JP2000196157A

JP2000196157A - 圧電体素子、及び圧電体素子の製造方法、並びにこの圧電体素子を用いたインクジェットヘッド、インクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP2000196157A
Application number: JP37323998A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hashimoto; 和生橋本; Tomonori Hashimoto; 智仙橋本; Masami Murai; 正己村井; Manabu Nishiwaki; 学西脇
Original assignee: Seiko Epson Corp; Ube Industries Ltd
Current assignee: Seiko Epson Corp; Ube Corp
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】組成不安定領域を極力低減した圧電体素子を
提供する。【解決手段】圧電体を水熱法によって基板に形成して
なる圧電体素子において、この圧電体のうちその下地と
なる側に形成される組成不安定領域の厚さを１．０ミク
ロン以下とする。このために、圧電体の下地の表面粗さ
Ｒａを５ｎｍ以下となるように、下地層を形成するため
の条件を定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電体素子及びこの
製造方法に関する。さらに、本発明は、この圧電体素子
を用いたインクジェット式記録ヘッド、並びにこのイン
クジェットヘッドを用いたインクジェット記録式プリン
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電体素子をアクチュエータとして用い
たものの一例に、インクリザーバー内のインクを圧電体
の変形によって吐出するように構成したインクジェット
ヘッドがある。このインクジェットヘッドは、プリント
される画像の各ドット毎に区分けされて形成された圧電
体と、各ドットの圧電体毎に圧電体を変形させるための
電気を供給する電極を備えている。区分けされた圧電
体、及び個々の圧電体に対する電極は、半導体製造技術
によって高密度に基板上に形成されている。

【０００３】インクジェット式プリンタは、このインク
ジェットヘッドを備えて、コンピュータ装置からの印刷
データに基づいて各ドット毎にインクを吐出することに
より、所定の文字や絵等の画像を紙などの印刷媒体に印
刷するように動作するものである。

【０００４】この圧電体薄膜素子は、チタン酸ジルコン
酸鉛（以下、「ＰＺＴ」と称する。）に代表される圧電
体を備えている。圧電体は、スパッタ法等物理的気相成
長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲ
ル法、スピンコート法等で基板上に成膜され、次いで、
７００〜１０００℃での高温熱処理を受けることにより
完成される。

【０００５】また、最近では、圧電体の薄膜を形成する
方法として、２００℃以下の低温環境下で圧電体を形成
するための反応を進めることができる、いわゆる水熱法
（「水熱合成法」ともいう。）を利用することが考えら
れている。

【０００６】この水熱法は、例えば、日本セラミックス
協会第１５回電子材料研究討論会講演予稿集の「水熱合
成法によるＰＺＴ結晶膜の作成とその電気特性」（発行
日１９９５年１０月２日）に記載されている。

【０００７】この水熱法は、チタン金属基板、又はシリ
コン基板上のチタン下地層の表面にＰＺＴの種結晶を析
出させる種結晶形成プロセスと、このＰＺＴ種結晶を核
としてＰＺＴ結晶を析出・成長させる結晶成長プロセス
とからなる。すなわち、チタンの上にＰＺＴの種結晶が
出来ると、この後の結晶成長プロセスにおいて、この種
結晶を核としてＰＺＴの結晶粒が成長する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者が鋭意検討したところ、低温で成膜が可能な水熱法に
おいては、たとえ、圧電体が２成分で形成されるもので
あっても、圧電体の組成を均一なものに制御すること
が、次のように困難であることを見い出した。

【０００９】すなわち、下地層の上に形成されたＰＺＴ
を厚さ方向に調べると、チタン層上にＰＺＴの組成が均
一に成っていない組成不安定領域が下地層側にＰＺＴの
析出初期において形成される。組成不安定領域とは、圧
電体がその機能を発揮するための組成を備えていない部
分や層をいい、この組成不安定領域の上に、ＰＺＴが圧
電体として機能するための均一組成を持った組成安定領
域が形成されている。組成不安定領域は組成不均一領域
ともいって良く、また、組成安定領域は、組成均一領域
といっても良い。

