０を有する圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体膜に接触して、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されるバリア層１０、１１を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、強誘電体を材料として用いた圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド、さらに該液滴吐出ヘッドを用いた印刷用途のインクジェット式記録装置や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吐出装置に関するものである。

近年、インクジェットのアクチュエータとして使用される圧電型インクジェットヘッドは、高密度化への流れが加速され、従来の積層型ピエゾ圧電素子を用いる方式（例えば、特許文献１参照）から、薄膜の圧電素子を振動板の上に形成する方式（例えば、特許文献２参照）に移行されつつある。後者の方式では、インク液室を形成したシリコン（Ｓｉ）基板上に絶縁体からなる振動板が形成され、該インク液室の逆側に電極に挟まれた圧電体（圧電体素子）を配置する構成となる。この方式では、上下の電極に電圧を印加し、電圧に応じた圧電体の変形を振動板を介してインク液室内のインクに伝達する構成となっており、圧縮されたインク室内のインクはノズル板に形成されたノズル孔から吐出される。

また、同じ材料系と同じ電極構成を使った強誘電体メモリの開発も行われている。強誘電体メモリはＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と言われ、不揮発性の半導体メモリとして誘電体膜の分極反転時間が速い（1ns以下）ためＤＲＡＭ並みの高速動作が期待できると言われている。
デバイスの用途は異なるが、インクジェット用アクチュエーターも強誘電体メモリーも駆動電圧の繰り返し印加が実行される点では同じであり、駆動電圧の繰り返しによるデバイスの耐久性の課題も共通していると言える。

ここで、耐久性に関わる疲労特性改善の手段として、（ｉ）圧電体自体の材料の改善によるもの（例えば，特許文献３参照）、（ｉｉ）加工方法の改善によるもの（例えば、特許文献４参照）、（ｉｉｉ）酸化物電極等電極の改善によるもの(例えば特許文献５、６参照)、（ｉｖ）バリア層の挿入によるもの（例えば、特許文献７参照）などが知られている。

ちなみに、前記の特許文献３には、下部電極膜を形成し、その後、前記下部電極膜に対する急速加熱処理を行ない、次に、前記下部電極膜上に強誘電体膜を形成し、その後、前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する半導体の製造方法が記載されている。
前記の特許文献４には、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を採用する強誘電体デバイスの形成方法が記載されている。
前記の特許文献５には、第２電極層上の第１バリア層をＩｒＯ_２で形成する強誘電体デバイスが記載されている。
前記の特許文献６には、上部電極が誘電体膜に近い側に形成されたＳｒＲｕＯ₃膜と、誘電体膜から遠い側にＳｒＲｕＯ₃とは異なる導電材料を用いて形成された導電膜とによって構成する半導体が記載されている。
前記の特許文献７には、バリア膜（ＴｉＡｌＮ膜、ＴｉＮ膜等）を下部電極の下全面上に形成する半導体が記載されている。

本発明の目的は、駆動電圧の繰り返し印加に対して特性劣化の小さな圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を提供することである。

上記のように、特に、強誘電体メモリでは、１×１０¹⁰回データの読み書きを繰り返し行う点で、疲労特性は重要な項目となっている。酸化物電極の取り組みにより直接Ｐｔ電極を用いる場合と比べ疲労特性が改善されるのは公知である。しかしながら、これら従来技術の手法を用いても疲労特性は低下しつつあり、これらの従来の技術によっても疲労特性の低下を抑制することはできないという課題がある。圧電アクチュエータにおいても状況は同じである。また、劣化のメカニズムは、前述のように、駆動時の電圧印加により圧電体中の酸素原子がプラスに印加された電極方向に引かれ、電極付近でその濃度が小さくなり酸素空孔が増えてくることに問題がある。その過程では、酸化物電極を用いた場合でも同様と考えられる。

本発明者は、こうした実情に鑑みなされたものであり、圧電体を用いた電子デバイスの駆動電圧の繰り返し疲労特性に対し、酸化物電極と同等以上の特性を有する特定の構成からなるバリア層を圧電体膜に接触して設けることによって良好な効果（疲労特性の改善）がもたらされることを見出した。本発明はこうした知見に基づいてなされたものである。本発明によれば、つぎの発明が提供される。

