JP2015079935A - 圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッド、並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】下部電極に空孔のない緻密な柱状構造膜を有するとともに、良好な圧電特性が得られる圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】成膜振動板１３と、成膜振動板１３の上側に設けられた下部電極１５と、下部電極１５上に設けられた圧電体薄膜１６と、圧電体薄膜１６上に設けられた上部電極１７とを備えた圧電アクチュエータ１０であって、下部電極１５は、白金膜１５ａと、白金膜１５ａ上に形成された酸化チタン膜１５ｂとを有し、白金膜１５ａと圧電体薄膜１６との間に酸化チタン膜１５ｂが設けられた構成である。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、及びその圧電アクチュエータが用いられた液滴吐出ヘッド、並びにその液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置には、一般に液滴吐出ヘッドとしてインクジェット記録ヘッドが設けられている。このようなインクジェット記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、インクが溜められた圧力室と、圧力室の壁面の一部を構成する振動板と、圧力室内のインクを加圧する電気−機械変換素子とを備えている。そして、電気−機械変換素子を駆動させ、振動板を介して圧力室内を加圧することによって、ノズルからインク滴を吐出する。

例えば、ピエゾ式のインクジェット記録ヘッドには、電気−機械変換素子の軸方向に伸長・収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、ベンドモードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が知られている。このうち、後者のベンドモードの圧電アクチュエータを更に薄膜化した薄膜ピエゾアクチュエータは、基板上への種々の薄膜層の成膜とパターニングが繰り返され、積層成膜が形成された薄膜のデバイスである。

圧電体薄膜の結晶化は、下地になる基板、もしくは下部電極の結晶方位の影響を受け、特に下部電極とＰＺＴとの界面が問題となる。高い圧電定数を得るためには、圧電体薄膜が面方位（１００）の配向を持つことが重要である。

従来の圧電アクチュエータとして、シリコン基板、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜、シリコン酸化膜上に形成されたチタン酸化膜、チタン酸化膜上に形成された下部電極、下部電極上に形成された圧電体薄膜、及び圧電体薄膜上に形成された上部電極を有するものが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１においては、下部電極を白金で形成するとともに、この白金の結晶粒界に圧電体の結晶となるチタンを島状に形成することが示されている。

ところで、上記従来の技術においては、下部電極は、振動板上に下から順に、酸化チタン膜、白金、及びチタンが積層された構造を成している。酸化チタン膜を用いるのは、振動板と下部電極との密着性を向上させるためであり、この場合、酸化チタン膜は密着層となっている。このように酸化チタン膜を密着層とした場合には、チタンの熱酸化後、あるいはＰＺＴ焼成後に、下部電極膜中および下部電極表面に１００ｎｍ以下の微小な空孔が発生するという問題がある。すなわち、チタンの熱酸化、ＰＺＴ焼成時に、白金膜内へチタンが拡散するため、この拡散により白金膜に空孔が形成される。

白金膜に空孔が形成された場合、空孔により白金結晶の連続性が阻害されるため、その上に形成される圧電体薄膜の平均粒子径を大きくすることが困難となる。白金及び酸化チタンの結晶性は、その直上に形成される圧電体薄膜（圧電体）の膜質に影響を与える。そのために、この圧電体を具備した圧電アクチュエータは、十分な圧電特性を得られず、また製造上再現性が悪くなる。

また、白金膜に発生した空孔により、ＰＺＴ膜における鉛成分が下部電極表面の空孔や白金中の空孔に過剰にトラップされる。圧電アクチュエータにおいては、下部電極中にＰｂが過剰に拡散することにより、リークパスの形成や電界集中を発生させ、圧電アクチュエータの耐電圧を減少させている。また、液滴吐出ヘッドにおいては、液滴速度の劣化を促進させるという問題も生じる。

本発明の課題は、下部電極に空孔のない緻密な柱状構造膜を有するとともに、良好な圧電特性が得られる圧電アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、振動板と、前記振動板の上側に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に設けられた上部電極とを備えた圧電アクチュエータであって、前記下部電極は、白金膜と、該白金膜上に形成された酸化チタン膜とを有し、前記白金膜と前記圧電体薄膜との間に前記酸化チタン膜が設けられた構成であることを特徴とする。

本発明によれば、下部電極を成膜振動板上に設ける際、白金膜及び酸化チタン膜に空孔（１００ｎｍ以下の微小な孔）が生じることはなく、下部電極を空孔のない緻密な柱状構造膜とすることができる。その結果、良好な圧電特性が得られる圧電アクチュエータを実現することができる。

