JP2013201198A - 電気機械変換素子及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置 - Google Patents

電気機械変換素子及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置 Download PDF

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Abstract

【課題】耐電圧を向上可能な電気機械変換素子を提供すること。
【解決手段】本電気機械変換素子は、電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する電気機械変換素子であって、アルミナ膜、金属膜、及び導電性酸化物膜が順次積層された下部電極と、前記下部電極の前記導電性酸化物膜上に配置された電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に配置された上部電極と、を有し、前記金属膜は、空孔の存在しない膜である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械変換素子及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、並びにインクジェット記録装置に関する。
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用されるインクジェット記録装置及び液滴吐出ヘッドに関して、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子とを有するものが知られている。
このような電気機械変換素子は、例えば、下部電極及び上部電極の間に電気機械変換膜が配置された構造を有する。従来技術としては、例えば、下部電極として表面にチタンが島状に析出したチタン含有貴金属電極を用い、金属電極上に電気機械変換膜を成膜することで、結晶配向性に優れた電気機械変換膜を成膜できることが開示されている。又、下部電極としてチタン膜上に白金膜及び導電性酸化物膜をスパッタ法により順次成膜し、導電性酸化物膜上に電気機械変換膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる膜を成膜する場合がある。
しかしながら、チタン膜上に白金膜及び導電性酸化物膜をスパッタ法により成膜する際に高温にする必要があるため、白金膜内へチタンが拡散し、白金膜に空孔が形成される問題があった。
白金膜に空孔が形成されると、空孔により導電性酸化物膜の導電性酸化物結晶の連続性が阻害されるため、導電性酸化物膜の平均粒子径を白金膜の平均粒子径よりも大きくすることが困難となり、又、導電性酸化物膜の表面が粗くなる。その結果、結晶配向性に優れた電気機械変換膜を成膜できない。
又、導電性酸化物膜の表面の粗い部分や白金膜の空孔部分に電気機械変換膜を構成するＰＺＴの鉛成分が過剰に拡散するため、リークパスの形成や電界集中が発生し、電気機械変換素子の耐電圧が低下する。
白金膜を厚くすることにより空孔を無くすことができるが、高価な金属である白金膜の膜厚を厚くすることはコスト増大につながり望ましくない。同様に、チタン膜の膜厚を薄くすることにより白金膜へのチタンの拡散量を抑制できるが、チタン膜の膜厚を薄くしすぎると、チタン膜が形成される振動板との密着性が悪化し下部電極に剥離が生じる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、耐電圧を向上可能な電気機械変換素子を提供することを課題とする。
本電気機械変換素子は、電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する電気機械変換素子であって、アルミナ膜、金属膜、及び導電性酸化物膜が順次積層された下部電極と、前記下部電極の前記導電性酸化物膜上に配置された電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に配置された上部電極と、を有し、前記金属膜は、空孔の存在しない膜であることを要件とする。
本発明によれば、耐電圧を向上可能な電気機械変換素子を提供できる。
第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子を例示する断面図である。 第２の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する分解斜視図である。 インクジェット記録装置を例示する斜視図である。 インクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。 実施例１で成膜した膜の断面のＳＥＭ像である。 比較例１で成膜した膜の断面のＳＥＭ像である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、以降の説明では、第１の実施の形態に係る電気機械変換素子を液滴吐出ヘッドに用いる例を示すが、これに限定されるものではない。
図１は、第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図である。図２は、第１の実施の形態に係る電気機械変換素子を例示する断面図である。なお、図２は、図１に示す電気機械変換素子４０の構成を詳細に示すものである。換言すれば、図１において電気機械変換素子４０は簡略化して示されている。
