JP2005209898A - Piezoelectric material element, manufacturing method thereof, and liquid injection head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換機能を有する圧電体素子、及びこれを用いた液体噴射ヘッド、並びに液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element having an electromechanical conversion function, a liquid ejecting head using the same, and a liquid ejecting apparatus.
従来から、液体噴射ヘッドの一例として、インクジェット式記録ヘッドがある。このインクジェット式記録ヘッドは、プリンタのインク吐出の駆動源として圧電アクチュエータを用いている。圧電アクチュエータは、一般に、インク滴を吐出するノズル開口(吐出口)と連通する圧力発生室と、圧力発生室の一面を画成する振動板と、この振動板上に形成され、かつ下部電極、圧電体膜及び上部電極を有する圧電体素子と、を備えて構成されている。このようなインクジェット式記録ヘッドでは、安定した液滴吐出特性が得られ、信頼性を向上することを目的とした様々な改善がなされている。 Conventionally, there is an ink jet recording head as an example of a liquid ejecting head. This ink jet recording head uses a piezoelectric actuator as a drive source for ink ejection of a printer. The piezoelectric actuator generally includes a pressure generation chamber that communicates with a nozzle opening (discharge port) that discharges ink droplets, a vibration plate that defines one surface of the pressure generation chamber, a lower electrode formed on the vibration plate, And a piezoelectric element having a piezoelectric film and an upper electrode. In such an ink jet recording head, various improvements have been made for the purpose of obtaining stable droplet discharge characteristics and improving reliability.
例えば、特開2000−198197号公報には、圧力発生室に対向する領域に、圧電体能動部と圧電体非能動部とを備えるインクジェット式記録ヘッドが開示されている。この圧電体非能動部により、圧力発生室と周壁との境界部での変位が抑えられ、圧電体層の剥離、クラックの発生等が防止される。
しかしながら、圧電体非能動部を圧力発生室の全周に沿って設けることはできず、応力の集中する部分が発生してしまうことは避けられない。 However, the piezoelectric non-active portion cannot be provided along the entire circumference of the pressure generating chamber, and it is inevitable that a portion where stress is concentrated is generated.
本発明は、圧電体素子を備えた圧電アクチュエータで発生する応力を分散して素子の破損を起こりにくくし、更にこれを用いた液体噴射ヘッド及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head using the same and a method of manufacturing the same by dispersing stress generated by a piezoelectric actuator including a piezoelectric element so that the element is hardly damaged.
この目的を達成するため、本発明の圧電体素子は、基板に支持された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、圧電体膜上に形成された上部電極とを備え、下部電極の厚みの違いによって当該下部電極上に形成される前記圧電体膜の結晶構造の配向が異なることようにした。これにより、大きな歪みが必要な部分と、大きな歪みが素子の破損を招く恐れのある部分とで圧電特性が異なるようにし、素子の破損を起こりにくくしている。 In order to achieve this object, a piezoelectric element of the present invention includes a lower electrode supported on a substrate, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film. The orientation of the crystal structure of the piezoelectric film formed on the lower electrode varies depending on the thickness of the lower electrode. Accordingly, the piezoelectric characteristics are different between a portion where a large strain is required and a portion where the large strain may cause the device to be damaged, thereby preventing the device from being damaged.
上記圧電体素子において、前記圧電体膜は複数の層が積層されてなり、当該複数の層のうち下部電極に接する層の厚みに違いを持たせることで、その上に形成される圧電体膜の結晶配向を異ならせることができる。下部電極に接する層を所望の結晶構造となる圧電体膜とすることで、それより上層の圧電体膜も同様の結晶構造をもつものとすることができる。 In the piezoelectric element, the piezoelectric film is formed by laminating a plurality of layers, and the piezoelectric film formed on the plurality of layers by making a difference in thickness of a layer in contact with the lower electrode. The crystal orientation can be made different. By making the layer in contact with the lower electrode a piezoelectric film having a desired crystal structure, the upper piezoelectric film can have the same crystal structure.
上記圧電体素子において、前記下部電極の前記圧電体膜に接する面が所定パターンの高低分布を有し、前記圧電体膜は前記下部電極の高部上の部分より低部上の部分の厚みが厚く形成されていることが望ましい。下部電極の表面に高低分布を持たせることで、容易に圧電体膜の各部分の厚みを所望の厚みにすることができる。 In the piezoelectric element, a surface of the lower electrode that is in contact with the piezoelectric film has a predetermined pattern height distribution, and the piezoelectric film has a thickness of a portion on a lower portion than a portion on a high portion of the lower electrode. It is desirable to form it thickly. By providing a height distribution on the surface of the lower electrode, the thickness of each part of the piezoelectric film can be easily set to a desired thickness.