【００１０】本発明者の検討によれば、この組成不安定
層は、ＰＺＴとしては十分に機能しないために、この領
域が多いほどＰＺＴの圧電特性が低下する。したがっ
て、この領域があることを考えて所望の特性の圧電体素
子を得ようとすると、ＰＺＴの膜厚を厚くせざるを得な
いが、これでは、インクジェットヘッドにおいて要求が
高い圧電体素子の高密度化が達成されないという不利益
がある。

【００１１】そこで、本発明は、組成不安定領域を極力
低減した圧電体素子を提供することを目的とする。本発
明の他の目的は、この組成不安定領域を低減して圧電特
性に優れた圧電体素子を提供することである。本発明の
さらに他の目的は、この圧電体素子を用いたインクジェ
ットヘッド、及びインクジェットプリンタを提供するこ
とである。本発明のさらに他の目的は、既述の圧電体素
子の製造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、この目的を達
成するために、圧電体素子において、圧電体を水熱法に
より形成する場合における圧電体の組成形成過程の初期
段階で生ずる組成不安定領域の厚さが、１．０ミクロン
以下、好ましくは０．５ミクロン以下、さらに好ましく
は、０．２ミクロン以下であることを特徴とするもので
ある。

【００１３】本発明の好適な形態は、基板上に形成され
た共通電極層と、共通電極上に形成された圧電体層と、
この圧電体層上にさらに形成された個別電極層と、を備
えてなる圧電体素子である。

【００１４】また、本発明の他の形態は、圧電体の下地
の表面粗さＲａが５ｎｍ以下、好ましくは４．０ｎｍ以
下であることを特徴とする。この粗さ以下になるよう
に、下地層を基板上に形成する場合の条件を調整する。
圧電体の下地の表面粗さがこの範囲内にあることによ
り、組成不安定領域の厚さを既述のものに制限すること
が可能となる。

【００１５】圧電体層の下地の好適な例は、共通電極上
に圧電体薄膜のパターンと同じく形成されたチタン層で
ある。水熱法によれば、このチタン上に圧電体の種結晶
を好適に形成することが可能である。

【００１６】下地の表面粗さを既述の範囲にするには、
下地をＤＣマグネトロンスパッタ法によって製造するこ
とが好ましい。さらに、この際のスパッタ時電力密度
は、好適には、４Ｗ／ｃｍ²以上である。

【００１７】本発明の他の態様は、さらに、この圧電体
素子を圧電アクチュエータとして利用したインクジェッ
トヘッドである。さらに他の態様は、このインクジェッ
トヘッドを備えたインクジェットプリンタである。

【００１８】本発明によれば、水熱法を利用した際の圧
電体の組成不安定領域を既述の値にすることにより、圧
電体薄膜全体の厚さを低減できるので、圧電体素子を高
密度化して基板上に形成することができる。この結果、
例えば、印刷媒体に高密度で印刷可能なインクジェット
ヘッドなどのアクチュエータを形成することが可能とな
る。

【００１９】すなわち、本発明によれば、高密度化の観
点から圧電体の全体厚を、３ミクロンとした場合、圧電
体（ＰＺＴ）全体厚に対する組成不安定層の厚さの割合
を７パーセント以下にすることが可能となる。これに対
して従来では、この割合が４０パーセントであり高密度
化されるべきインクジェットヘッドには、従来の圧電体
素子は不十分であった。

【００２０】なお、種結晶（結晶核）が基板に形成され
る際に、基板と圧電体との密着力や結合力を高めるため
に、基板が圧電体の構成金属元素を含む組成を有する
か、あるいは基板上にこの金属からなるコーティングが
形成される。本発明の実施に際しては、本願出願時に既
に報告されている公知の水熱法が広く適用される。

【００２１】

【発明の実施の形態および実施例】次に、本発明の実施
形態と実施例を説明する。図１に本発明に係わる圧電体
薄膜素子の断面図を示す。この圧電体薄膜素子の構造と
製造工程を以下に説明する。先ず、インクキャビティ１
１を有するニッケル電鋳基板１０上に共通電極としての
白金１２を形成する。さらにこの白金上にチタン膜１４
を形成する。