（１）少なくとも、基板、振動層膜、圧電体膜、二つの電極膜を有する圧電アクチュエータであって、前記圧電体膜に接触して、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されるバリア層を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層され、かつ該第二のバリア層膜がＴｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されることを特徴とする上記（１）に記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記第二バリア層膜を構成する材料における金属炭化物の割合が２０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする上記（２）に記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記第一層膜を構成する材料がＬａＮｉＯ_３であることを特徴とする上記（２）または（３）に記載の圧電アクチュエータ。
（５）前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電体アクチュエータ。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
（７）上記（６）に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。

本願発明では、第二バリア層としてＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた少なくとも一つの金属と酸素および炭素により構成された材料を用いることにより、駆動電圧の繰り返し印加に対して特性劣化の小さな素子の形成を達成することができた。この効果が発現できた理由はＰｂの移動等に対しバリア性が良く、また酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）および通常用いられるＰｔ，Ｉｒなどの金属電極との密着性にも優れていること、さらに電気抵抗の小さな材料であったことによると考えられる。

本発明の圧電アクチュエータの概略図である。 本発明の圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの概略図である。 本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。 本発明の液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）を搭載した液滴吐出装置（インクジェット記録装置）を示す図である。 本発明の液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）を搭載した液滴吐出装置（インクジェット記録装置）を示す図である。 炭化物と酸化物の組成量に関して混合割合によるターゲットの比抵抗を示す図である。

本発明者は、第二バリア層としてのバリア性が良く、酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもＰＺＴおよび通常用いられるＰｔ，Ｉｒなどの金属電極との密着性にも優れ、電気抵抗の小さな材料をいくつかの金属の金属単体、酸化物、炭化物、窒化物から選択し、これらの融点を調べた（表１）。

表１から分かるように、炭化物は酸化物に対して、より融点が高く熱的安定性に優れている。熱的に安定だということは、多くの材料において化学的にも安定であり、物質との相互作用が少なく第二バリア層として有効であると考えられる。しかし、一方で炭化物は、たとえばガラス素材を成型するときの型材として用いられるように、多くの物質に対する密着性は必ずしも良くない。たとえば、金属の工具として用いられるＴｉＣなどは、金属の工具に対しイオンプレーティングなど特殊な形成方法を用いて高温で形成し、密着性を確保している。この様な手法を用いて形成されるのは普通に形成したのでは、充分な密着性が得られず工具として使用する際に膜の剥離等が起きるためである。

そこで本発明者は、密着性を改善するための方法として、第二バリア層の形成材料をこれらの炭化物と酸化物を混合して用いた。混合して用いることでことによって、化学的な安定性と密着性を備えたバリア層を得ることが出来ることを確かめた。なお、炭素の含有量は、使用する圧電材料の種類・電極材料の種類等の条件により変化させることができ、その含有量はプロセスを成立させるための設計事項である。

さらに、従来より知られている酸化物電極に関してもそれらの融点を調査した。その結果を表２に記載する。これらの融点を比べても、多くの炭化物は表２にある酸化物電極材よりも高い融点を示している。すなわち化学的に安定であると判断することができる。

こうした研究・検討のから導かれる本発明の圧電アクチュエータは、少なくとも、基板、振動層膜、圧電体膜、二つの電極膜を有し、前記圧電体膜に接触して、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されるバリア層を設けたことを特徴とするものである。そして、本発明の特に好ましい圧電アクチュエータは、基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層され、かつ該第二のバリア層膜がＴｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されることを特徴とするものである。

以下に、図面を参照して本発明さらに詳細に説明する。
図１に本発明の圧電アクチュエータの概略図を示す。基板３０上に第一バリア層膜１０および下部電極５０と第二バリア層膜１１および上部電極７０との間に挟まれた電気機械変換効果を示す圧電体膜６０が形成され、電界印加に対して基板と一体となっている振動層膜の一部を変形させる。図中、符号４０は振動層膜、５１は電極密着層を示している。ここで、基板３０と電極密着層５１の間に形成されている振動層膜４０は、例えば、Ｓｉ基板材料の表面を熱酸化することにより形成されるＳｉＯ_２絶縁膜である。また、振動層膜４０と下部電極５０との間に形成されている電極密着層５１は、圧電アクチュエータの機械的強度を担うことから、金属酸化膜で形成される。