上記圧電体素子において、前記下部電極の前記基板側の面が所定パターンの高低分布を有し、前記下部電極の前記圧電体膜に接する面が前記基板側の面の高低分布に対応した高低分布を有していてもよい。基板側の面に高低分布を持たせることで、容易に下部電極表面にも高低分布を持たせることができる。 In the piezoelectric element, the substrate-side surface of the lower electrode has a predetermined pattern height distribution, and the surface of the lower electrode in contact with the piezoelectric film corresponds to the height distribution of the substrate-side surface. You may have. By providing the surface on the substrate side with a height distribution, the surface of the lower electrode can be easily provided with a height distribution.
上記圧電体素子において、前記圧電体膜の厚みが薄い部分は、正方晶系であり、100配向であることが望ましい。比較的歪みが少ないので、応力を緩和することができる。 In the piezoelectric element, the thin portion of the piezoelectric film is tetragonal and preferably has 100 orientation. Since the strain is relatively small, the stress can be relaxed.
上記圧電体素子において、前記圧電体膜の厚みが厚い部分は、正方晶系であり、111配向であることが望ましい。歪みを大きくとることで、大きな変位を得ることができる。 In the piezoelectric element, the thick portion of the piezoelectric film is tetragonal and preferably has 111 orientation. A large displacement can be obtained by increasing the distortion.
上記圧電体素子において、前記圧電体膜の厚みは、前記基板に支持される部分が他の部分より厚く形成されたものであることが好ましい。基板に支持される部分は圧電素子のクランプ部となるので、歪みを小さくして応力を緩和することができる。 In the piezoelectric element, the thickness of the piezoelectric film is preferably such that a portion supported by the substrate is formed thicker than other portions. Since the portion supported by the substrate becomes a clamp portion of the piezoelectric element, the strain can be reduced and the stress can be relaxed.
本発明の他の圧電体素子は、基板に支持された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、圧電体膜上に形成された上部電極とを備え、前記圧電体膜は、正方晶系であり、100配向である部分と、正方晶系であり、111配向である部分とを備えている。これにより、大きな歪みが必要な部分と、大きな歪みが素子の破損を招く恐れのある部分とで圧電特性が異なるようにし、素子の破損を起こりにくくしている。 Another piezoelectric element of the present invention includes a lower electrode supported by a substrate, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film, and the piezoelectric film Is tetragonal and has a 100 orientation and a tetragonal and 111 orientation. Accordingly, the piezoelectric characteristics are different between a portion where a large strain is required and a portion where the large strain may cause the device to be damaged, thereby preventing the device from being damaged.
上記圧電体素子において、前記圧電体膜は、前記基板に支持される部分が100配向であり、他の部分が111配向であることが望ましい。基板に支持される部分は圧電素子のクランプ部となるので、歪みを小さくして応力を緩和することができる。 In the piezoelectric element, the piezoelectric film preferably has a portion supported by the substrate having a 100 orientation and the other portion having a 111 orientation. Since the portion supported by the substrate becomes a clamp portion of the piezoelectric element, the strain can be reduced and the stress can be relaxed.
本発明の液体噴射ヘッドは、上記の圧電体素子と、当該圧電体素子と前記基板とに間に形成された振動板と、からなる圧電アクチュエータを備え、前記基板に形成され、前記圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室と、当該圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口と、を備えている。従ってこの液体噴射ヘッドは、素子の破損が起こりにくく信頼性が高い。 According to another aspect of the invention, there is provided a liquid jet head including a piezoelectric actuator including the piezoelectric element and a diaphragm formed between the piezoelectric element and the substrate. A pressure generation chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement, and a discharge port that communicates with the pressure generation chamber and discharges droplets are provided. Therefore, the liquid ejecting head is highly reliable with less element damage.
上記液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電体膜の厚みが厚い部分は、前記圧力発生室の周縁部に対向する領域に形成されていることが望ましい。圧力発生室の周縁部に対向する領域は圧電素子のクランプ部となるので、歪みを小さくして応力を緩和することができる。 In the liquid ejecting head, it is preferable that the thick portion of the piezoelectric film is formed in a region facing a peripheral portion of the pressure generating chamber. Since the region facing the peripheral edge of the pressure generating chamber is a clamp portion of the piezoelectric element, the stress can be reduced by reducing the strain.
本発明の他の液体噴射ヘッドは、上記の圧電体素子と、当該圧電体素子と前記基板との間に形成された振動板と、からなる圧電アクチュエータと、前記基板に形成され、当該圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室と、当該圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口と、を備え、前記正方晶系であり、111配向である部分は、前記圧力発生室の中央部に対向する領域に形成され、前記正方晶系であり、100配向である部分は、前記圧力発生室の周縁部に対向する領域に形成されている。圧力発生室の周縁部に対向する領域は圧電素子のクランプ部となるので、歪みを小さくして応力を緩和することができ、圧力発生室の中央部に対向する領域では大きな歪みを得ることができる。 Another liquid ejecting head according to the present invention includes a piezoelectric actuator including the piezoelectric element described above and a diaphragm formed between the piezoelectric element and the substrate, and the piezoelectric actuator formed on the substrate. A pressure generation chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement of and a discharge port that discharges droplets in communication with the pressure generation chamber.The portion that is tetragonal and has a 111 orientation is A portion that is formed in a region facing the central portion of the pressure generating chamber and has the tetragonal system and 100 orientation is formed in a region that faces the peripheral portion of the pressure generating chamber. Since the region facing the peripheral edge of the pressure generating chamber serves as a clamp portion of the piezoelectric element, the strain can be reduced to relieve the stress, and a large strain can be obtained in the region facing the central portion of the pressure generating chamber. it can.