実施例１による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。 圧電アクチュエータのうち電気−機械変換素子の下部電極を詳細に示した断面図である。 実施例２によるインクジェット記録ヘッドの断面図である。 圧電アクチュエータの下部電極付近の断面写真を示す図である。 実施例３による液体カートリッジの断面図である。 実施例４による画像形成装置の斜視図である。 図６に示した画像形成装置の縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

《実施例１》
本実施例による圧電アクチュエータは、下部電極、圧電体薄膜、及び上部電極から成る電気−機械変換素子を有する。電気−機械変換素子の下部電極は、振動板の上側に形成された酸化チタン密着層の上に積層されている。そして、下部電極は、酸化チタン密着層の上に形成された白金膜と、この白金膜の上に形成された酸化チタン膜から成り、且つ空孔（１００ｎｍ以下の微小な孔）のない緻密な膜となっている。

以下、本実施例による圧電アクチュエータについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１及び図２は本実施例による圧電アクチュエータを示しており、図１は圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図、図２は圧電アクチュエータのうち電気−機械変換素子の下部電極を詳細に示した断面図である。

図１に示すように、圧電アクチュエータ１０は、基板１１と、基板１１の上側に設けられた圧電体薄膜素子（圧電素子ともいう）１２とを有する。

圧電体薄膜素子１２は、基板１１の上に設けられた（積層された）成膜振動板（振動板ともいう）１３と、成膜振動板１３の上側に設けられた電気−機械変換素子１４とを有する。電気−機械変換素子１４は、成膜振動板１３の上側に設けられた下部電極１５と、下部電極１５の上に設けられた（積層された）圧電体薄膜（圧電体又は圧電膜ともいう）１６と、圧電体薄膜１６の上に設けられた（積層された）上部電極１７とを有する。

本実施例では、図２に示すように、成膜振動板１３の上に酸化チタン密着層（酸化チタン膜）１８が形成され、この酸化チタン密着層１８の上に電気−機械変換素子１４が設けられている。そして、電気−機械変換素子１４の下部電極１５は、酸化チタン密着層１８の上に形成された白金膜（白金電極ともいう）１５ａと、白金膜１５ａ上に設けられ酸化チタン膜１５ｂとを有する。なお、上部電極１７は、圧電体薄膜１６の上に設けられている。

上記のように、本実施例の圧電アクチュエータ１０においては、下部電極１５は、白金膜１５ａと、白金膜１５ａ上に形成された酸化チタン膜１５ｂとを有し、白金膜１５ａと圧電体薄膜１６との間に酸化チタン膜１５ｂが設けられた構成となっている。

白金膜１５ａはＰｔ（１１１）結晶を有しており、この白金膜１５ａ上に、酸化チタン膜１５ｂをバッファ層として設けることで、圧電体薄膜１６としてはＰＺＴ（１００）結晶性が得られる。その結果、ＰＺＴ（１００）優先配向度を９０％以上にすることができる。

これに対し、酸化チタン密着層１８上の白金膜１５ａの上に圧電体薄膜１６を直接成膜すると、一般にＰＺＴ（１１１）に優先配向した膜が形成され、ＰＺＴ（１００）優先配向度を大きくすることはできない。

次に、上記構成の圧電アクチュエータ１０の製造方法について、図２を参照しつつ説明する。

先ず、基板１１として、シリコン（Ｓｉ）材料から成るシリコン基板を用いる。そして、基板１１の表面を熱酸化することによって、基板１１上にＳｉＯ₂絶縁膜を形成する。このＳｉＯ₂絶縁膜が成膜振動板１３となる。このときのＳｉＯ₂絶縁膜の膜厚は２μｍである。

次に、ＳｉＯ₂絶縁膜上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing：高速熱処理）装置を用いて、６５０〜８００℃、１〜１０分、Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化してチタン膜を酸化チタン膜にする。これにより、成膜振動板１３の上に、酸化チタン膜製の酸化チタン密着層１８を形成する。このとき、チタン膜の膜厚は、２０〜５０ｎｍとするのが好ましい。酸化チタン膜を作成するには、反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。

酸化チタン密着層１８の上には、下部電極１５となる白金膜（白金電極）１５ａを形成する。この場合、白金膜をスパッタ成膜して、白金電極である白金膜１５ａを形成する。

次に、白金膜１５ａの上に酸化チタン膜１５ｂを形成する。具体的には、白金膜１５ａの上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてＲＴＡ装置を用いて６５０〜８００℃（特に、７００〜７５０℃）、１〜５分、Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化させて、酸化チタン膜１５ｂを形成する。７００〜７５０℃で熱酸化すると、チタン膜の白金膜１５ａとの界面まで酸化することができるので、良好な酸化チタン膜１５ｂを形成することができる。酸化チタン膜１５ｂの膜厚は、５０〜１００オングストローム（Å）とするのが好ましい。酸化チタン膜１５ｂの膜厚を上記範囲にすることにより、圧電特性が良好な（１００）の結晶性を有するＰＺＴ膜（ＰＺＴ（１００）膜という）を形成することができる。酸化チタン膜１５ｂを作成するには反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。さらに、一般の炉による酸化よりも、ＲＴＡ装置による酸化の方がＴｉＯ₂膜（酸化チタン膜）の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るためである。したがって、昇温速度の速いＲＴＡによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。