さらに、図２に示すように、基板３０の一部に圧電素子（圧電アクチュエータ）に対応して圧力室３１を形成し、ノズルプレート２０を接合した場合、電極への電界印加によってノズル孔２１から圧力室３１中の液体（インク）が吐出される液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）が構成される。

基板３０は加工性に優れ、機械的強度が高く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規制されるものではなく、Ｓｉ基体であっても、セラミックスであっても、金属であってもよく、また、複数の材料による構造体から構成されていてもよいが、特にＳｉ基体であるのが好ましい。

電極５０、７０の材料としては、熱処理・焼成温度での高温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族元素（Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ）などの高温融点貴金属類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定性の点からもっとも好ましい。
下部電極５０の膜厚は１００〜２５０ｎｍである。また、下部電極５０の形成条件は、基板温度：２５０〜３５０℃、ＲＦ投入パワー：３００〜５００Ｗ、Ａｒガス圧：２×１０^−３〜５×１０^−２Ｔｏｒｒである。
上部電極７０の膜厚は５０〜１５０ｎｍである。また、上部電極７０の形成条件は、基板温度：２５０〜３５０℃、ＲＦ投入パワー：３００〜５００Ｗ、Ａｒガス圧：２×１０^−３〜５×１０^−２Ｔｏｒｒである。
上記の記載では、電極形成にスパッタ法を用いた場合の条件を示してある。スパッタ装置は、キヤノンアネルバ社製のスパッタ装置(型式：Ｅ−４０１Ｓ)を用いた。本装置はターゲットサイズは４インチφのサイズであり、上記に記載した投入パワーは４インチφのサイズに印加した電力であり、ターゲットサイズが変わった場合は面積比率で増減することにより条件の置き換えが可能である。

圧電体膜６０には、ＰＺＴ系セラミックスが好ましく、スクリーン印刷して焼結した厚膜のものや、スパッタや蒸着、或いはゾルゲル法により形成する薄膜のものでもよい。圧電体膜６０の膜厚は３００ｎｍ〜３μｍである。

第二バリア層膜１１は、圧電体膜６０のＰＺＴからの鉛の拡散が上部電極７０まで広がらないようにする役割を果たしている。
第二バリア層膜１１の材料としては、バリア性が良く、酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもＰＺＴおよび通常用いられるＰｔ、Ｉｒなどの金属電極との密着性にも優れ、電気抵抗の小さな材料が選択され、具体的には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた少なくとも一つの金属と酸素および炭素により構成された材料が用いられる。
第二バリア層膜１１の膜厚は、化学的な安定性が高いため公知の密着層膜厚範囲よりも薄くてもよく、第二バリア層の膜厚は２〜５０ｎｍ程度であり、好ましくは２〜３０ｎｍ、より好ましくは２〜２０ｎｍである。２ｎｍ未満であると膜として全面を均一に覆うことが難しく、５０ｎｍを超えると圧電体膜の変位を阻害し始める。
また、第二バリア層膜１１は、前記材料の粉末を用い、均一混合後ＨＩＰ法（ガス圧を用いて等方圧加圧下で焼結させる方法）によりスパッタリング・ターゲット状に焼結し、これを用いてスパッタリングより成膜される。第二バリア層１１の形成条件は、基板温度：２００〜３００℃、ＲＦ投入パワー：３００〜５００Ｗ、Ａｒガス圧：２×１０^−３〜５×１０^−２Ｔｏｒｒである。