本発明の液体噴射装置は、上記の液体噴射ヘッドと、当該液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えている。従ってこの液体噴射装置は、素子の破損が起こりにくく信頼性が高い。 A liquid ejecting apparatus according to an aspect of the invention includes the above-described liquid ejecting head and a driving device that drives the liquid ejecting head. Therefore, the liquid ejecting apparatus is highly reliable because the element is hardly damaged.
本発明の圧電体素子の製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、圧電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、前記下部電極を形成する工程は、前記下部電極の圧電体膜形成面に所定パターンの高低分布が形成されるように前記下部電極を形成する工程であり、前記圧電体膜の形成工程は、前記下部電極上に圧電体の構成金属元素を含有するゾルをスピンコート法により塗布し、このゾルをゲル化させ結晶化させる工程である。これにより、容易に圧電体膜の各部分の厚みを所望の厚みにすることができる。 The method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a piezoelectric film on the lower electrode, and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film, The step of forming the lower electrode is a step of forming the lower electrode such that a predetermined pattern height distribution is formed on the piezoelectric film forming surface of the lower electrode, and the step of forming the piezoelectric film includes the step of forming the piezoelectric film. In this process, a sol containing a constituent metal element of a piezoelectric body is applied onto the lower electrode by a spin coating method, and the sol is gelled and crystallized. Thereby, the thickness of each part of a piezoelectric film can be easily made into desired thickness.
上記製造方法において、前記下部電極を形成する工程は、前記下部電極となる導電層を表面が平坦となるように形成し、当該導電層の表面付近の導電材料を所定パターンに除去することにより前記下部電極の圧電体膜形成面に高低分布を形成してもよい。これにより、下部電極表面に容易に所定パターンの工程分布を形成することができる。 In the manufacturing method, the step of forming the lower electrode includes forming a conductive layer to be the lower electrode so that the surface is flat, and removing the conductive material near the surface of the conductive layer in a predetermined pattern. A height distribution may be formed on the piezoelectric film forming surface of the lower electrode. Thereby, it is possible to easily form a process distribution of a predetermined pattern on the surface of the lower electrode.
次に、本発明の好適な実施形態にかかる圧電体素子及び圧電アクチュエータ、これを用いた液体噴射ヘッド、及びこれらの製造方法について図面を参照して説明する。 Next, a piezoelectric element and a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention, a liquid jet head using the same, and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
なお、本実施の形態では、液体噴射ヘッドとして、インク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを、液体噴射装置として、インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを例にとって説明する。また、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Note that in this embodiment, an ink jet recording head that ejects ink droplets as a liquid ejecting head and a printer that includes an ink jet recording head as a liquid ejecting apparatus will be described as an example. The embodiments described below are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited only to these embodiments. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