次に、圧電体薄膜１６を作成するために、Ｐｂ（鉛）：Ｚｒ（ジルコニウム）：Ｔｉ（チタン）＝１１０：５３：４７の組成比で調合した溶液を準備する。この溶液の具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いる。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水する。ここでは、化学両論組成に対して、鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。

イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、前述の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することで、ＰＺＴ前駆体溶液を合成する。このＰＺＴ濃度は０.５モル／リットルである。この液を用いて、スピンコートにより成膜し、その成膜後、１２０℃乾燥→５００℃熱分解を行う。そして、３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７５０℃）をＲＴＡ（高速熱処理）にて行う。このとき、ＰＺＴの膜厚は２５０ｎｍである。このような工程を計８回（２４層）実施し、約２μｍのＰＺＴ膜厚を得る。

次に、上部電極１７として白金膜をスパッタ成膜により形成する。上部電極１７においては、白金膜に限定されるものではなく、イリジウムや金などの金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極の積層膜を利用することもできる。酸化物電極層としては、ＩｒＯ₂、ＬａＮｉＯ₃、ＲｕＯ₂、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ₃などが用いられ、また、金属電極層としては、白金、イリジウムや金などが用いられている。

上述の製造方法により、図２に示した圧電アクチュエータ１０を形成する。この圧電アクチュエータ１０は、基板１１、成膜振動板１３、酸化チタン密着層１８、白金膜（白金電極）１５ａ、酸化チタン膜１５ｂ、圧電体薄膜１６、上部電極１７がこの順に積層された構成となっている。

上記のように、本実施例では、ＲＴＡ処理においてチタン（Ｔｉ）を酸化することで、白金膜１５ａ、酸化チタン膜１５ｂ、及び圧電体薄膜１６に空孔が形成されないようにしている。

これに対し、酸化チタン膜１５ｂが設けられていない場合、白金膜１５ａに空孔が形成されると、前述したように、白金膜１５ａの上に設けられる圧電体薄膜１６の平均粒子径を大きくすることが困難となる。

本実施例によれば、下部電極１５を成膜振動板１３上に設ける際、成膜振動板１３の上に酸化チタン密着層１８を形成することで、下部電極１５（白金膜１５ａ及び酸化チタン膜１５ｂ）を空孔のない緻密な柱状構造膜にすることができる。ここで、空孔とは１００ｎｍ以下の微小な孔のことである。

下部電極１５の圧電体薄膜１６側に酸化チタン膜１５ｂを形成することにより、圧電体薄膜１６の結晶が（１００）の配向を持つことを見出した。さらに、酸化チタン膜１５ｂは、６５０℃以上の温度にてチタン膜を熱酸化することにより、ＰＺＴ（１００）配向度が向上することを見出した。

上記のように、酸化チタン膜１５ｂを６５０℃以上の温度にて、チタン膜を熱酸化することで、チタン膜の熱酸化後も、下部電極１５に空孔のない緻密な柱状構造膜を安定して再現性良く実現することができる。

ところで、チタンの熱酸化・ＰＺＴ焼成時に、白金膜１５ａ内へチタンが拡散し、この拡散により白金膜１５ａに空孔が形成される。成膜振動板１３上に形成されるチタン膜に対して熱酸化を施し、チタン膜を完全に酸化チタン膜（つまり、酸化チタン密着層１８）にする。チタン膜が完全に酸化されていると、圧電体薄膜１６側の酸化チタン膜１５ｂを熱酸化にて形成する際においても、チタンは白金膜１５ａ内へは拡散せず、白金膜１５ａに空孔が形成されることはない。具体的には、酸化チタン密着層１８は、チタン膜をスパッタ成膜することで形成する。続いてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて、６５０℃以上の温度、Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化させることで、密着力を維持したまま、白金膜１５ａの結晶性を向上させることができる。

また、白金膜１５ａに空孔が形成されないため、空孔により白金結晶の連続性が阻害されず、その上側に形成される圧電体薄膜１６の平均粒子径を従来（酸化チタン／白金／チタン）より大きくすることができる。そのため、本実施例における圧電アクチュエータ１０は、製造上再現性が良く、また十分な圧電特性を得ることができる。