図１及び図２を参照するに、液滴吐出ヘッド１は、大略すると、ノズル板１０と、基板２０と、振動板３０と、電気機械変換素子４０とを有する。ノズル板１０には、インク滴を吐出するノズル１１が形成されている。ノズル板１０、基板２０、及び振動板３０により、ノズル１１に連通する圧力室２１（インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある）が形成されている。振動板３０は、圧力室２１の壁面の一部を形成している。
電気機械変換素子４０は、大略すると、下部電極４１と、電気機械変換膜４２と、上部電極４３とを有する。電気機械変換素子４０は、電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する素子である。電気機械変換素子４０は、基板２０の一方の面に成膜された振動板３０の、圧力室２１と平面視において重複する位置に搭載されている。
液滴吐出ヘッド１は、電気機械変換素子４０が駆動されることにより、ノズル１１からインクの液滴を吐出するヘッドである。具体的には、液滴吐出ヘッド１は、下部電極４１及び上部電極４３に給電することで電気機械変換膜４２に応力を発生させて振動板３０を振動させ、振動板３０の振動に伴ってノズル１１から圧力室２１内のインクを液滴状に吐出する機能を有する。なお、圧力室２１内にインクを供給するインク供給手段、インクの流路、流体抵抗等についての図示及び説明は省略している。
以下、液滴吐出ヘッド１の各構成要素について詳説する。液滴吐出ヘッド１において、基板２０としては、例えば、シリコン単結晶基板を用いることができる。基板２０の厚さは、例えば、１００〜６５０μｍ程度とすることができる。基板２０としてシリコン単結晶基板を用いる場合、圧力室２１は、例えば、異方性エッチング等のエッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工することにより作製できる。
振動板３０は、電気機械変換素子４０によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室２１内のインク滴を吐出させる機能を有する。電気機械変換素子４０に電圧が印加されて撓み振動させることにより、振動板３０を電気機械変換素子４０の撓み方向に変位させることができる。なお、電気機械変換素子４０と、電気機械変換素子４０を搭載した振動板３０とを含めて圧電型アクチュエータと称する場合がある。
振動板３０は所定の強度を有することが好ましい。振動板３０の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等を用いることができるが、下部電極４１、電気機械変換膜４２の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
後述のように、電気機械変換膜４２の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する場合がある。そのため、振動板３０として、ＰＺＴの線膨張係数８×１０−６（１／Ｋ）に近い５×１０−６〜１０×１０−６程度の線膨張係数を有する材料を用いることが好ましく、７×１０−６〜９×１０−６程度の線膨張係数を有する材料を用いることがより好ましい。
ＰＺＴの線膨張係数に近い振動板３０の材料としては、例えば、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を挙げることができる。これらの材料を用いた振動板３０は、スパッタ法やＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製できる。
振動板３０の膜厚としては０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍがより好ましい。振動板３０の膜厚がこの範囲より小さいと圧力室２１の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板３０自身が変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になるためである。
電気機械変換素子４０の下部電極４１は、アルミナ膜４１ａと、金属膜４１ｂと、導電性酸化物膜４１ｃとを有する。下部電極４１の厚さ（アルミナ膜４１ａ、金属膜４１ｂ、導電性酸化物膜４１ｃの総厚）は、例えば、５０〜４００ｎｍ程度とすることができる。
アルミナ膜４１ａは、振動板３０上に形成されている。アルミナ膜４１ａの厚さは、例えば、５〜５０ｎｍ程度とすることができる。アルミナ膜４１ａは、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成できる。アルミナ膜４１ａは、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成してもよい。アルミナ膜４１ａは、振動板３０と金属膜４１ｂとを密着させる密着層としての機能を有する。
金属膜４１ｂは、アルミナ膜４１ａ上に形成されている。金属膜４１ｂの材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）等の白金族金属や、これら白金族金属を含む合金材料等を用いることができる。金属膜４１ｂの厚さは、例えば、２５０ｎｍ以下程度とすることができる。金属膜４１ｂは、例えば、スパッタ法や真空蒸着等により形成できる。なお、後述の実施例でも説明するように、金属膜４１ｂは空孔の存在しない膜である。
電気機械変換膜４２としてＰＺＴを選択した場合は、その結晶性として（１１１）配向を有していることが好ましい。そのため、金属膜４１ｂの材料としては、結晶配向性を重視し（１１１）配向性が高い白金（Ｐｔ）を選択することが好ましい。