図1は、本実施の形態にかかるプリンタを示す斜視図、図2は、図1に示すプリンタに使用されるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図、図3は、図2に示すインクジェット式記録ヘッドの圧電アクチュエータ付近を拡大した平面図、図4は、図3に示すi−i線に沿った断面図、図5は、図3に示すii−ii線に沿った断面図、図6及び図7は、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。 1 is a perspective view showing a printer according to the present embodiment, FIG. 2 is an exploded perspective view of an ink jet recording head used in the printer shown in FIG. 1, and FIG. 3 is an ink jet recording head shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line ii shown in FIG. 3, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line ii-ii shown in FIG. 3, and FIGS. FIG. 7 is a process diagram illustrating a method for manufacturing the piezoelectric actuator and the ink jet recording head according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施の形態にかかるプリンタ1は、複数のインクジェット式記録ヘッド220(図2参照)を有するヘッドユニット200を備え、このヘッドユニット200には、インク供給手段を構成するカートリッジ1A及び1Bが着脱可能に設けられている。なお、本実施の形態では、カートリッジ1Aは1室からなり、ブラックインク組成物が収容されている。また、カートリッジ1Bは例えば3つの部屋に仕切られており、各々の部屋には、シアンインク組成物、マゼンタインク組成物、イエロインク組成物が各々収容されている。これらのカートリッジ1A及び1Bが着脱可能に設けられたヘッドユニット200は、キャリッジ3に搭載されており、このキャリッジ3は、プリンタ本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
また、プリンタ本体4には、キャリッジ3を駆動するための駆動モータ6が設けられており、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、ヘッドユニット200を搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。
The
さらに、プリンタ本体4には、キャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8上を搬送されるようになっている。そして、ヘッドユニット200から、所望のインク組成物が、所望のタイミングで記録シートSに吐出されることで、文字や画像等が印刷される。
Further, the
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220は、図2〜図5に示すようにノズル開口21に連通する圧力発生室12が形成される流路形成基板10と、流路形成基板10の一方面側に振動板50を介して設けられた圧電体素子300を備えて構成されている。そして、振動板50及び圧電体素子300により、圧力発生室12内の圧力を高め、ノズル開口21からインク滴を吐出させるための駆動源としての圧電アクチュエータを構成している。
As shown in FIGS. 2 to 5, the ink
流路形成基板10は、シリコン単結晶基板から構成されており、この流路形成基板10の一方側に形成されている振動板50は、流路形成基板10を予め熱酸化して形成した二酸化シリコン(SiO2)からなる酸化膜51と、この酸化膜51上に形成した拡散防止膜52から構成されている。(図4及び図5参照)。この拡散防止膜52は、本実施の形態では、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜から構成されており、後述する圧電体膜43に含有されている鉛(Pb)が、酸化膜51に拡散されることを防止する機能を備えている。
The flow
また、この流路形成基板10には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁22によって区画された圧力発生室12が複数形成されている。各圧力発生室12のノズル開口が列設された方向の外側には、後述するリザーバ形成基板30に設けられるリザーバ部31と連通し、各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成する連通部13が形成されている。この連通部13は、インク供給路14を介して各圧力発生室12のノズル開口が列設された方向一端部に各々連通されている。
The flow
流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側で連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。すなわち、本実施の形態では、1つのインクジェット式記録ヘッド220にノズル開口21の並設されたノズル列21Aが2列設けられている。
On the opening surface side of the flow
振動板50上には、所定の形状にパターニングされた下部電極33と、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体膜43と、上部電極44と、を備えた圧電体素子300が形成されている。
A
図4に示すように、圧力発生室12の周縁部に対向する領域では、下部電極33の表面に窪み33cが形成されており、窪み33c上の圧電体膜43が、圧力発生室12の中央部に対向する領域の圧電体膜43よりも厚くなっている。そして、圧電体膜43の厚みが厚い部分は正方晶系で100配向であり、それ以外の圧電体膜43が薄い部分は正方晶系で111配向である。
As shown in FIG. 4, in a region facing the peripheral edge of the
圧電体膜43のうち111配向の部分は圧電定数が大きく、電圧印加時の変位が大きいのに対し、100配向の部分は111配向の部分より圧電定数が小さく、電圧印加時の変位が小さい。かかる100配向の部分が圧力発生室12の周縁部に対向する領域に形成されているため、圧電素子を支持するクランプ部として機能する当該領域に応力が集中しないようにし、素子の破損を防止することができる。また、111配向の部分が圧力発生室12の中央部に対向する領域に形成されているため、大きな変位を得ることができる。
In the
窪み33cは、圧力発生室12の周縁部に対向する領域から圧力発生室12の中央部に対向する領域にかけてなだらかに傾斜していることが好ましく、その角度は基板表面に対して5度〜20度程度であることが好ましい。傾斜角度が20度を超えると、圧力発生室12の周縁部に対向する領域上の圧電体膜と圧力発生室12の中央部に対向する領域上の圧電体膜との間で格子の不連続が生じてしまう恐れがあり、逆に5度未満の場合は十分な深さの窪みを形成できない恐れがあるためである。
The
なお、この実施形態では振動板50を平坦に形成し、圧力発生室の周縁部に対向する領域における下部電極33の厚みを薄くすることで下部電極33の表面を窪ませているが、これに限らず、圧力発生室の周縁部に対向する領域における振動板50の厚みを薄くして、その上に均一な厚さの下部電極33を形成することによって、振動板50の窪みに応じた形状に、下部電極33の表面の窪みを形成しても良い。
In this embodiment, the
