JP2000261059A - 圧電体素子及びこれを用いた圧電アクチュエータ並びにこれを備えたインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体素子の耐電圧特性を向上し、信頼性の
高い圧電体素子及び圧電アクチュエータ及びインクジェ
ットプリントヘッドを提供する。 【解決手段】 下部電極と上部電極との間に形成された
圧電体膜からなる圧電体素子で、上部電極をある粒子径
範囲の導電性物質を含む導体ペーストで形成した。

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
れを用いた圧電アクチュエータ並びにインクジェットプ
リントヘッドに係わり、特に耐電圧特性が向上した圧電
体素子及びこれを用いた圧電アクチュエータ並びにイン
クジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電体素子を用いた圧電アク
チュエータにより、インクを押圧し、ノズルからインク
を吐出させるインクジェットプリントヘッドが知られて
いる。このようなインクジェットプリントヘッドに用い
られる圧電体素子は、圧電体膜を下部電極と上部電極で
挟み込んだ構造が一般的に使用され、電極に電圧を印加
することによる圧電体膜の変位を利用している。

【０００３】ここで、前記圧電体膜の組成は、一般的
に、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする二成分系、ま
たは、第三成分を加えた三成分系とされている。また、
圧電体素子の高感度化、小型化などの要求から、圧電体
膜の薄膜化が強く要望され、例えば、スパッタリング
法、化学的蒸着方法（ＣＶＤ：chemical vapor deposit
ion）、ゾルーゲル法、水熱合成法等により形成するこ
とができる。

【０００４】このうち、水熱合成法による圧電体膜は、
下部電極を兼ねるチタン膜上に選択的に結晶成長できる
ため、チタン膜をパターニングすることにより、どんな
複雑な形状にも形成することができる。また、合成反応
の温度が１４０℃と低いことから、形成する基板として
プラスチック等を利用できる。また、本法による圧電体
結晶膜は、合成直後の状態で圧電効果を示し、分極処理
の必要のない等の優れた特徴を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記水
熱合成法による薄膜圧電体膜は、成膜時に下部電極を兼
ねるチタン膜表面の欠陥や汚れ、異物、または、合成液
中の異物等の原因によって、ピンホールやピットと呼ば
れる薄肉の欠陥部が生じる問題があった。そして、この
薄肉欠陥部が存在する圧電体膜に上部電極を形成した圧
電体素子の耐電圧特性は、平均膜厚から推定される本来
の特性と較べて、はるかに劣るものとなる。この欠陥
は、圧電体膜を薄膜化すればするほど切実な問題点とな
っている。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点を解決
するもので、その目的とするところは、圧電体素子の耐
電圧特性を向上し、信頼性の高い圧電体素子を提供する
ことにある。また、この圧電体素子を用いた圧電アクチ
ュエータ、さらには、この圧電アクチュエータを用いた
インクジェットプリントヘッドを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、下部電極と、前記下部電極上に形成され
た圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と
を備えた圧電体素子において、前記上部電極を粒子径が
１μｍ以上１０μｍ以下の導電性物質を含有する導体ペ
ーストで形成するようにした。

【０００８】上記構造を備えた圧電体素子においては、
前記上部電極を形成する導体ペーストが、ある大きさ以
上の粒子径を有する導電性物質の微粒子で作られている
ことから、粒子径の寸法によっては前記圧電体膜の薄肉
欠陥部に導電性物質は入り込むことができず、結果とし
て、薄肉欠陥部が起因する下部電極と上部電極との電気
的ショートや、絶縁破壊電圧の低下を防ぐことができ
る。

【０００９】前記圧電体膜は、好ましくは水熱合成法に
よって形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする
のがよい。

【００１０】また、本発明は、前記した構成を備えた圧
電体素子を振動子として備えた圧電アクチュエータを提
供するものであり、ひいては、前記圧電アクチュエータ
を備えたインクジェットプリントヘッドを提供するもの
である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しなが
ら説明する。

【００１２】図１は本発明の圧電体素子の断面図、図２
は図１に示す圧電体素子を振動子として用いた圧電アク
チュエータを備えたインクジェットプリントヘッドの断
面図である。

【００１３】図１に示すように、本発明に係わる圧電体
素子４は、下部電極１と、下部電極１上に形成された圧
電体膜２と、圧電体膜２上に形成された上部電極３とを
備えて構成されている。

【００１４】本例に係わるインクジェットプリントヘッ
ドは、図２に示すように、複数のノズル１０を有するノ
ズル基板９と、インク１１が加圧される圧力室１２を形
成する圧力室基板８と、圧力室１２内にインク１１を各
ノズル１０へ供給するためのリストリクタ基板７と、圧
電体素子４と振動板６とから構成される圧電アクチュエ
ータ５とを備えて構成されている。