白金（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い。そのため、振動板３０としてＳｉＯ２のようなアモルファスを用い、アモルファス上に成膜しても（１１１）に強く配向し、白金膜上の電気機械変換膜４２の配向性も良好となる。
導電性酸化物膜４１ｃは、金属膜４１ｂ上に形成されている。導電性酸化物膜４１ｃは、経時的に電気機械変換膜４２中に酸素欠損が生じた場合、欠損した酸素成分を補給する機能を有する。後述の実施例でも説明するように、導電性酸化物膜４１ｃの横方向の平均粒子径は、金属膜４１ｂの横方向の平均粒子径より大きい。
導電性酸化物膜４１ｃの材料としては、例えば、Ｓｒｘ（Ａ）（１−ｘ）Ｒｕｙ（Ｂ）（１−ｙ）、Ａ＝Ｂａ、Ｃａ、Ｂ＝Ｃｏ、Ｎｉ、ｘ、ｙ＝０〜０．５で記述される材料を用いることができる。
具体的には、導電性酸化物膜４１ｃの材料として、例えば、ＩｒＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＲｕＯ２、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３等を用いることができる。導電性酸化物膜４１ｃの厚さは、例えば、４０〜１５０ｎｍ程度とすることができる。導電性酸化物膜４１ｃは、例えば、スパッタ法等により形成できる。
導電性酸化物膜４１ｃの材料としてペロブスカイト構造を有するルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）を用いた場合、スパッタ条件によってＳｒＲｕＯ３膜の膜質が変わる。例えば、金属膜４１ｂとして白金を用いて白金膜を（１１１）配向させ、結晶配向性を重視しＳｒＲｕＯ３膜も白金膜にならって（１１１）配向させるためには、４５０℃以上６００℃以下の成膜温度で加熱を行いＳｒＲｕＯ３膜を成膜することが好ましい。
ＳｒＲｕＯ３膜を室温で成膜し、その後ＲＴＡ処理（急速熱処理）にて結晶化温度（６５０℃程度）で熱酸化することもできる。しかし、この場合は、ＳｒＲｕＯ３膜は十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られが、ＳｒＲｕＯ３膜の結晶配向性としては（１１０）が優先配向しやすくなり、その上に成膜したＰＺＴについても（１１０）配向しやすくなる。
白金膜とＳｒＲｕＯ３膜とは格子定数が整合する材料である。つまり、白金とＳｒＲｕＯ３は格子定数が近い。そのため、ＳｒＲｕＯ３膜（１１１）と白金膜（１１１）の２θ位置が重なり、通常のθ−２θ測定では結晶配向の判別が難しい。白金膜については、消滅則の関係からＰｓｉ＝３５°傾けた２θが約３２°付近の位置では回折線が打ち消し合い回折強度が得られない。そのため、Ｐｓｉ方向を約３５°傾けて、２θが約３２°付近のピーク強度で判断することにより、ＳｒＲｕＯ３膜が（１１１）に優先配向しているかどうかを確認できる。
電気機械変換素子４０の電気機械変換膜４２の材料としては、例えば、ＰＺＴを用いることができる。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体である。例えば、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５２：４８の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５２、Ｔｉ０．４８）Ｏ３、一般にはＰＺＴ（５２／４８）と示されるＰＺＴ等を使用することができる。但し、ＰＺＴは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、又、添加物を混合したり置換したりして用いることができる。
電気機械変換膜４２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、例えば、Ｎｂを用いたニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴＮ）等を用いることができる。更に、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）等も用いることができる。
電気機械変換膜４２は、例えば、ゾル‐ゲル液のスピンコーティング法（ゾルゲル法）を用いて形成できる。電気機械変換膜４２の材料としてＰＺＴを用いる場合には、まず、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉを各々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４１上に塗布する。その後、塗布した溶液の固化のための焼成工程、次に塗布した溶液の結晶化のための焼成工程を経ることにより、電気機械変換膜４２を形成できる。
電気機械変換素子４０の上部電極４３は、導電性酸化物膜４３ａと、金属膜４３ｂとを有する。上部電極４３の厚さ（導電性酸化物膜４３ａ、金属膜４３ｂの総厚）は、例えば、５０〜３００ｎｍ程度とすることができる。
導電性酸化物膜４３ａは、電気機械変換膜４２上に形成されている。導電性酸化物膜４３ａの材料としては、例えば、導電性酸化物膜４１ｃと同様の材料を用いることができる。導電性酸化物膜４３ａの厚さは、例えば、４０〜１５０ｎｍ程度とすることができる。導電性酸化物膜４３ａは、例えば、スパッタ法等により形成できる。
金属膜４３ｂは、導電性酸化物膜４３ａ上に形成されている。金属膜４３ｂの材料としては、例えば、金属膜４１ｂと同様の材料を用いることができる。金属膜４３ｂの厚さは、例えば、２５０ｎｍ以下程度とすることができる。金属膜４３ｂは、例えば、スパッタ法や真空蒸着等により形成できる。