このような圧電体素子300が形成された流路形成基板10上には、リザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部31を有するリザーバ形成基板30が接合されている。このリザーバ部31は、本実施の形態では、リザーバ形成基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
A
なお、このようなリザーバ形成基板30としては、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等を挙げることができるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
Examples of the
さらに、リザーバ形成基板30上には、各圧電体素子300を駆動するための駆動IC110が設けられている。この駆動IC110の各端子は、図示しないボンディングワイヤ等を介して各圧電体素子300の個別電極から引き出された引き出し配線と接続されている。そして、駆動IC110の各端子には、フレキシブルプリントケーブル(FPC)等の外部配線111を介して外部と接続され、外部から外部配線111を介して印刷信号等の各種信号を受け取るようになっている。
Furthermore, a
また、このようなリザーバ形成基板30上には、コンプライアンス基板40が接合されている。コンプライアンス基板40のリザーバ100に対向する領域には、リザーバ100にインクを供給するためのインク導入口45が厚さ方向に貫通することで形成されている。また、コンプライアンス基板40のリザーバ100に対向する領域のインク導入口45以外の領域は、厚さ方向に薄く形成された可撓部46となっており、リザーバ100は、可撓部46により封止されている。そして、この可撓部46により、リザーバ100内にコンプライアンスを与えている。
A
このように、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220は、ノズルプレート20、流路形成基板10、リザーバ形成基板30及びコンプライアンス基板40の4つの基板で構成されている。そして、このようなインクジェット式記録ヘッド220のコンプライアンス基板40上には、インク導入口45に連通すると共に、図示しないカートリッジケースのインク連通路に連通して、カートリッジケースからのインクをインク導入口45に供給するインク供給連通路231が設けられたヘッドケース230が設けられている。このヘッドケース230には、可撓部46に対向する領域に、図示しない凹部が形成され、可撓部46の撓み変形が適宜行われるようになっている。また、ヘッドケース230には、リザーバ形成基板30上に設けられた駆動IC110に対向する領域に厚さ方向に貫通した駆動IC保持部233が設けられており、外部配線111は、駆動IC保持部233を挿通して駆動IC110と接続されている。
As described above, the ink
このようなインクジェット式記録ヘッド220は、インクカートリッジから供給されるインクをインク導入口45から取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動IC110からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの圧電体素子300に電圧を印加し、振動板50をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力を高め、ノズル開口21からインク滴を吐出させる。
Such an ink
次に、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220の製造方法について図6及び図7を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the ink
(振動板の形成工程:S1)
シリコン単結晶基板(例えば、厚さ200μm程度)からなる流路形成基板10を、酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、流路形成基板10に、二酸化シリコン膜からなる酸化膜51(例えば、厚さ1μm程度)を形成する。この工程には通常用いる熱酸化法の他、CVD法を使用することもできる。
(Diaphragm forming step: S1)
A flow
次に、酸化膜51上に、酸化ジルコニウム膜からなる拡散防止膜52(例えば、厚さ200nm〜400nm程度)を形成する。この拡散防止膜52は、例えば、スパッタ法または真空蒸着法等によりジルコニウムの層を形成し、酸素雰囲気中で高温処理して得られる。また、酸化ジルコニウムターゲットを用いてRFスパッタを行い、酸化ジルコニウムを直接形成してもよい。このようにして、酸化膜51及び拡散防止膜52からなる振動板50を形成する。
Next, a diffusion prevention film 52 (for example, a thickness of about 200 nm to 400 nm) made of a zirconium oxide film is formed on the
(下部電極形成用膜の形成工程:S2)
次に、拡散防止膜52上に、後にパターニングにより下部電極33を形成するための下部電極形成用膜33aを形成する。この下部電極形成用膜33aは、本実施の形態では、例えば、スパッタ法等でイリジウム(Ir)を含む層を形成する工程と、該Ir層上に、スパッタ法等で白金(Pt)を含む層を形成する工程と、該Pt層上にスパッタ法等でイリジウムを含む層を形成する工程を行うことで形成した。なお、拡散防止膜52上には、下部電極形成用の膜33aの形成に先立ち、チタンからなる密着層(図示せず)をスパッタ法又は真空蒸着法により形成してもよい。
(Process for forming lower electrode forming film: S2)
Next, a lower
下部電極形成用膜33aには、圧力発生室12の周縁部分に対向する領域に、窪み33cを形成する。この窪み33cは、下部電極形成用膜33aの表面を、イオンミリング、ドライエッチング、或いはウェットエッチングで削ることにより形成する。削る量は、例えば下部電極形成用膜33aの厚さを200nmとすると、そのうち40nm程度を削り、当該部分の下部電極形成用膜33aの厚さを160nm程度とする。
In the lower
また本発明はこれに限らず、振動板50をイオンミリング、ドライエッチング、或いはウェットエッチングで削ってから下部電極形成用膜33aをスパッタ法で形成することとしてもよい。振動板50の凹凸面上にスパッタ法による成膜を行うと、振動板50の凹凸面に対応した凹凸面が下部電極形成用膜33aにも形成される。
The present invention is not limited to this, and the lower
下部電極形成用膜33aを形成した後、これに連続して下部電極形成用膜33a上に図示しないチタン(Ti)層を形成する。このチタン層は、後に形成される圧電体前駆体膜43aを結晶化させるための核となる機能を有するものであり、チタン結晶を核として圧電体前駆体膜43aを結晶化させることにより、結晶成長が下部電極形成用膜33a側から起こり、緻密で柱状の結晶を得ることができる。このチタン層は、例えばスパッタ法等により形成することが好ましい。
After forming the lower
(圧電体膜第1層の形成工程:S3及びS4)