また、本実施例によれば、圧電体薄膜１６が１００の結晶性を持ったＰＺＴ膜であるため、圧電体薄膜素子（圧電素子）１２の圧電定数を向上させることができる。

さらに、白金膜１５ａ上にチタン膜を形成した後に、該チタン膜をＲＴＡにて熱酸化することにより、酸化チタン膜１５ｂを形成しているので、良好なＰＺＴ（１００）膜を作製することができ、圧電体薄膜１６の特性を向上させることができる。

《実施例２》
図３は実施例２を示しており、実施例１の圧電アクチュエータ１０を、液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッド２０に設けた場合の一例である。

このインクジェット記録ヘッド２０には、下部左右に隔壁１１'が設けられている。図には示してないが、インクジェット記録ヘッド２０には、下部前後（紙面垂直方向に沿って手前側と奥側）にも同様に隔壁が設けられている。これら下部左右の隔壁１１'及び下部前後の隔壁は各々側部が結合されて、横断面四角形の筒型形状を成しており、その上端面には成膜振動板１３が、下端面にはノズル１９ａを有するノズル板１９がそれぞれ固定されている。つまり、ノズル板１９は、筒型形状に配置された隔壁１１'等の開放端側を閉塞している。そして、筒型形状の隔壁１１'等、成膜振動板１３、及びノズル板１９で囲まれた部分に圧力室１１ａが形成されている。圧力室１１ａには、記録液としてのインクが一時的に溜められ、成膜振動板１３を変形（加圧）させることで、圧力室１１ａ内のインクをノズル板１９のノズル１９ａから吐出する。

なお、図１及び図２の圧電アクチュエータにおいては、圧電体薄膜素子１２の下側に基板１１が設けられていたが、図３のインクジェット記録ヘッド２０においては、圧電体薄膜素子１２の下側に隔壁１１'等が設けられている。隔壁１１'等は、基板１１に対して加工を施すことによって製造されたものであり、以下にその製造プロセスについて説明する。

基板１１に用いるシリコン基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６５０μｍの厚みを持つシリコン基板が好ましい。また、図３に示すような圧力室１１ａを作製する場合、シリコン単結晶基板が用いられた基板１１に対してエッチングを利用して加工する。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いる。

上述したように、図１及び図２の圧電体薄膜素子（圧電素子）１２を図３におけるインクジェット記録ヘッド２０に適用する場合、基板１１内に圧力室１１ａを形成する。この場合、成膜振動板１３としては、圧電体薄膜１６によって発生した力を受けて成膜振動板１３が変形変位して、圧力室１１ａのインク滴を吐出させるため、成膜振動板１３としては所定の強度を有したものであることが好ましい。

成膜振動板（下地）１３の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。さらに成膜振動板１３の材料としては、下部電極１５及び圧電体薄膜１６の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、圧電体薄膜１６としては、一般的に材料としてＰＺＴが使用されることから、線膨張係数８×１０^-6［１／Ｋ］に近い、５×１０^-6〜１０×１０^-6［１／Ｋ］の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには、７×１０^-6〜９×１０^-6［１／Ｋ］の線膨張係数を有した材料がより好ましい。具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム、及びそれらの化合物等がある。これらの材料に対して、スパッタ法もしくはソルゲル法を用いてスピンコータにて作製することができる。膜厚としては０.１〜１０μｍが好ましく、０.５〜３μｍがさらに好ましい。この範囲より小さいと、圧力室１１ａの加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地が変形変位しにくくなり、インク液滴の吐出が不安定になる。

次に、下部電極１５を形成する前に、先ず、膜厚２０〜５０ｎｍのチタン膜をスパッタ法により成膜振動板（振動板）１３上に形成する。

続いて、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing：高速熱処理）装置を用いて６５０〜８００℃、１〜１０分、Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化して酸化チタン膜にして、成膜振動板１３上に酸化チタン膜製の酸化チタン密着層１８を形成する。

この酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。また、この酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタによる作成では、シリコン（Ｓｉ）基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、ＲＴＡ装置による酸化の方が酸化チタン膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るためである。したがって、昇温速度の速いＲＴＡによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。