上部電極４３は、下部電極４１とは異なり、電気機械変換膜４２を形成する際のような高温のプロセスを有さず、電気機械変換膜４２との格子定数マッチングも必要とならない。そのため、上部電極４３を構成する金属膜４３ｂ及び導電性酸化物膜４３ａの材料選択幅は、下部電極４１の場合に比較し広くなる。なお、導電性酸化物膜４３ａは、導電性酸化物膜４１ｃと同様に、経時的に電気機械変換膜４２中に酸素欠損が生じた場合、欠損した酸素成分を補給する機能を有する。
所定形状に加工された電気機械変換素子４０を得るには、例えば、上部電極４３形成後に上部電極４３上に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、ドライエッチング又はウェットエッチングを行う。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技術により実施することができる。
すなわち、上部電極４３上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よい。エッチング後膜上に残った感光性レジストは、専用の剥離液又は酸素プラズマ・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場合が多いが、エッチングガスは塩素系、フッ素系等のハロゲン系のガス、或い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。エッチングガス或いはエッチング条件を変化させることにより、上部電極４３、電気機械変換膜４２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形成し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。
なお、上記工程は、上部電極４３の形成前に電気機械変換膜４２を所定形状に加工（エッチング）し、その後、所定形状の電気機械変換膜４２上のみに上部電極４３を成膜する工程としてもよい。
このように、電気機械変換素子４０において、振動板３０と金属膜４１ｂとの間に密着層としての機能するアルミナ膜４１ａを設けることにより、導電性酸化物膜４１ｃ成膜後においても金属膜４１ｂ中及び金属膜４１ｂ表面に空孔が生じることを防止できる。つまり、金属膜４１ｂは、空孔の存在しない緻密な柱状構造膜となる。これにより、金属膜４１ｂ中に電気機械変換膜４２の有する鉛（Ｐｂ）が過剰に拡散しなくなるため、リークパスの形成や電界集中を低減することが可能となり、電気機械変換素子４０の耐電圧を向上できる。又、液滴速度の劣化率を減少できる。
又、金属膜４１ｂ中に空孔が存在しないため、空孔の存在による導電性酸化物結晶の連続性が阻害されず、導電性酸化物膜４１ｃの横方向の平均粒子径を従来（チタンを密着層とする場合）よりも大きくすることが可能となる。又、導電性酸化物膜４１ｃの表面粗さを小さくすることが可能となる。これにより、導電性酸化物膜４１ｃの結晶性が向上するため、その直上に形成される電気機械変換膜４２の膜質も向上し、電気機械変換素子４０の特性を更に向上できる。
又、アルミナ膜４１ａを密着層とすることで、振動板３０からの水素や水による金属膜４１ｂへの影響を抑制でき、金属膜４１ｂの結晶性を安定して良好にすることができる。これにより、電気機械変換素子４０の特性を更に向上させ、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出しても安定したインク吐出特性を有する液滴吐出ヘッド１を実現できる。
又、密着層としてチタン膜を用いる場合には、チタン膜上に形成された金属膜に空孔が存在するため、電気機械変換膜を構成するＰＺＴにおける鉛成分が空孔に過剰にトラップされる。そのため、ＰＺＴ膜を形成するゾルゲル液において、鉛成分を化学量論から要求される量よりも２０モル％程度過剰にする必要があった。本実施の形態では、金属膜４１ｂ中に空孔が存在しないため、このような問題を回避できる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、複数の電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドの例を示す。図３は、第２の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する分解斜視図である。図３を参照するに、液滴吐出ヘッド２は、大略すると、第１基板５０と、第２基板６０と、ノズル板７０とを有する。
第１基板５０は、第２基板６０の電気機械変換素子等を保護する保護基板であり、インク液を供給するための液供給路５１等を備えるように構成されている。第１基板５０は、第２基板６０と熱膨張係数が大きく違わない材料を用いることが好ましく、第１基板５０は、例えばガラス基板等を用いて形成される。液供給路５１は、例えばサンドブラストにより形成されるが、例えばレーザ加工等で形成してもよく、基板の材料によって機械加工やエッチング加工等によって形成してもよい。
第２基板６０は、例えばシリコン単結晶基板からなり、インク液の流路が形成された流路形成基板である。又、第２基板６０は、インク液が収容される空間（空隙）部としての複数の圧力室６１と、各圧力室６１に対応した部分に形成された複数の電気機械変換素子４０と、各電気機械変換素子４０を駆動する駆動回路（図示せず）等が形成されたフレキシブル基板６２と、液供給路５１に対応した部分に形成された共通液室６３と、各圧力室６１と共通液室６３とを連通する複数の連通路６４等を備えるように構成されている。なお、第２基板６０と第１基板５０とは、例えば、エポキシ系やポリイミド系の接着剤等により接着されている。