第一バリア層膜１０は、圧電体膜６０のＰＺＴからの鉛の拡散が振動層膜（ＳｉＯ_２絶縁膜）４０まで広がらないように止める役割を果たしている。
第一バリア層膜１０の材料としては、次に積層される圧電体膜６０と結晶の格子整合性が良好なＬａＮｉＯ_３、ＩｒＯ₂、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ₃、ＣａＲｕＯ₃、ＢａＲｕＯ₃、ＬａＣｕＯ₃、ＬａＣｏＯ₃、ＬａＴｉＯ₃、ＬｕＮｉＯ₃、ＣａＩｒＯ₃、ＣａＲｕＯ₃、などであるのが好ましい。特に好ましい材料はＬａＮｉＯ_３である。
第一バリア層膜１０の膜厚は１０〜１００ｎｍ、好ましくは３０〜８０ｎｍである。１０ｎｍ未満であると膜として十分なバリア性が得られない場合が起こりえることとなり、１００ｎｍを超えるとエッチング時の時間が掛かり過ぎる、プロセス時間が増大することとなってしまう。
第一バリア層膜１０の形成条件は、基板温度：２５０〜５５０℃、ＲＦ投入パワー：３００〜５００Ｗ、Ａｒガス圧：２×１０^−３〜５×１０^−２Ｔｏｒｒである。

電極密着層膜５１は、下部電極５０と振動層膜（ＳｉＯ_２絶縁膜）４０との密着性の改善のために必要に応じて設けられるものである。電極密着層膜５１の材料としては、ＰＺＴ焼成温度において十分耐性を持ち、鉛に対して反応性が低く、高い機械的強度を有する金属酸化膜、例えば、ＭｇＯ、ＧｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３や、より高い靭性を持つイットリウム、セリウム、マグネシウム、カルシウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いることも好ましい。
電極密着層膜５１の膜厚は１００〜６００ｎｍであり、膜内の応力分布を生じさせないためには、より好ましくは３００〜４００ｎｍである。密着層膜５１の形成条件は、基板温度：３００〜５００℃、ＲＦ投入パワー：３００〜５００Ｗ、Ａｒガス圧：３×１０^−３〜７×１０^−３Ｔｏｒｒである。

図３は、本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、一部を断面図で示してある。本実施の形態は、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の液体吐出ヘッドであり、インクを吐出するノズル孔２１を有するノズルプレート２０となる第２の基板２と、吐出室（インク液室）３１、振動板、圧電素子を形成した液室基板となる第１の基板と、圧電素子保護のための空間７４を設けた保護基板となる第３の基板からなるものであり、これら３枚の基板を重ねた積層構造となっている。

第１の基板１は、シリコン基板３０上に積層膜を形成した構成の振動層膜４０は、例えば、Ｓｉ基板材料の表面を熱酸化することにより形成される（ＳｉＯ_２絶縁膜）４０が設けられている。このシリコン基板３０の一方の面上には、振動層膜４０、下部電極５０となる白金膜、第一バリア層１０、圧電体層６０、第二バリア層１１、上部電極７０が積層形成されている。また、他方の面には、シリコン基板３０をエッチングすることにより、吐出室３１、これに連通する流体抵抗部３２及び共通液室３３が形成されている。

第２の基板２は、ニッケル高速電鋳法により形成されたものであり、厚さは３０μｍである。第２の基板２は、第１の基板１に形成される吐出室３１の壁面を構成するものであり、各々の吐出室３１に対応してノズル孔２１が設けられている。

第３の基板３は、下部電極５０、圧電体膜６０、上部電極７０により構成される圧電素子の動作領域を確保し、保護するための空間７４が形成されたものである。

この液滴吐出ヘッドの動作について説明する。インク供給孔３４から共通液室３３を経由して各々の吐出室３１内にインクが供給される。各々の吐出室３１がインクにより満たされた状態において、圧電素子の上部電極７０と下部電極５０との間に、２０Ｖの所定のパルス幅のパルス電圧を印加する。これにより、横振動モードで変形する圧電素子が縮み、振動層膜４０全体が吐出室３１側に、凸状態となるように変形する。これにより、吐出室３１内の体積が減少し、吐出室３１内の圧力が急上昇し、ノズル孔２１より図示されていないインク液滴が記録紙に向けて吐出される。このパルス電圧を連続的に印加することにより、ノズル孔２１より連続的にインク液滴を吐出することができる。

つぎに、本発明に係る液滴吐出装置について説明する。
本発明に係る液滴吐出装置は、液滴を吐出（噴射ともいう）させて画像を形成する装置であって、前述した本発明の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする。
ここでは、図４及び図５を用いて、本発明の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置であるインクジェット記録装置を実施例として説明する。なお、図４は同記録装置の斜視説明図、図５は同記録装置の機構部の側面説明図である。

このインクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。

印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド（記録ヘッド）９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３には記録ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モーター１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５，１１６とを配設している。

記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。

また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。

なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド（スポッタ）などの他の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

図１に示す構成において、所定の金属の酸化物と炭化物から構成される第二バリア層１１とした圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを作製した例を示す。

〔実施例１〕
以下の手順で、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータ構造体（液滴吐出ヘッド１）を作製した。
まず、Ｓｉ（１００）基板材料の表面を熱酸化することによりＳｉＯ_２絶縁膜を形成した。このＳｉＯ_２膜が振動板４０となる。このときのＳｉＯ_２膜厚は２μｍとした。
つぎに、このＳｉＯ_２／Ｓｉ基板の上に下部電極５０との密着層となる電極密着層５１を成膜した。電極密着層５１の形成条件は、基板温度：３００℃、ＲＦ投入パワー：５００Ｗ、Ａｒガス圧：５×１０^−３Ｔｏｒｒ、形成した膜厚は５０ｎｍである。
次に、下部電極５０としてのＰｔ電極を２００ｎｍの膜厚で形成した。下部電極５０の形成条件は、基板温度：３００℃、ＲＦ投入パワー：５００Ｗ、Ａｒガス圧：３×１０^−３〜５×１０^−３Ｔｏｒｒとした。これにより、下部電極５０は（１１１）面が膜厚方向に配向している。
さらに、下部電極膜５０上に第一バリア層１０として、次に積層される圧電体膜６０と結晶の格子整合性の良好なＬａＮｉＯ_３を１００ｎｍの厚みで成膜した。第一バリア層１０の形成条件は、基板温度：３００℃、ＲＦ投入パワー：３００Ｗ、Ａｒガス圧：４．２×１０^−３Ｔｏｒｒ、酸素ガス圧：８×１０^−４Ｔｏｒｒである。酸素ガスを導入する理由はＬａＮｉＯ_３膜中の酸素欠損を減らす目的である。

さらに、第一バリア層１０の上に圧電体膜６０となるチタン酸鉛系圧電体薄膜をゾルゲル法により形成した。具体的には、出発原料として酢酸鉛三水化物、チタンイソプロポキシド、ジルコニウムプロポキシドを用い、溶媒として２メトキシエタノールを使用した。
まず、酢酸鉛三水化物を２メトキシエタノール中に溶解させ、１３７℃で蒸留し結晶水を排出させる。次に、所定の組成（この場合は質量割合が、Ｐｂ／Ｔｉ／Ｚｒ＝１００／４７／５３）になるように秤量したＺｒとＴｉのアルコキシドを、上記脱水した酢酸鉛溶液に加え、１２７℃で還流させることによりＰｂ、Ｔｉ、Ｚｒに複合アルコキシド溶液を調製した。この溶液を用い、（１１１）面が膜厚方向に配向するＰｔコーティング層をもつＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上に３０００ｒｐｍでのスピンコート法により薄膜を作成した。ついで、これを乾燥した後、４００℃および４５０℃の２種類の温度条件でそれぞれ保持時間：３分間、有機物熱分解を１０〜２５回繰り返した後、昇温速度３０℃／ｓｅｃで７００℃、５分間の焼成をＯ_２雰囲気中で行い、膜厚３００ｎｍ〜１μｍのＰｂ（Ｔｉ_０．４７Ｚｒ_０．５３）Ｏ_３
薄膜をＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板からなる積層薄膜上に形成した。

ここで、第二バリア層材料として３０ｍｏｌ％のＴｉＯ_２、７０ｍｏｌ％のＴｉＣの材料粉末を用い、均一混合後ＨＩＰ法によりスパッタリング・ターゲット状に焼結してその組成が（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７なるスパッタリング・ターゲットを形成し、このターゲットを用いて第二バリア層をスパッタリングより成膜した。
ターゲットの仕込みの状態では、酸化物と炭化物の混合物であり、焼結後もその状態はほぼ変わらないものと思われるが、膜となった状態ではランダムなネットワークを作っており、Ｘ線回折測定を行っても回折ピークが現れてくることはなかった。前記の表１には、酸化物と炭化物のターゲット仕込み量で記載しているが、成膜された薄膜としては結晶構造をもっていないことを確認している。
ここで、第二バリア層１１の形成条件は、基板温度：３００℃、ＲＦ投入パワー：３００Ｗ、Ａｒガス圧：５×１０^−３Ｔｏｒｒ、形成した膜厚は１０ｎｍである。