【００１５】なお、本例では、配列ピッチは１８０分の
１インチ、約１４１μｍとし、２列に千鳥状に配置する
ことによって３６０ドット／インチとしたが、ノズル
数、列数、及びユニット構成はどの様な組み合わせでも
限定されるものではない。

【００１６】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。

【００１７】待機時には、分極方向が図２のノズル１０
に向いている圧電体素子４に撓みはないが、分極方向と
同極性の電圧を印加すると、圧電体膜２は厚み方向、す
なわちノズル１０の方向に膨張すると共にその幅方向に
収縮する。この収縮で圧電体素子４と振動板６の界面に
圧縮のせん断応力が働き、圧電アクチュエータ５は図中
のノズル１０の方向に撓む。この撓みにより圧力室１２
の体積が減少し、ノズル１０からインク滴が吐出する。
その後、電圧印加を止めると、撓んでいた圧電体素子４
が復元し、圧力室１２体積の膨張により図示しないイン
ク供給路よりインク１１が充填される。

【００１８】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
の一例を図３に基づいて説明する。

【００１９】図３（１）の工程では、振動板６となる１
５μｍ厚のＮｉ板の表面の圧電体膜２を形成する部分に
下部電極１となるチタン膜を０．５μｍ、スパッタ法な
どの薄膜形成法で成膜する。その後、チタン膜のみをフ
ォトリソグラフィ工程によってパターニングを行い、圧
電体膜２を形成する部分以外を除去する。

【００２０】次に、図３（２）の工程で、圧電体膜２の
形成を水熱合成法によって行った。前記下部電極１を形
成した振動板６とオキシ塩化ジルコニウム、硝酸鉛を含
む水溶液をオートクレーブ内に入れ、１４０℃で反応さ
せ、下部電極１のチタン膜表面に圧電体膜の結晶核を生
成する（結晶核生成プロセス）。さらに、この振動板６
を四塩化チタン、オキシ塩化ジルコニウム、硝酸鉛を含
む水溶液をオートクレーブ内に入れ、１４０℃で反応さ
せ、圧電体の結晶核から圧電体の結晶を成長させる（結
晶成長プロセス）。本例では反応時間２４時間で１０μ
ｍの圧電体膜２が形成された。

【００２１】なお、圧電体膜２の原料として四塩化チタ
ンとオキシ塩化ジルコニウムを用いた２成分系の圧電体
膜２でも同様な特性が得られた。

【００２２】また、振動板６の材料としては表面に耐ア
ルカリコーティングを施したチタン、ステンレスなどの
金属板やポリイミド、フェノールなどの各種樹脂、ガラ
スやセラミックス等の絶縁体を用いても良い。

【００２３】振動板６に金属を用いた場合には、下部電
極１はすべて共通電極となる。電気抵抗を下げるため、
下部電極１の下に他の金属、例えば金、銅などを形成し
ても良い。

【００２４】このように形成される圧電体膜２は、下部
電極１のチタン膜を結晶核として成長させるため、チタ
ン膜の表面状態が圧電体膜２の善し悪しを決定する。つ
まり、チタン膜にピンホールや、表面に異物等がある
と、その部分には正常には結晶核が生成できず、圧電体
膜２にピンホールやピット状の薄肉欠陥部１３ができて
しまう。この薄肉欠陥部１３は、例えば、チタン膜の状
態が悪い場合には、圧電体膜２の表面積１０ｍｍ²当た
り、１個か２個の頻度で発生した。欠陥部１３の形状
は、直径約数μｍの円筒状の穴で、完全に下部電極１で
あるチタン膜が露出しているものや、チタン膜近くまで
の深さの穴形状であった。この状態で、上部電極３をス
パッタ金属膜や導体ペーストをシルク印刷等で形成する
と、この欠陥部１３にも電極膜が入り込み、結果とし
て、下部電極１とショートしたり、穴の底の非常に薄い
圧電体膜２の耐電圧特性しか示さない、不良の圧電アク
チュエータ５となった。例えば、面積が０．５×２ｍｍ
の直方形形状の圧電体素子４を多数個形成した場合、作
成した圧電アクチュエータ５を必要とする変位が得られ
る２０〜３０Ｖで使用すると、２０％以上のものが耐電
圧特性不良となった。

【００２５】しかしながら、種々の導体ペーストで、上
部電極３を形成する検討を進める中で、同様の欠陥のあ
る圧電体膜２であっても、耐電圧特性が良好な結果を示
すものがあった。原因を調査した結果、導体ペースト中
の導電性物質の粒子径に耐電圧特性が依存していること
が判明した。