ノズル板７０は、インク液滴を吐出する複数のノズル孔７１等を有している。ノズル板７０は、例えば厚さ３０μｍ程度のステンレス等を用いて、プレス加工によりノズル孔７１を開口した後、液の出口側の面に、撥液膜としてフッ素系の樹脂を蒸着にて成膜している。なお、ノズル板７０には、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板等を用いてもよい。ノズル板７０と第２基板６０とは、例えば、エポキシ系やポリイミド系の接着剤等により接着されている。
液滴吐出ヘッド２において、各電気機械変換素子４０を駆動回路により駆動することにより、各ノズル孔７１から独立に液滴を吐出させることができる。
このように、第１の実施の形態で説明した電気機械変換素子４０を複数個用いて、各ノズル孔７１から独立に液滴を吐出させることが可能な液滴吐出ヘッド２を実現できる。液滴吐出ヘッド２は、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、液滴吐出ヘッド２（図３参照）を搭載したインクジェット記録装置の例を示す。図４は、インクジェット記録装置を例示する斜視図である。図５は、インクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。
図４及び図５を参照するに、インクジェット記録装置３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９３、キャリッジ９３に搭載した液滴吐出ヘッド２の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド９４、インクジェット記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納する。
記録装置本体８１の下方部には、多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット８４（或いは給紙トレイでもよい）を抜き差し自在に装着することができる。又、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る。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する。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インクジェット記録ヘッド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。又、キャリッジ９３は、インクジェット記録ヘッド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図示しない大気口、下方にはインクジェット記録ヘッド９４へインクを供給する図示しない供給口を、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有している。多孔質体の毛管力によりインクジェット記録ヘッド９４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。又、インクジェット記録ヘッド９４としてここでは各色の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個のヘッドを用いてもよい。
キャリッジ９３は、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、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、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。タイミングベルト１００は、キャリッジ９３に固定されている。
又、インクジェット記録装置３は、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、フリクションパッド１０２、用紙８３を案内するガイド部材１０３、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５、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、を設けている。これにより、給紙カセット８４にセットした用紙８３を、インクジェット記録ヘッド９４の下方側に搬送される。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
用紙ガイド部材である印写受け部材１０９は、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をインクジェット記録ヘッド９４の下方側で案内する。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を設けている。更に、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。
画像記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じてインクジェット記録ヘッド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。記録終了信号又は用紙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。