次に、下部電極形成用膜33a上に、最終的に形成されるべき圧電体膜43の所望の厚さ以下、好ましくは所望の厚さの半分以下の厚さで圧電体前駆体膜43aを形成する。例えば、全体の膜厚1500nmの圧電体膜43を7層で構成する場合、この第1工程では厚い部分で90nm、薄い部分で50nmの少なくとも1層からなる圧電体前駆体膜43aを形成する。(S3参照)。
(Formation process of piezoelectric film first layer: S3 and S4)
Next, the
具体的には、ゾル・ゲル法により、下部電極形成用膜33a上に、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より塗布する。次いで、一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。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、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、例えば2回繰り返して圧電体前駆体膜43a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。
Specifically, a sol made of an organometallic alkoxide solution is applied onto the lower
以上のように圧電体の構成金属元素を含有するゾルをスピンコート法で塗布することにより、下部電極形成用膜33aの表面の凹凸に関わらず、ゾル及びこれを乾燥、脱脂して得た圧電体前駆体膜43aは、表面が平坦に形成される。従って、窪み33c上の圧電体前駆体膜43aは他の部分よりも厚くなっている。例えば下部電極形成用膜33aの表面のうち窪み33cがそれ以外の部分より40nm窪んでいた場合、窪み33c上の圧電体前駆体膜43aはそれ以外の部分より40nm厚くなる。
As described above, by applying the sol containing the constituent metal elements of the piezoelectric body by the spin coating method, the sol and the piezoelectric obtained by drying and degreasing the sol regardless of the unevenness of the surface of the lower
次に、圧電体前駆体膜43aを焼成して結晶化させる。この焼成により、圧電体前駆体膜43aは、アモルファス状態から正方晶系結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す膜へと変化する。以上の圧電体前駆体膜43aの形成および焼成の工程を1回行うことにより、第1の圧電体膜の第1層43bが形成される。(S4参照)。
Next, the
こうして形成された圧電体膜の第1層43bの配向性をX線回折広角法により測定すると、窪み33c上の部分は(100)面配向度が約90%となり、それ以外の部分は(111)面配向度が約90%となる。ここで(100)面配向度或いは(111)面配向度とは、(100)面、(110)面、(111)面の回折強度の和を100とした時の(100)面或いは(111)面の回折強度の割合を示すものとする。かかる圧電体膜第1層43bの配向性は、圧電体膜の成膜時の膜厚に依存するものと考えられる。すなわち、圧電体膜の膜厚が90nm以上の部分では100配向となり、圧電体膜の膜厚が50nm以下の部分では111配向となる。
When the orientation of the
好ましい実施態様では、下部電極表面の窪み33cは、圧力発生室12の中央部に対向する領域にかけてなだらかな傾斜を有している。このため圧電体膜第1層43bは、圧力発生室12の周縁部に対向する領域から圧力発生室12の中央部に対向する領域にかけて、100配向から緩やかに111面の配向度が高くなる。従って、圧電体膜の格子の不連続が起こりにくく、信頼性の高い圧電体膜を得ることができる。
In a preferred embodiment, the
なお、前記焼成に伴い、下部電極形成用膜33aも一部酸化し、及び圧電体膜の成分が一部拡散することにより膜厚が増加する。ここで、下部電極形成用膜をパターニングしてから圧電体膜を形成する方法では、下部電極形成用膜のパターニング境界付近の膜厚の増加が他の部分より少ないため膜厚が不均一となるが、本実施の形態の方法によれば、下部電極形成用膜33aをパターニングする前に圧電体膜第1層43bを形成するので、下部電極形成用膜33aの膜厚は全体的に増加し、不均一となることがない。
With the firing, the lower
次に、圧電体膜第1層43b上に所望の形状のマスクを形成し、マスク領域以外をエッチングすることで圧電体膜第1層43b及び下部電極形成用膜33aのパターニングを行い、下部電極33及び配線用電極33bを形成する。具体的には、まずスピンナー法、スプレー法等により均一な厚みのレジスト材料を圧電体膜第1層43b上に塗布し(図示せず)、次いで、このレジスト材料を所定の形状にパターニングした後、露光・現像して、レジストパターンを形成し(図示せず)、これをマスクとして圧電体膜第1層43b及び下部電極形成用膜33aを、通常用いるイオンミリング又はドライエッチング法等によりエッチング除去し、拡散防止膜52を露出させる。
Next, a mask having a desired shape is formed on the piezoelectric film
(圧電体膜第2層の形成工程:S5)
次いで、圧電体膜第1層43b上及び露出された拡散防止膜52上に、前記圧電体膜第1層の形成工程と同様の工程によって圧電体膜第2層を形成し、これを複数回繰り返して複数層からなる圧電体膜43を形成する。第2層及び第3層以降の圧電体膜は1層あたり例えば200nmとし、所定の膜厚となるまで積層する。なお、第2の圧電体膜の形成前に、圧電体膜第1層43b上及び露出された拡散防止膜52上に、チタン層を再度スパッタ法等により形成しても良い。
(Piezoelectric film second layer forming step: S5)
Next, a piezoelectric film second layer is formed on the piezoelectric film
こうして形成される圧電体膜第2層は、圧電体膜第1層の影響を受けて結晶成長する。この結果、圧力発生室12の周縁部に対向する窪み33c上の領域は圧電体膜第1層と同様100配向となり、圧力発生室12の中央部に対向する領域も圧電体膜第1層と同様に111配向となる。
The piezoelectric film second layer thus formed grows under the influence of the piezoelectric film first layer. As a result, the region on the
(上部電極形成用膜の形成工程:S6)
次に、圧電体膜43上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により上部電極形成用膜44aを形成する。この上部電極形成用膜44aとしては、白金、イリジウム、あるいはその他の金属等を用い、50nm程度の膜厚で形成する。
(Upper electrode forming film forming step: S6)