【００２２】このチタン膜１４は水熱法によってＰＺＴ
１６の結晶を析出させる際の種結晶を形成するための下
地として、さらに、圧電体層１６と共通電極である白金
との密着性を向上させるために形成される。

【００２３】白金からなる共通電極１２、すなわち下部
電極を０．２ミクロン厚でスパッタ法によって形成す
る。チタン膜１４は、ＤＣマグネトロンスパッタ法によ
って形成する。チタンの膜厚は０．５ミクロンである。
チタンをスパッタするときの電力密度は、４Ｗ／ｃｍ²
以上、好ましくは、５Ｗ／ｃｍ²以上、さらに好ましく
は、１０Ｗ／ｃｍ²以上である。ＤＣマグネトロンスパ
ッタの他の条件は、次のとおりである。基板加熱温度は
摂氏１５０度、スパッタ圧力は０．４Ｐａ。である次に
本発明の実施例について説明する。この実施例は、０．
２ミクロン厚のチタンコーティングがなされた基板上
に、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃系の圧電体薄膜結晶を形成す
ることを特徴とするものである。種結晶の形成Ｐｂ（ＮＯ₃）₂水溶液５０〜５００ｍｍｏｌ／Ｌ、Ｚｒ
ＯＣｌ₂水溶液２０〜５００ｍｍｏｌ／Ｌ、Ｓｒ（Ｎ
Ｏ₃）₂水溶液０．０１〜５００mol／LおよびＫＯＨ水溶
液０．１〜８mol／Ｌを含む混合溶液中に、前記基板が
溶液上部に設置固定され、摂氏１２０〜１９０度の温度
範囲で１〜２４時間水熱による表面処理を行い、基板面
に対して結晶軸が揃った種結晶が基板上に形成される。

【００２４】結晶成長次いで、このようにして得られたＰＺＴ種結晶上に、水
熱反応によりＰＺＴの膜を成長させる。この水熱反応で
使用する反応溶液は、酢酸鉛Ｐｂ（ＮＯ₃）₂水溶液、オ
キシ塩化ジルコニウムＺｒＯＣｌ₂水溶液、塩化チタン
ＴｉＣｌ₄水溶液、及び水酸化カリウムＫＯＨ水溶液を
混合することによって調整された。

【００２５】ＰＺＴの種結晶を形成した基板の裏面にフ
ッ素樹脂をコーティングして、１５０℃の前記反応溶液
に投入し、１２時間水熱処理を行ったところ、ＰＺＴ膜
が３乃至６μｍの厚さまで成長した。

【００２６】次いで、得られたＰＺＴ膜１６上に金から
なる個別電極（上部電極）１８を蒸着法とフォトリソグ
ラフィ技術を用いて形成した。この結果、インクキャビ
ティ１１上に個別にチタン下地１４、チタン下地上に選
択的に形成されたＰＺＴ１４、ＰＺＴ上に積層された個
別電極１８のパターンが形成された。

【００２７】この圧電体素子において、チタン層形成後
のチタン表面の表面粗さを触針式表面粗さ計によって測
定した。また、この圧電体素子の比誘電率、圧電ひずみ
定数が、３０Ｖの矩形波を圧電素子に印加し、レーザー
ドップラー振動計から変位を測定することによって測定
された。

【００２８】図２はチタン成膜時の電力密度と、チタン
膜の表面粗さＲａと、圧電歪み定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）
と、ＰＺＴの表面粗さの関係を示す特性表図である。図
３は、チタン膜をスパッタする際の電力密度を変えた時
のＰＺＴの厚さ方向の組成の変化を示す特性図である。
組成はオージェ分析で行い、Ｐｂ,Ｔｉ,Ｚｒのみをしめ
してある。（１）は、電力密度が８Ｗ／ｃｍ²の場合で
あり、（２）は、４Ｗ／ｃｍ²の場合である。図３の横
軸中「０」とあるのは、基板に形成された下地チタンの
最表面を示す。基板としては、ニッケル電鋳基板、シリ
コン基板など特に限定されない。