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、インクジェット記録ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を有する。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する。キャリッジ９３は、印字待機中に回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でインクジェット記録ヘッド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。又、記録途中等に、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インクジェット記録ヘッド９４の吐出口を密封し、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す。又、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。更に、吸引されたインクは、本体下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、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、インクジェット記録装置３においては、液滴吐出ヘッド２の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド９４を搭載している。そのため、液滴吐出ヘッド２において密着層として機能するアルミナ膜４１ａにより、振動板３０と金属膜４１ｂとの剥離が生じ難い。その結果、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るため、画像品質を向上できる。
［実施例１］
実施例１では、以下の手順で、基板２０上に振動板３０を形成し、振動板３０上に電気機械変換素子４０を形成し、図１に示す液滴吐出ヘッド１を作製した。但し、圧力室２１の加工、ノズル板１０の接着等は行っていない。
振動板３０は、シリコンからなる基板２０上に酸化物或いはは窒化物の単層膜又は積層膜を、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、スパッタ成膜、熱酸化等により形成できる。簡単には、シリコンからなる基板２０を熱酸化することにより形成される場合が多いが、圧電型アクチュエータ、特にインクジェットヘッドとして用いる場合は、必要となる強度、振動特性を考慮して形成される。具体的には、ＳｉＯ２熱酸化膜、ＳｉＯ２膜、シリコン膜とＳｉＮ膜の積層膜、ＺｒＯ２膜、ＳｉＯ２膜とＺｒＯ２膜の積層膜等が用いられる。膜厚は、トータルで数μｍ程度である。この積層膜が振動板３０となる。
実施例１では、シリコンからなる基板２０上に、振動板３０としてＳｉＯ２膜、シリコン膜とＳｉＮ膜の積層膜（膜厚２μｍ）を、熱処理製膜法およびＬＰＣＶＤ法により成膜した。次に、振動板３０上に下部電極４１を形成した。具体的には、まず、振動板３０上にアルミナ膜４１ａ（膜厚５０ｎｍ）をＡＬＤ法にて成膜した。そして、アルミナ膜４１ａ上に金属膜４１ｂとして白金膜（膜厚１２５ｎｍ）をスパッタ成膜した。更に、金属膜４１ｂ上に導電性酸化物膜４１ｃとして、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚５０nm）をスパッタ成膜し、下部電極４１を完成させた。ＳｒＲｕＯ３膜のスパッタ成膜時の基板加熱温度は５５０℃とした。
次に、下部電極４１上に電気機械変換膜４２を作製するため、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５３：４７の組成比で調合した溶液を準備した。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た。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し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、先記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前駆体溶液を合成した。このＰＺＴ濃度は０．５モル／リットルにした。この液を用いて、下部電極４１上にスピンコートによりＰＺＴ前駆体を成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥させ、５００℃で熱分解処理を行った。
３層目の熱分解処理後に、ＰＺＴ前駆体の結晶化熱処理（温度７５０℃）をＲＴＡ処理（急速熱処理）にて行った。このときＰＺＴの膜厚は２４０ｎｍであった。この工程を計８回（２４層）実施し、電気機械変換膜４２として約２μｍのＰＺＴ膜を得た。
次に、電気機械変換膜４２上に上部電極４３を形成した。具体的には、まず、電気機械変換膜４２上に導電性酸化物膜４３ａとして、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚４０ｎｍ）をスパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板温度は３００℃とした。その後ＲＴＡ処理にて酸素雰囲気中で５５０℃／３００ｓのポストアニール処理をした。その後、金属膜４３ｂとして白金膜（膜厚６０ｎｍ）をスパッタ成膜し、上部電極４３を完成させた。
その後、東京応化社製フォトレジスト（ＴＳＭＲ８８００）をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィ法でレジストパターンを形成した後、ＩＣＰエッチング装置を用いて電気機械変換素子４０を所定形状に加工（パターニング）した。
次に、所定形状に加工された電気機械変換素子４０の断面（下部電極４１、電気機械変換膜４２、上部電極４３の各々の断面）に、ＡＬＤ法のプロセスを用いてＡｌ２Ｏ３の酸化物層からなる保護層を形成した。保護層は、電気機械変換素子４０の断面部分を湿度等の駆動環境から遮蔽する目的で配置する層である。保護層の厚さは、３０〜１００ｎｍ程度とすると好適である。