【００２６】図４は、導体ペースト中の導電性物質の粒
子径を圧電体膜２の膜厚が１０μｍの圧電体素子４の絶
縁破壊電圧を調べたものである。

【００２７】図において、粒子径が１μｍ以上となると
絶縁破壊電圧は約１００Ｖとなる。本法による圧電体膜
２の耐電圧は１０ｋＶ／ｍｍであるので、この値はほぼ
１０μｍ厚さの圧電体膜２自体の耐電圧と一致する。つ
まり、粒子径が１μｍ以上の導電性物質を含む導体ペー
ストを上部電極３に用いることにより、圧電体膜２の薄
肉欠陥部１３による絶縁破壊電圧の低下を防ぐことがで
きることを示している。これは、圧電体膜２の薄肉欠陥
部１３の直径が数μｍであることから、図２のように、
上部電極３形成時に１μｍ以上の粒子径の導電性物質
は、圧電体膜２の薄肉欠陥部１３下部まで完全には入り
込むことができず、薄肉欠陥部１３の底部には空間が形
成され、結果として、下部電極１とのショートがなくな
ることや、薄肉欠陥部１３の非常に薄い圧電体膜２に電
圧が印加されることがなくなることで、耐電圧不良が防
げたと考えられる。しかしながら、逆に導電性物質の粒
子径が大きくなると、必然的に上部電極３の膜厚が大き
くなること、及び圧電体膜２に接触する面積が減少し、
圧電アクチュエータ５としての特性が１０μｍ以上の粒
子径を使用したものは著しく低下した。従って、実用的
には導体ペーストの導電性物質の粒子径は、１μｍ以上
１０μｍ以下が最適であった。

【００２８】一方、圧力室基板８及びリストリクタ基板
７はフォトリソグラフィ工程で形成される。

【００２９】まず、図３（４）の工程により、ニッケル
電鋳にて形成された厚さ１００μｍのノズル基板９上に
厚さ１００μｍの感光性ドライフィルムをラミネート
し、この作業を２回繰り返し、その後、露光、現像によ
って圧力室基板８を形成する。

【００３０】更に、図３（５）の工程で、厚さ５０μｍ
の感光性ドライフィルムを圧力室基板８上にラミネート
し、露光、現像の工程を行って、リストリクタ基板７を
形成する。

【００３１】本例では、圧力室基板８及びリストリクタ
ー基板７を感光性ドライフィルムで形成したが、ポリイ
ミド樹脂やプラスチックモールドによって形成しても良
い。

【００３２】最後に、図３（６）の工程で、圧電体素子
４とリストリクタ基板７の接着を、大気中１５０℃、１
時間の条件で熱圧着によって接合し、インクジェットプ
リントヘッドを完成する。なおこの工程は感光性ドライ
フィルムのキュアもかねている。

【００３３】このように作成された圧電体素子４を用い
たインクジェットプリントヘッドは、従来の圧電体素子
を用いたプリントヘッドよりも、耐電圧特性が向上し
た。従来は、駆動電圧３０Ｖ印加により、約２０％の圧
電体素子が絶縁破壊を起こしていたが、本発明により、
０％とすることができた。また、駆動周波数２０ｋＨｚ
で、５０億パルスの電圧印加によっても、何ら特性変化
は認められず、信頼性の高いインクジェットプリントヘ
ッドとすることができた。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、粒子径１μｍ以上１０
μｍ以下の導電性物質を含有する導体ペーストで上部電
極を形成することによって、圧電体膜のピンホール等の
欠陥に起因する下部電極と上部電極の電気的ショートや
絶縁破壊電圧の低下を防止し、耐電圧特性が向上し、歩
留まりが高く、高信頼性の圧電体素子が実現できる。ま
た、この圧電体素子を使用することで、信頼性の高い圧
電アクチュエータ、インクジェットプリントヘッドを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例となる圧電体素子の断面図。

【図２】 図１の圧電体素子を振動子として用いた圧電
アクチュエータを備えたインクジェットプリントヘッド
の断面図。

【図３】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの製造工程を示す断面図。

【図４】 本発明の圧電体素子の耐電圧特性を示すグラ
フ。

【符号の説明】

１は下部電極、２は圧電体膜、３は上部電極、４は圧電
体素子、５は圧電アクチュエータ、６は振動板、７はリ
ストリクタ基板、８は圧力室基板、９はノズル基板、１
０はノズル、１１はインク、１２は圧力室、１３は薄肉
欠陥部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 剛裕 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 木田 仁司 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF66 AF93 AG12 AG44 AG55 AG90 AG92 AG93 AP02 AP38 AP51 BA04 BA14

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下部電極と、前記下部電極上に形成された
   圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とを
   備えた圧電体素子であって、前記上部電極が粒子径が１
   μｍ以上１０μｍ以下の導電性物質を含有する導体ペー
   ストで形成されていることを特徴とする圧電体素子。
2. 【請求項２】前記圧電体膜は水熱合成法によって形成さ
   れたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴と
   する請求項１記載の圧電体素子。
3. 【請求項３】請求項１記載の圧電体素子を振動子として
   備えた圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】請求項３記載の圧電アクチュエータを備え
   たインクジェットプリントヘッド。