Next, an upper
(圧電体膜及び上部電極のパターニング工程:S7)
次に、圧電体膜43及び上部電極形成用膜44aを、形成すべき圧電体素子300の所定形状にパターニングする。具体的には、上部電極形成用膜44a上にレジスト材料をスピンコートした後、圧力発生室12が形成されるべき位置に合わせてパターニングする。残ったレジスト材料をマスクとして上部電極形成用膜44a及び圧電体膜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素子300が形成される。
(Patterning process of piezoelectric film and upper electrode: S7)
Next, the
(細帯電極形成工程:S8)
次に、上部電極44と配線用電極33bを導通する細帯電極55を形成する。細帯電極55の材質は剛性が低く、電気抵抗が低い金から形成することが好ましいが、他に、アルミニウム、銅等も好適である。細帯電極55は、約0.2μmの膜厚で形成し、その後各上部電極44と配線用電極33bとの導通部が残るようにパターニングする。
(Strip electrode forming step: S8)
Next, a
(圧力発生室の形成工程:S9)
次に、圧電体素子300が形成された流路形成基板10の他方の面に、異方性エッチングまたは平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを施し、圧力発生室12を形成する。エッチングされずに残された部分が隔壁22(図5参照)になる。
(Pressure generation chamber forming step: S9)
Next, anisotropic etching using an active gas such as anisotropic etching or parallel plate type reactive ion etching is performed on the other surface of the flow
(ノズルプレートの貼り合わせ工程:S10)
最後に、エッチング後の流路形成基板10にノズルプレート20を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせの時に各ノズル開口21が圧力発生室12の各々の空間に配置されるよう位置合わせする。ノズルプレート20が貼り合わせられた流路形成基板10をヘッドケース230に取り付け、インクジェット式記録ヘッド220を完成させる。
(Nozzle plate bonding step: S10)
Finally, the
なお、本実施の形態では、拡散防止膜52を酸化ジルコニウム膜から構成した場合について説明したが、これに限らず、拡散防止膜52は、拡散防止機能を備えていれば、例えば、酸化アルミニウムや、酸化チタン等、他の材料から構成してもよく、また、所望により、添加物等が加えられていてもよい。
In the present embodiment, the case where the
そしてまた、本実施の形態では、圧電体膜43をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成した場合について説明したが、これに限らず、圧電体膜43は、圧電性セラミックスの結晶であり、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料の他、これに酸化ニオブ、酸化ニッケルまたは酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したものから構成してもよい。また、圧電体膜43の組成は、圧電体素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等が好適に用いられる。また、チタン酸鉛やジルコニウム酸鉛にニオブ(Nb)を適宜添加することにより、圧電特性に優れた膜を得ることができる。
In the present embodiment, the case where the
そしてまた、本実施の形態では、圧電体素子の一例としてインクジェット式記録ヘッドを示したが、この他に、各装置、例えば、マイクロホン、発音体、各種振動子、発振子等に用いられることは言うまでもない。また、液体噴射ヘッドとして、インク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを、液体噴射装置として、インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを例にとって説明したが、これに限らず、広く液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。 In the present embodiment, an ink jet recording head is shown as an example of a piezoelectric element, but in addition to this, it is used for each device, for example, a microphone, a sounding body, various vibrators, an oscillator, and the like. Needless to say. In addition, the ink jet recording head that ejects ink droplets as the liquid ejecting head and the printer including the ink jet recording head as the liquid ejecting apparatus have been described as an example. It is intended for general injection devices. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (surface emitting display). Electrode material ejecting heads used in manufacturing, bioorganic matter ejecting heads used in biochip production, and the like.
1・・・プリンタ、10・・・流路形成基板、12・・・圧力発生室、33・・・下部電極、33c・・・窪み、43・・・圧電体膜、44・・・上部電極、50・・・振動板、51・・・酸化膜、52・・・拡散防止膜、53・・・密着領域、220・・・インクジェット式記録ヘッド、300・・・圧電体素子
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記圧電体膜は複数の層が積層されてなり、当該複数の層のうち下部電極に接する最下層の厚みが所定パターンで異なる、圧電体素子。 In claim 1,
The piezoelectric film is formed by laminating a plurality of layers, and a thickness of a lowermost layer in contact with the lower electrode among the plurality of layers is different in a predetermined pattern.