次に、電気機械変換素子４０上に層間絶縁層を形成した。層間絶縁層は、電気機械変換素子４０上に積層される配線電極と電気機械変換素子４０の下部電極４１及び上部電極４３とのコンタクトのための絶縁層として用いられる。層間絶縁層の材料として酸化物や窒化物或いはこれらの混合物等を用い、層間絶縁層の厚さを３００〜７００ｎｍ程度とすると好適である。
層間絶縁層を形成後、電気機械変換素子４０上に積層される配線電極と電気機械変換素子４０の下部電極４１及び上部電極４３とのコンタクトのためのスルーホールを形成した。スルーホールは、フォトリソグラフィを用いた後エッチングを行い形成した。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した。
配線電極層は、電気機械変換素子４０の個別の電極及び共通電極の取り出し用であるため、下部電極４１及び上部電極４３の各々の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、配線電極層としては、純Ａｌ又はＡｌに数ａｔｏｍｉｃ％のＳｉ等のヒーロック形成阻止成分を含有させた配線材料を用いた。
配線電極層として、導電性の点から、Ｃｕを主成分とした半導体用の配線材料を用いてもよい。配線電極層の厚さは、引き回し距離による抵抗分も考慮した、電気機械変換素子４０の駆動に支障の無い配線抵抗となる様に設定する。具体的には、Ａｌ系配線なら約１μｍの膜厚とする。
このように、配線電極層は、フォトリソグラフィの技術を用いて所望の形状に形成する。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ことが好ましい。以上により、圧力室２１の加工、ノズル板１０の接着等を除く、液滴吐出ヘッド１が完成した。
［比較例１］
比較例１では、アルミナ膜４１ａに代えて、密着層としてチタン膜をスパッタ成膜した。これ以外は、実施例１と同様にして電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドを作製した。
実施例１、比較例１で作製した電気機械変換素子について、プロセス過程において、金属膜４１ｂとして白金膜を成膜した直後に、日本ビーコ社製 NanoScope IIIaＡＦＭを用いて白金膜の横方向の粒子径について評価を行った。又、同様に、導電性酸化物膜４１ｃとしてＳｒＲｕＯ３膜を成膜した直後にＳｒＲｕＯ３膜の横方向の粒子径について評価を行った。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。
表１に示すように、密着層としてアルミナ膜を用いた場合（実施例１）には、密着層としてチタン膜を用いた場合（比較例１）に比べて、金属膜４１ｂとして成膜した白金膜及び導電性酸化物膜４１ｃとして成膜したＳｒＲｕＯ３膜の何れについても横方向の平均粒子径を大きくすることができた。つまり、金属膜４１ｂ及び導電性酸化物膜４１ｃの結晶性を向上することができた。
又、実施例１及び比較例１において、導電性酸化物膜４１ｃとしてＳｒＲｕＯ３膜を成膜した直後に断面をＳＥＭ観察した。又、ＦＩＢ加工により、膜厚方向に断面加工し、ＳＥＭ観察した。空孔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ている。実施例１のＳＥＭ像を図６に、比較例1のＳＥＭ像を図７に示す。
図６に示すように、実施例１においては、金属膜４１ｂとして成膜した白金膜中に空孔は観察されなかった。一方、図７に示すように、比較例１においては、金属膜４１ｂとして成膜した白金膜中に多数の空孔Ｈが確認され、導電性酸化物膜４１ｃとして成膜したＳｒＲｕＯ３膜の表面Ｓにも多数の空孔Ｈが確認された。なお、実施例１においては、電気機械変換素子４０完成後にも金属膜４１ｂとして成膜した白金膜中に空孔は観察されなかった。
次に、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圧電体性能を算出した。初期特性を評価した後に、耐久性（１０１０回繰り返し電圧を印加した直後の特性）の評価を実施した。これらの詳細結果について表２にまとめた。
表２に示すように、実施例１は比較例１よりも２倍程度耐電圧が高い。又、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（残留分極Ｐｒ：２５μＣ／ｃｍ２程度、圧電定数ｄ３１：−１６０ｐｍ／Ｖ程度）。一方、比較例１については、初期特性としては十分な値が得られているが、１０１０回後（１０１０回繰り返し電圧を印加した直後）の特性においては、残留分極Ｐｒ及び圧電定数ｄ３１の双方において劣化していることが確認された。
これは、前述のように実施例１の方が比較例１に比べて導電性酸化物膜４１ｃとして成膜したＳｒＲｕＯ３膜の横方向の平均粒子径が大きいことに起因すると考えられる。すなわち、実施例１では、ＳｒＲｕＯ３膜の横方向の平均粒子径が大きいため、その直上に形成される電気機械変換膜４２との格子定数が整合し、かつ、ＳｒＲｕＯ３膜を構成する結晶の配向面と同一な面が最も高く配向して電気機械変換膜４２が形成されると考えられる。
これにより、実施例１では、電気機械変換膜４２の粒界部分が少なく、かつ、電気機械変換膜４２内部とＳｒＲｕＯ３膜界面付近との組成ずれが起こり難くなる。従って、初期の分極量が大きく、複数回のスイッチング（繰り返し電圧を印加）を行っても分極量が小さくなり難い。又、耐電圧が高く、リーク電流が小さく、更に電気機械変換膜４２表面の凹凸を小さく抑えることができる。つまり、疲労特性及び電気特性が良好で、表面の凹凸が少ない電気機械変換膜４２を実現できる。