次に、酸化チタン密着層１８上に、下部電極１５である２００ｎｍ以下の厚さの白金膜をスパッタ法により白金電極１５ａ（図２参照）として形成する。

次に、白金電極１５ａ上に酸化チタン膜１５ｂ（図２参照）を形成する。白金電極１５ａ上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて６５０〜８００℃、１〜５分、Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化させて、酸化チタン膜１５ｂを形成する。チタン膜の膜厚は、３０〜７０オングストローム（Å）の範囲とするのが好ましい。この範囲にすることにより、圧電特性が良好なＰＺＴ（１００）膜を形成することができる。この酸化チタン膜を作成するには高温による熱酸化法が望ましい。さらに、一般の炉による酸化よりも、ＲＴＡ装置による酸化の方がチタンＯ₂膜（酸化チタン膜）の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るためである。したがって、昇温速度の速いＲＴＡによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。

圧電体薄膜（圧電体）１６としては、ジルコニウム（Ｚｒ）：チタン（Ｔｉ）比が、５２：４８のチタン酸ジルコン酸鉛（Lead Titanate Zirconate：ＰＺＴ）が通常良く用いられ、圧電性能も良好で特性も安定しているため主流として用いられている。チタン酸ジルコン酸鉛として、上記組成にこだわらず、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物として、様々な比率により、また、添加物を混合したり置換したりして用いられている。その他の材料系としては、一般式ＡＢＯ₃（ＡはＰｂを含み、ＢはＺｒ及びチタンを含む。）で示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられ、Ｎｂを用いたニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴＮ）などが知られている。さらに、環境対応の観点からＰｂを用いないＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム、ＢＴ）、バリウム、スロトンチウム、チタンの複合酸化物（ＢＳＴ）、スロトンチウム、ビスマス、タンタルの複合酸化物（ＳＢＴ）なども用いることができる。

なお、上述した圧電体薄膜（圧電体）１６の製造プロセスとしては、ゾルゲル法すなわちゾル‐ゲル液のスピンコーティング法を用いている。ＰＺＴを例に取ると、Ｐｂ、Ｚｒ、およびチタンをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を下部電極膜（下部電極１５の膜）上に塗布する。その後、コーティングした圧電体膜の固化のための焼成工程、次に圧電体膜の結晶化のための焼成工程を経ることにより、圧電体層を圧電体薄膜１６として形成することができる。この固化のための焼成工程は通常塗布一層ごとに行う。圧電体層の結晶化のための焼成工程は固化焼成数層分まとめて行う。固化工程をＭ回、結晶化のための焼成をＮ回行い、一連の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の圧電体層を得ることができる。乾燥工程の温度は３５０〜５５０℃、結晶化加熱処理工程の温度は６５０〜８００℃程度である。加熱時間的には、ＲＴＡを用いる場合、数十秒〜数分程度である。圧電体層の膜厚は、たとえば数十ｎｍ〜数μｍとすることができる。

圧電体層（圧電体薄膜１６）の上層には、上部電極層（上部電極１７）を形成する。上部電極層（上部電極１７）の材料は、下部電極層（下部電極１５）の材料と同じ材料を用いることができる。上部電極１７の材料は、下部電極材料層とは異なり、圧電体層（圧電体薄膜１６）を形成する際のような高温のプロセスが後の工程に無く、圧電体との格子定数マッチングも必要とならないため、材料選択幅が下部電極１５に比較し広くなる。上部電極１７においては、白金膜、イリジウムや金などの金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極の積層膜を利用することもできる。酸化物電極層として、ＩｒＯ₂、ＬａＮｉＯ₃、ＲｕＯ₂、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ₃などが用いられる。

上部電極１７の形成プロセスは、主にスパッタ成膜方式が取られている。その他、真空蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの公知の方法で行うことができる。また、上部電極１７の膜厚としては、５０〜３００ｎｍ程度の範囲で形成することができる。通常、下部電極１５の形成後に、圧電体薄膜１６すなわち圧電体層素子部の形成を行い、この圧電体層素子部の上に上部電極１７を形成する。

この素子部（圧電体薄膜１６）は、通常、感光性レジストのパターニングによりエッチング時のマスク層を下部電極１５の上に形成した後、ドライまたはウエットのエッチングを施すことにより、下部電極１５の上に形成する。

通常、上部電極１７の形成後に圧電体層素子部の形成を行う。素子部の形成には、通常感光性レジストのパターニングによりエッチング時のマスク層を形成し、ドライまたはウエットのエッチングにより素子部を形成する。感光性レジストのパターニングは、公知のフォトリソグラフィー技術により実施することができる。すなわち、エッチング対象試料基板に感光性レジストをスピンコータ又はロールコータにより塗布し、その後予め所望のパターンが形成されたガラスフォトマスクにより紫外線露光後、パターン現像→水洗→乾燥して感光性レジストマスク層を形成する。形成された感光性レジストマスク層は、そのパターンの端部傾斜が、エッチング時の傾斜断面に影響するので、所望の傾斜角度に応じ、レジスト選択比（被エッチング材料とマスク材料のエッチングレートの比）を考慮して選択すれば良い。エッチング後膜上に残った感光性レジストは、専用の剥離液または酸素プラズマ・アッシングにより除去することができる。