【００２９】図２から解るように、チタン成膜時の電力
密度が高くなれば、チタン膜表面の粗さが小さくなり、
ＰＺＴ膜の表面粗さが改善されて圧電体特性が向上す
る。このとき、図３から分かるように、下地の成膜時の
電力密度が高いほど（図３（１））、ＰＺＴの組成が一
定に成らない組成不安定層が１ミクロン以下のより小さ
い範囲に制限することができる。この領域は、圧電体と
しての機能を十分発揮しない箇所であり、圧電体素子が
所望の圧電体歪み特定を発揮しようとする場合、組成不
安定層に対してＰＺＴの組成がほぼ均一となっている組
成安定層の割合を多くする必要がある。

【００３０】組成が均一の領域、すなわち、組成不均一
領域の上にあるＰＺＴの部分では、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒの
割合が均一であるのに対して、この不均一領域では、圧
電体を構成する各元素の割合が一定になっていない。

【００３１】したがって、圧電体素子を高密度に形成す
る場合には、圧電体膜の厚さを薄くしても所望の圧電体
特性を発揮させるために、この組成不安定領域（組成不
均一領域）をいかに少なくするかが重要である。本発明
によれば、この組成不安定領域を少なくすることができ
ることにより、ＰＺＴの全体厚を低減して圧電体を高密
度化しても優れた圧電特性を備えて圧電体素子を提供す
ることが可能となる。

【００３２】次に、本発明が適用される具体的な例につ
いて説明する。以上の説明によって得られた圧電体素子
をインク吐出用のアクチュエータとして使用したインク
ジェット式記録ヘッド全体の分解斜視図を図４として示
す。

【００３３】図４に示すインクジェット式記録ヘッド１
は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成されるタイ
プである。同図に示すように、インクジェット式記録ヘ
ッドは主に加圧室基板２０Ａ、ノズルユニット２及び基
体２５から構成される。

【００３４】加圧室基板２０Ａはシリコン単結晶基板上
に形成された後、各々に分離される。加圧室基板２０Ａ
は複数の短冊状の加圧室２１が設けられ、全ての加圧室
２１にインクを供給するための共通流路２３を備える。
２４は各インク室にインクを供給するための供給口であ
る。加圧室２１の間は側壁２２により隔てられている。
加圧室基板２１の基体２５側には振動板３０Ａ及び圧電
体薄膜素子が設けられている。また、各圧電体薄膜素子
からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板に収
束され、基体の外部回路と接続される。

【００３５】ノズルプレート１０Ａは加圧室基板２０Ａ
に接合される。ノズルプレートにおける加圧室２１に対
応する位置にはインク滴を摘出するためのノズル１１が
形成されている。基体２５は金属等の鋼体であり、加圧
室基板２０Ａの取付台となる。

【００３６】次に、図４に示した圧電体素子を有するイ
ンクジェット式記録ヘッドが使用されるプリンタの構造
を図５に説明する。プリンタは、ラインプリンタとして
機能可能なように、本体１０２に、トレイ１０３、排出
口１０４および各種操作ボタン９が設けられている。さ
らに本体の内部には、インクジェット式記録ヘッド１、
供給機構６、制御回路８が備えられている。

【００３７】インクジェット式記録ヘッドは、既述の圧
電体素子を備える。このヘッドは特にラインプリンタ用
のヘッドであり、供給可能な用紙の幅を覆う長さに形成
されている。インクジェット式記録ヘッドは、制御回路
から供給される吐出信号に対応して、用紙の幅いっぱい
に設けられたノズルからインクを吐出可能に構成されて
いる。