第二バリア層形成後、上部電極７０となるＰｔ電極を１００ｎｍの膜厚で形成した。上部電極７０の形成条件は、基板温度：３００℃、ＲＦ投入パワー：５００Ｗ、Ａｒガス圧：３〜５×１０^−３Ｔｏｒｒである。
その後、フォトリソグラフィーの技術を用いレジストパターンを形成後、断面で図２となる形状に積層構造のエッチング及びレジストアッシングを行った。図１の上部電極のサイズは、４５μｍ×１ｍｍの短冊状の形状とした。

上記の状態まで形成した後、素子を保護するパシベーション膜を形成しない状態で、分極処理後疲労試験のために以下の条件で繰り返し駆動電圧の印加を行った。第二バリア層側が正の電位、第一バリア層側を負の電位(アース電位)とした。
評価結果は表３に示されるとおりであり、１０^１２回までは、上記条件にて初期値１０%以内減衰で確保できることが判った。

《分極処理条件》
印加電圧 ４０Ｖ （０Ｖから３ｍｉｎでゆっくり電圧を上げ、１ｍｉｎ保持
３ｍｉｎで０Ｖまでゆっくり電圧を下げる。）
分極後の評価 上部電極と下部電極との間に駆動電圧繰り返し印加テストの印加電圧の矩形波1ｋＨｚで計測したキャパシタンスを初期値として測定。
《駆動電圧繰り返し印加テスト条件》
印加電圧 ＤＣ ０−３０Ｖ 矩形波（上部電極が正の電位）
印加周期 １００ｋＨｚ
Ｄｕｔｙ ５０％（プラス電位印加の時間割合）
テスト途中の評価 分極後のキャパシタンス初期値を１として規格化し、印加回数毎に各ポイントで分極後の評価と同じ評価をして減衰率を見た。規格化後初期値１０％減衰した時点を疲労評価ポイントとした。
その結果、１０^１２回までは、上記条件にて初期値１０%以内減衰で確保できることが判った。

〔実施例２〕
実施例１において、スパッタリングターゲットの組成を（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、（ＴaＯ_２）_０．２（ＴaＣ）_０．８とし、それ以外は実施例１と同様にして、図１の圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔実施例３〕
実施例１において、スパッタリングターゲットの組成を（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、（ＺｒＯ_２）_０．５（ＺｒＣ）_０．５とし、それ以外は実施例１と同様にして、図１の圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔実施例４〕
実施例１において、スパッタリングターゲットの組成を（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、（ＶＯ_２）_０．２（ＶＣ）_０．８とし、それ以外は実施例１と同様にして、図１の圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔実施例５〕
実施例１において、スパッタリングターゲットの組成を（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、（Ｎｂ_２Ｏ_５）_０．３（ＮｂＣ）_０．７とし、それ以外は実施例１と同様にして、図１の圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔実施例６〕
実施例１において、スパッタリングターゲットの組成を（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、（ＭｏＯ_２）_０．０５（ＭｏＣ）_０．９５とし、それ以外は実施例１と同様にして、図１の圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔比較例１〕
実施例１において、第二バリア層である（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７を設けないで、圧電体膜６０の上に直接上部電極７０を成膜した以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。その結果は、初期値の１０％減衰値での繰り返し回数で１０^９回であり、実施例１と比べ２〜３桁低い値であった。

〔比較例２〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７を用いる代わりに、ＴｉＣ単体を成膜した以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製した。ところが、上部電極形成後フォトリグラフィーの工程で誘電体膜とＴｉＣ膜との間で膜の剥離が起こり、その後のプロセス継続を断念した。表３の評価結果「×」は、強誘電体との間で膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。