エッッチングは、形状の安定性から反応性ガスを用いたドライエッチングが選択されるが、エッチングガスは塩素系、フッ素系などハロゲン系のガスもしくはハロゲン系のガスにＡｒや酸素を混合させたガスにより実施することができる。エッチングガスまたはエッチング条件を変化させることにより、上部電極１７、さらに圧電体と連続してエッチングすることもできるし、一度レジストパターンをやり直して数回に分けてエッチングを実施することもできる。

図には示してないが、電極に挟まれた圧電体層素子部（圧電体薄膜１６）、及び素子部の形状を形成したその断面部分を湿度等駆動環境から受ける影響から遮蔽する目的で、保護層が配置される。保護層の材料は酸化物が用いられ、緻密性が要求されることから、特にＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法のプロセスが用いられている。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃のＡＬＤ膜が用いられる。膜厚は、３０〜１００ｎｍ程度である。

また、図には示してないが、上部電極１７上には層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁層は、次工程で積層される配線電極と、上部電極１７及び下部電極１５との間の絶縁層として用いられる。層間絶縁層は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、もしくはこれらの混合膜により形成される。層間絶縁層の膜厚は、３００〜７００ｎｍである。

層間絶縁層形成後、配線電極と上部電極１７及び下部電極１５とのコンタクトのためのスルーホールを、フォトリソグラフィーを用いた後にエッチングを行い形成する。残ったレジストは、酸素プラズマによるアッシング等を行い除去する。

配線電極層としては、強誘電体素子の個別の電極および共通電極の取り出しとして用い、上下電極材料とオーミックなコンタクトが取れる材料を選択して成膜する。具体的には、純ＡｌまたはＡｌに数atomic％のＳｉなどヒーロック形成阻止成分を含有させた配線材料を用いることができる。または、導電性の点からすれば、Ｃｕを主成分とした半導体用の配線材料を用いても良い。膜厚は、引き回し距離による抵抗分も考慮した圧電体駆動に支障の無い配線抵抗となるように設定する。具体的には、Ａｌ系配線なら約１μｍの膜厚とする。このように形成された配線電極層は、フォトリソグラフィーの技術を用いて所望の形状を形成する。残ったレジストは、酸素プラズマによるアッシング等を行い除去する。

配線材料層は、電気的接続に必要な部分を除き耐環境性確保のために、酸化物または窒化物の保護層により被覆する。

最後に、液室部分は、フォトリソグラフィー技術を用いて振動板部分まで、Ｓｉ基板をＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチングで深堀をして、圧電アクチュエータが形成された基板が完成する。

以降の工程は、ノズル板、駆動回路、インク液供給機構を組み立てて、インクジェット記録ヘッドとする。

《比較例１》
酸化チタン密着層のチタンをスパッタ成膜し、その後のＲＴＡ処理は行わなかった場合の圧電アクチュエータを作成した。この圧電アクチュエータを比較例１とする。比較例１の圧電アクチュエータと上記実施例１（又は実施例３）の圧電アクチュエータについて、粒子径、耐電圧等を以下に説明するように測定して比較した。以下、この測定の比較結果を説明する。

表１に示すように、実施例１、比較例１で作製した圧電アクチュエータについて、ＰＺＴ膜を成膜した直後に日本ビーコ社製 NanoScope IIIa ＡＦＭを用いて粒子径について評価を行った。すなわち、この比較例１では、ＡＦＭの膜構成と、この膜構成における粒子径（ｎｍ）の粒子径について評価を行った。

この比較例１において、チタンをスパッタ成膜し、その後のＲＴＡ処理は行わなかったこと以外は、実施例１と同様に圧電体薄膜素子を作製した。ＡＦＭ測定において、測定モードはタッピングモード、測定範囲は３μｍ×３μｍ、走査速度は１Ｈｚとした。これらの詳細結果について表１にまとめた。

実施例１においては、空孔が観察されなかった。比較例１においては、白金電極上に多数の空孔が確認されている。実施例１においては、図４に示すように、圧電アクチュエータ完成後にも下部電極（白金膜及び酸化チタン密着層）には空孔は観察されていない。空孔の確認については、ＦＩＢ加工により、膜厚方向に断面加工し、ＳＥＭ観察した。空孔の有無を確認する断面観察においては、ＳＥＭの倍率としては１００ｋ倍以上で観察を行った。