［実施例２］
実施例２では、図１に示す液滴吐出ヘッド１を作製した。つまり、実施例1のシリコンからなる基板２０に圧力室２１の加工、ノズル板１０の接着等を追加した。圧力室２１は、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板２０の下側を振動板３０部分までＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチングで深堀することにより形成した。
その後、ノズル板１０、駆動回路（図示せず）、インク液供給機構（図示せず）等を組み立てることにより、電気機械変換素子４０を有する液滴吐出ヘッド１を完成させた。圧力室２１を有する構造の液滴吐出ヘッド１においても、実施例１と同様な良好な特性を得ることができた。
以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
１、２ 液滴吐出ヘッド
１０、７０ ノズル板
１１ ノズル
２０ 基板
２１、６１ 圧力室
３０ 振動板
４０ 電気機械変換素子
４１ 下部電極
４１ａ アルミナ膜
４１ｂ、４３ｂ 金属膜
４１ｃ、４３ａ 導電性酸化物膜
４２ 電気機械変換膜
４３ 上部電極
５０ 第１基板
５１ 液供給路
６０ 第２基板
６２ フレキシブル基板
６３ 共通液室
６４ 連通路
７１ ノズル孔
８１ 記録装置本体
８２ 印字機構部
８３ 用紙
８４ 給紙カセット（或いは給紙トレイ）
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 インクジェット記録ヘッド
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 ガイド部材
１０４ 搬送ローラ
１０５ 搬送コロ
１０６ 先端コロ
１０７ 副走査モータ
１０９ 印写受け部材
１１１ 搬送コロ
１１２ 拍車
１１３ 排紙ローラ
１１４ 拍車
１１５、１１６ ガイド部材
１１７ 回復装置
特開２００４−１８６６４６号公報

Claims (11)

  1. 電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する電気機械変換素子であって、
    アルミナ膜、金属膜、及び導電性酸化物膜が順次積層された下部電極と、
    前記下部電極の前記導電性酸化物膜上に配置された電気機械変換膜と、
    前記電気機械変換膜上に配置された上部電極と、を有し、
    前記金属膜は、空孔の存在しない膜であることを特徴とする電気機械変換素子。
  2. 前記導電性酸化物膜は、前記金属膜と格子定数が整合する材料からなり、
    前記導電性酸化物膜の横方向の平均粒子径は、前記金属膜の横方向の平均粒子径より大きいことを特徴とする請求項１記載の電気機械変換素子。
  3. 前記金属膜は白金膜であり、前記導電性酸化物膜はルテニウム酸ストロンチウム膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の電気機械変換素子。
  4. 前記ルテニウム酸ストロンチウム膜は、ペロブスカイト構造を有し、（１１１）が優先配向していることを特徴とする請求項３記載の電気機械変換素子。
  5. 前記金属膜の厚さが２５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の電気機械変換素子。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項記載の電気機械変換素子と、
    前記電気機械変換素子を搭載した振動板と、を有し、
    前記電気機械変換素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記振動板を前記電気機械変換素子の撓み方向に変位させることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
  7. 請求項６記載の圧電型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。
  8. 圧力室が形成された基板を有し、
    前記振動板は、前記基板の一方の面に設けられ、
    前記電気機械変換素子は、前記振動板の前記圧力室と平面視において重複する位置に搭載されていることを特徴とする請求項７記載の液滴吐出ヘッド。
  9. 請求項７又は８記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
  10. 電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する電気機械変換素子の製造方法であって、
    アルミナ膜、空孔の存在しない金属膜、及び導電性酸化物膜を順次積層して下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極の前記導電性酸化物膜上に電気機械変換膜を形成する工程と、
    前記電気機械変換膜上に上部電極を形成する工程と、を有し、
    前記下部電極を形成する工程では、前記導電性酸化物を４５０℃以上６００℃以下の温度において、前記金属膜上にスパッタ法で成膜することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
  11. 前記電気機械変換膜を形成する工程では、ゾルゲル法により前記電気機械変換膜を成膜することを特徴とする請求項１０記載の電気機械変換素子の製造方法。
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