〔比較例３〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７を用いる代わりに、（ＳｉＯ_２）_０．３（ＳｉＣ）_０．７を成膜した以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。また、この例では、Ｓｉの酸化物と炭化物では、円形状の剥離が観察された。表３の評価結果「×」は、強誘電体および上部電極との間で円形状に膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。

〔比較例４〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７を用いる代わりに、（Ｃｒ_２Ｏ_３）_０．３（ＣｒＣ）_０．７を成膜した以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。表３の評価結果「×」は、膜の応力により不定形に膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。

〔比較例５〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、ＬａＮＩＯ₃を第二バリア層として成膜した（ただし、膜厚は１００ｎｍとした）以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔比較例６〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、ＬａＮＩＯ₃を第二バリア層として成膜した（ただし、膜厚は１００ｎｍとした）以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

〔比較例７〕
実施例１において、（ＴｉＯ_２）_０．３（ＴｉＣ）_０．７に代えて、ＩｒＯ_２を第二バリア層として成膜した（ただし、膜厚は１００ｎｍとした）以外は、実施例１と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例１と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表３に示す。

表３から明らかなように、実施例１〜６はそれぞれのテストで、１×１０¹¹回以上の繰り返し結果を得ており、特性上満足できるものであることが判った。

〔実施例７〕
炭化物と酸化物の組成量に関して混合割合によるターゲットの比抵抗を調査した。結果を図６に示す。炭化物組成量が２０ｍｏｌ％に変曲点があり２０ｍｏｌ％未満の炭化物組成量ではでは炭化物を混合した効果が比抵抗の上でも出ていないことがわかる。

〔実施例８〕
実施例1〜６の圧電アクチュエータ構造体を適用して、図４に示す構成の液滴吐出ヘッドを作製したところ、第二バリア層１１により疲労劣化が生じない為、素子劣化によるドット抜けや駆動不良のない安定したインク滴吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを得ることができた。
また、これら実施例１〜６の液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドとして、図４、図５のインクジェット記録装置に搭載して使用したところ、駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像の抜け等もなく良好な画像品質が獲られた。

（図１、図２において）
１０ 第一バリア層膜
１１ 第二バリア層膜
２０ ノズルプレート
２１ ノズル孔
３０ 基板
３１ 圧力室
４０ 振動板（ＳｉＯ_２絶縁膜）
５０ 下部電極
５１ 電極密着層
６０ 圧電体膜
７０ 上部電極
（図３において）
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第３の基板
２０ ノズルプレート
２１ ノズル孔
３０ シリコン基板
３１ 吐出口
３２ 流体抵抗部
３３ 共通液室
３４ インク供給口
７２ 保護基板
７３ 圧電体膜
７４ 空間
（図４、５において）
８１ 記録装置本体
８２ 印字機構部
８４ 給紙カセット
８５ 手差しトレイ
８６ 排紙トレイ
９１ 主ガイドロッド
９２ 従ガイドロッド
９３ キャリッジ
９４ 記録ヘッド
９５ インクカートリッジ
９７ 主走査モータ
９８ 駆動プーリ
９９ 従動プーリ
１００ タイミングベルト
１０１ 給紙ローラ
１０２ フリクションパッド
１０３、１１５、１１６ ガイド部材
１０４ 搬送ローラ
１０５、１１１ 搬送コロ
１０６ 先端コロ
１０７ 副走査モータ
１０９ 印字受け部材
１１２、１１４ 拍車
１１３ 排紙ローラ
１１７ 回復装置

特開２００１‐０６３０４７号公報 特開２００４‐３４９７１２号公報 特開２００５‐１０１４９１号公報 特開２００９‐０１６７４１号公報 特開２００１−００７２９９号公報 特開２０００‐２０８７２５号公報 特開２００７‐０８８１４７号公報

Claims (7)

1. 少なくとも、基板、振動層膜、圧電体膜、二つの電極膜を有する圧電アクチュエータであって、前記圧電体膜に接触して、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されるバリア層を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層され、かつ該第二のバリア層膜がＴｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏから選ばれる少なくとも１つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第二バリア層膜を構成する材料における金属炭化物の割合が２０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第一のバリア層膜を構成する材料が、ＬａＮｉＯ_３であることを特徴とする請求項２または３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電体アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。