このような表１の実施例１、比較例１で作製した圧電体薄膜の膜構成において、表２のような耐電圧（Ｖ），残留分極Ｐｒ（μＣ／ｃｍ²）、圧電定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）、液滴速度（液滴下速度）の劣化率（％）を比較した。この比較における圧電体薄膜は電界印加（１５０ｋＶ／ｃｍ）による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性を評価した後に、耐久性（１０¹⁰回繰り返し印可電圧を加えた直後の特性）評価を実施した。これらの詳細結果について表２にまとめた。

この表２から分かるように、実施例１については初期特性、耐久性試験後の結果についても一般的なセラミック焼結体と同等の特性を有していた。すなわち、実施例１については、表２におけるように、耐電圧は２０４Ｖ、残留分極Ｐｒは５０ｕＣ／ｃｍ²、圧電定数は−１８０ｐｍ／Ｖ、液滴速度（液滴下速度）の劣化率は２.７（％）であった。

一方、比較例１については、初期特性として十分な値が得られていたが、１０¹⁰回後（１０¹⁰回繰り返し印加電圧を加えた直後）の特性においては、残留分極及び圧電定数の双方において劣化しているのが確認された。すなわち、比較例１については、表２におけるように、耐電圧は１０１Ｖ、残留分極Ｐｒは４４ｕＣ／ｃｍ²、圧電定数は−１４０ｐｍ／Ｖ、液滴速度（液滴下速度）の劣化率は１１.２（％）であった。

《実施例３》
図５は実施例３を示している。本実施例では、実施例２のインクジェット記録ヘッド（液滴吐出ヘッド）が設けられたインクカートリッジ８０を示している。

このインクカートリッジ８０は、ノズル８１等を有する液滴吐出ヘッド１００と、この液滴吐出ヘッド１００に対してインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。インクタンク８２には、予めインクが貯留されている。

なお、液滴吐出ヘッド１００には、実施例２のインクジェット記録ヘッド２０（図３参照）が適用され、このインクジェット記録ヘッド２０には、圧電体素子として、実施例１の圧電アクチュエータ１０（図２参照）が用いられている。

このようにインクタンク８２が一体型の液滴吐出ヘッド１００の場合、アクチュエータ部を高精度化、高密度化、及び高信頼化することで、インクカートリッジ８０の歩留まりや信頼性を向上させることができる。これにより、インクカートリッジ８０の低コスト化を図ることが可能となる。

本実施例によれば、耐久性及び信頼性に優れたインクジェット記録ヘッドが設けられたインクカートリッジ８０を実現することができる。

《実施例４》
図６及び図７は実施例４を示している。本実施例では、実施例２のインクジェット記録ヘッド（液滴吐出ヘッド）、または実施例３のインクカートリッジを搭載した画像形成装置を示している。

本実施例の画像形成装置９０は、装置本体内部に走査方向に移動可能なキャリッジ９８と、キャリッジ９８に搭載された液滴吐出ヘッド１００及び液滴吐出ヘッド１００へインクを供給するインクカートリッジ９９等から成る印字機構部９１を有する。

装置本体の下方部には、前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（もしくは給紙トレイでもよい）９３が抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有している。そして、給紙カセット９３もしくは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ９５に排紙する。

印字機構部９１には、図示していない左右の側板に掛け渡された主ガイドロッド９６と従ガイドロッド９７が設けられ、これら主ガイドロッド９６及び従ガイドロッド９７はキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ９８には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッド１００が設けられている。キャリッジ９８には、複数のインク吐出口（ノズル）が主走査方向と交差する方向に配列され、これらインク吐出口はインク滴吐出方向を下方に向けて形成されている。また、キャリッジ９８には、液滴吐出ヘッド１００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９９が交換可能に装着されている。

インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１００へインクを供給する供給口が設けられている。そして、インクカートリッジ９９は内部に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液滴吐出ヘッド１００へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。なお、本実施例では、液滴吐出ヘッド１００として、各色の液滴吐出ヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液出ヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ９８は、後方側（用紙搬送下流側）が主ガイドロッド９６に摺動自在に支持され、前方側（用紙搬送上流側）が従ガイドロッド９７に摺動自在に載置されている。また、主走査モータ１０１、駆動プーリ１０２、従動プーリ１０３、駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間に掛け渡されたタイミングベルト１０４が設けられ、タイミングベルト１０４の途中にはキャリッジ９８が固定されている。そして、主走査モータ１０１で駆動プーリ１０２を正転・逆転させることにより、タイミングベルト１０４を往復動させて、キャリッジ９８を主走査方向に移動させることができる。