前記下部電極の前記圧電体膜に接する面が所定パターンの高低分布を有し、前記圧電体膜は前記下部電極の高部上の部分より低部上の部分の厚みが厚く形成された、圧電体素子。 In claim 1 or claim 2,
A surface of the lower electrode in contact with the piezoelectric film has a predetermined height distribution, and the piezoelectric film is formed such that the thickness of the upper portion of the lower electrode is thicker than the upper portion of the lower electrode. Body element.
前記下部電極の前記基板側の面が所定パターンの高低分布を有し、前記下部電極の前記圧電体膜に接する面が前記基板側の面の高低分布に対応した高低分布を有する、圧電体素子。 In claim 3,
A piezoelectric element in which a surface of the lower electrode on the substrate side has a height distribution of a predetermined pattern, and a surface of the lower electrode in contact with the piezoelectric film has a height distribution corresponding to the height distribution of the surface on the substrate side .
前記圧電体膜の厚みが薄い部分は、正方晶系であり、100配向である、圧電体素子。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A piezoelectric element in which the thin part of the piezoelectric film is tetragonal and has 100 orientation.
前記圧電体膜の厚みが厚い部分は、正方晶系であり、111配向である、圧電体素子。 In any one of Claims 1 to 5,
A piezoelectric element in which the thick portion of the piezoelectric film is tetragonal and has 111 orientation.
前記圧電体膜の厚みは、前記基板に支持される部分が他の部分より厚く形成された、圧電体素子。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
A thickness of the piezoelectric film is a piezoelectric element in which a portion supported by the substrate is formed thicker than other portions.
前記圧電体膜は、前記基板に支持される部分が100配向であり、他の部分が111配向である、圧電体素子。 In claim 8,
The piezoelectric film is a piezoelectric element in which a portion supported by the substrate has 100 orientation and the other portion has 111 orientation.
前記圧電体膜の厚みが厚い部分は、前記圧力発生室の周縁部に対向する領域に形成された、液体噴射ヘッド。 In claim 10,
The portion where the thickness of the piezoelectric film is thick is a liquid jet head formed in a region facing the peripheral edge of the pressure generating chamber.
前記正方晶系であり、111配向である部分は、前記圧力発生室の中央部に対向する領域に形成され、
前記正方晶系であり、100配向である部分は、前記圧力発生室の周縁部に対向する領域に形成された、液体噴射ヘッド。 A piezoelectric actuator comprising the piezoelectric element according to claim 8 or 9, a diaphragm formed between the piezoelectric element and the substrate, and a machine for the piezoelectric actuator formed on the substrate. A pressure generating chamber whose internal volume changes due to a mechanical displacement, and a discharge port that communicates with the pressure generating chamber and discharges a droplet,
The tetragonal and 111-oriented portion is formed in a region facing the central portion of the pressure generating chamber,
The tetragonal and 100-oriented portion is a liquid jet head formed in a region facing the peripheral edge of the pressure generating chamber.
前記下部電極を形成する工程は、前記下部電極の圧電体膜形成面に所定パターンの高低分布が形成されるように前記下部電極を形成し、
前記圧電体膜の形成工程は、前記下部電極上に圧電体の構成金属元素を含有するゾルをスピンコート法により塗布し、このゾルをゲル化させ結晶化させる、圧電体素子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising: a step of forming a lower electrode on a substrate; a step of forming a piezoelectric film on the lower electrode; and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film,
The step of forming the lower electrode forms the lower electrode so that a predetermined pattern height distribution is formed on the piezoelectric film forming surface of the lower electrode,
The piezoelectric film forming step is a method of manufacturing a piezoelectric element in which a sol containing a constituent metal element of a piezoelectric body is applied on the lower electrode by a spin coating method, and the sol is gelled and crystallized.
前記下部電極を形成する工程は、前記下部電極となる導電層を表面が平坦となるように形成し、当該導電層の表面付近の導電材料を所定パターンに除去することにより前記下部電極の圧電体膜形成面に高低分布を形成する、圧電体素子の製造方法。 In claim 14,
The step of forming the lower electrode includes forming a conductive layer to be the lower electrode so that the surface is flat, and removing the conductive material in the vicinity of the surface of the conductive layer in a predetermined pattern to thereby form the piezoelectric body of the lower electrode A method for manufacturing a piezoelectric element, wherein a height distribution is formed on a film forming surface.
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KR100892197B1 (en) | 2006-06-07 | 2009-04-07 | 세이코 엡슨 가부시키가이샤 | Actuator device and liquid-jet head |
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- 2004-01-23 JP JP2004015126A patent/JP2005209898A/en active Pending
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