【００３８】供給機構は、モータ６００、ローラ６０
１，６０２等の機械構造を備えている。モータは、制御
回路から供給される駆動信号Ｓｄに対応して回転可能に
なっている。機械構造は、モータの回転力をローラに伝
達可能に構成されている。ローラは、モータの回転力が
伝達されると回転するようになっており、回転によりト
レイに載置された用紙を引き込み、ヘッドによって印刷
可能に供給するようになっている。

【００３９】制御回路は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、イ
ンターフェース回路などを備え、コネクタを介してコン
ピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信
号を供給機構に供給したり、吐出信号をインクジェット
式記録ヘッドに供給したりできるようになっている。ま
た、制御回路は操作パネルからの操作信号に対応させて
動作モードの設定、リセット処理などが行えるようにな
っている。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
組成不安定領域を極力低減した圧電体素子を提供するこ
とができる。さらに、この組成不安定領域を低減して圧
電特性に優れた圧電体素子を提供することができる。ま
たさらに、この圧電体素子を用いてインクの吐出性能に
優れたインクジェットヘッド及びインクジェットプリン
タを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるインクジェットヘッド（圧電体
素子）の断面図である。

【図２】チタン成膜時の電力密度、チタン膜の表面粗さ
Ｒａ、圧電歪み定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）、そしてＰＺＴ
の表面粗さの関係を示す特性表図である。

【図３】チタン膜をスパッタする際の電力密度を変えた
時のＰＺＴの厚さ方向の組成の変化を示す特性図であ
る。

【図４】インクジェット記録ヘッド全体の分解斜視図で
ある。

【図５】インクジェットプリンタの斜視図である。

【符号の説明】

１１インクキャビティ１０ニッケル電鋳基板１２共通電極１４チタン膜（下地）１６ＰＺＴ（圧電体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本智仙山口県宇部市大字小串1978番地の５宇部興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者村井正己長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (72)発明者西脇学長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AF93 AG12 AG44 AG82 AG92 AG93 AP02 AP14 AP52 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体を水熱法によって基板に形成して
なる圧電体素子において、この圧電体のうちその下地と
なる側に形成される組成不安定領域の厚さが１．０ミク
ロン以下であることを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】前記基板上に形成された共通電極を備
え、この共通電極上に請求項１の圧電体を形成し、さら
にこの圧電体上に個別電極を形成してなる圧電体素子。
【請求項３】前記圧電体の下地の表面粗さＲａが５ｎ
ｍ以下である請求項１または２記載の圧電体素子。
【請求項４】圧電体を水熱法によって基板に形成して
なる圧電体素子において、前記圧電体を基板に形成する
際の下地の表面粗さＲａが５ｎｍ以下である圧電体素
子。
【請求項５】前記圧電体の下地としてチタン層が形成
されてなる請求項３又は４記載の圧電体素子。
【請求項６】前記下地がＤＣマグネトロンスパッタ法
によって形成される請求項３乃至５のいずれか１項記載
の圧電体薄膜素子。
【請求項７】スパッタ時の電力密度が４Ｗ／ｃｍ²以
上である請求項６記載圧電体素子。
【請求項８】前記組成不安定層の厚さが、０．５ミク
ロン以下である請求項１記載の圧電体素子。
【請求項９】前記組成不安定層の厚さが、０．２ミク
ロン以下である請求項８記載の圧電体素子。
【請求項１０】基板に圧電体のパターンを形成してな
る圧電体素子の製造方法において、表面粗さＲａが５ｎ
ｍ以下になるように、前記圧電体を基板に積層する際の
下地を形成する工程をさらに含む圧電体素子の製造方
法。
【請求項１１】前記下地がチタンから形成されてなる
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】前記下地をＤＣマグネトロンスパッタ
法によって、前記スパッタ時の電力密度が４Ｗ／ｃｍ²
以上になるように、形成した請求項１０又は１１記載の
圧電体素子の製造方法。
【請求項１３】請求項１乃至９の何れか１項記載の圧
電体素子を変形素子として備えた圧電アクチュエータ。
【請求項１４】インクジェット式記録ヘッドである請
求項１３記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】請求項１４記載のインクジェット式記
録ヘッドを用いたインクジェットプリンタ。