給紙カセット９３にセットした用紙９２を液滴吐出ヘッド１００の下方側に搬送するために、給紙ローラ１０５、フリクションパッド１０６、ガイド部材１０７、搬送ローラ１０８、搬送コロ１０９、及び先端コロ１１０が設けられている。給紙ローラ１０５及びフリクションパッド１０６は給紙カセット９３から用紙９２を分離し、ガイド部材１０７は分離された用紙９２を案内し、搬送ローラ１０８は案内された用紙９２を反転させる。また、搬送コロ１０９は搬送ローラ１０８の周面に押し付けられ、先端コロ１１０は搬送ローラ１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する。搬送ローラ１０８は副走査モータ（図示省略）によってギア列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０８から送り出された用紙９２を液滴吐出ヘッド１００の下方側で案内するために、印写受け部材１１１が設けられている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３が設けられている。搬送コロ１１２と拍車１１３の更に下流側には、用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラ１１４と拍車１１５、及び排紙経路を形成するガイド部材１１６，１１７が配設されている。

この画像形成装置９０において、記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド１００を駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録する。その後、用紙９２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９２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９２を排紙する。

また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド１００の吐出不良を回復するための回復装置１１８が配置されている。回復装置１１８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９８は、印字待機中にはこの回復装置１１８側に移動されて、キャッピン手段で液滴吐出ヘッド１００をキャッピングして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、安定した吐出状態を維持する。

また、吐出不良が発生した場合等には、キャピング手段で液滴吐出ヘッド１００の吐出出口（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出する。そして、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し、これにより、吐出不良を回復することができる。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（図示省略）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、本実施例の画像形成装置９０においては、実施例１における液滴吐出ヘッド１００を搭載しているので、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。

前記説明では画像形成装置９０に液滴吐出ヘッド１００を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド１００を適用してもよい。

本実施例によれば、耐久性及び信頼性に優れた圧電体薄膜を適用しているため、高品位な画像形成装置が得られる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記各実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。

例えば、実施例４における画像形成装置９０は、プリンタ、ファクシミリ装置、複写装置、これらの複合機などにも適用することができる。

また、本発明は、インク以外の液体、例えばＤＮＡ試料やレジスト、パターン材料などを吐出する液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置、もしくは、これらを備える画像形成装置にも適用することができる。

１０ 圧電アクチュエータ
１１ 基板
１１' 隔壁
１１ａ 圧力室
１２ 圧電体薄膜素子（圧電素子）
１３ 成膜振動板（振動板）
１４ 電気−機械変換素子
１５ 下部電極
１５ａ 白金膜（白金電極）
１５ｂ 酸化チタン膜
１６ 圧電体薄膜（ＰＺＴ）
１７ 上部電極
１８ 酸化チタン密着層
１９ ノズル板
１９ａ ノズル
２０ インクジェット記録ヘッド（液滴吐出ヘッド）
８０ インクカートリッジ（液体カートリッジ）
８２ インクタンク（タンク）
９０ 画像形成装置
１００ 液滴吐出ヘッド

特開平１１−１９１６４６号公報

Claims (9)

1. 振動板と、
   前記振動板の上側に設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、
   前記圧電体薄膜上に設けられた上部電極とを備えた圧電アクチュエータであって、
   前記下部電極は、白金膜と、該白金膜上に形成された酸化チタン膜とを有し、
   前記白金膜と前記圧電体薄膜との間に前記酸化チタン膜が設けられた構成であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記振動板上には酸化チタン密着層が形成され、該酸化チタン密着層上に前記白金膜が設けられてい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. 前記圧電体薄膜は、（１００）の結晶性を持ったＰＺＴ膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記酸化チタン膜の膜厚は、５０〜１００オングストロームであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記酸化チタン密着層の膜厚は、２０〜５０ｎｍ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。
6. 液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室内の液体を加圧することで前記ノズルから液滴を吐出させる圧電アクチュエータとを備えた液滴吐出ヘッドであって、
   前記圧電アクチュエータが、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドに液体を供給するタンクとを一体化したカートリッジにおいて、前記液滴吐出ヘッドが請求項６に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするカートリッジ。
8. 請求項６に記載の液滴吐出ヘッド又は請求項７に記載のカートリッジを搭載したことを特徴とする画像形成装置。
9. 振動板と、前記振動板の上側に設けられた下部電極と、前記下部電極の上に設けられた圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の上に設けられた上部電極とを備え、前記下部電極は、白金膜と、該白金膜上に形成された酸化チタン膜とを有する圧電アクチュエータを製造する際に、
   前記白金膜上にチタン膜を形成した後に、該チタン膜をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）にて熱酸化することにより、前記酸化チタン膜を形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。