JP2000351212A - Piezoelectric element and piezoelectric actuator using the same and ink jet print head with the same - Google Patents

Piezoelectric element and piezoelectric actuator using the same and ink jet print head with the same

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JP2000351212A
JP2000351212A JP11164548A JP16454899A JP2000351212A JP 2000351212 A JP2000351212 A JP 2000351212A JP 11164548 A JP11164548 A JP 11164548A JP 16454899 A JP16454899 A JP 16454899A JP 2000351212 A JP2000351212 A JP 2000351212A
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JP
Japan
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piezoelectric
film
piezoelectric element
piezoelectric film
lower electrode
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Application number
JP11164548A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsunori Kawasumi
勝則 川澄
Kenji Yamada
健二 山田
Osamu Machida
治 町田
Takehiro Yamada
剛裕 山田
Hitoshi Kida
仁司 木田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koki Holdings Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Koki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a voltage-resisting characteristic and a reliability of a piezoelectric element and increase a shift amount of the element by filling an insulating substance only to a thin defective part of a surface of a piezoelectric film before forming an upper electrode which is to be formed on the piezoelectric film formed on a lower electrode. SOLUTION: A piezoelectric element 5 has a lower electrode 1, a piezoelectric film 2 formed on the lower electrode, an insulating substance 3 formed on the piezoelectric film 2, and an upper electrode 4 formed on the piezoelectric film 2 with the insulating substance 3 formed thereon. The piezoelectric film 2 grows a titanium film of the lower electrode 1 as a crystal nucleus. The crystal nucleus cannot grow normally at a part of the titanium film when the part includes pin holes or a foreign matter on a surface. If the upper electrode is formed in this state, an electrode film enters the defective part 14 to shortcircuit with the lower electrode, resulting in a defect. The insulating substance 3 is filled only in the defective part 14, thereby preventing decrease of a breakdown voltage of electrodes caused by the defect of the piezoelectric body film.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric actuator using the same, and an ink-jet printhead, and more particularly to a piezoelectric element having improved withstand voltage characteristics, a piezoelectric actuator using the same, and an ink-jet printhead. .

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an ink jet print head in which ink is pressed by a piezoelectric actuator using a piezoelectric element and ink is ejected from a nozzle. A piezoelectric element used in such an ink jet print head generally has a structure in which a piezoelectric film is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, and utilizes a displacement of the piezoelectric film caused by applying a voltage to the electrode. ing.

【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。
Here, the composition of the piezoelectric film is generally a two-component system containing lead zirconate titanate as a main component or a three-component system containing a third component. Also,
Due to the demand for higher sensitivity and smaller size of the piezoelectric element, a thinner piezoelectric film is strongly demanded. For example, a sputtering method, a chemical vapor deposition method (CVD), and the like.
ion), a sol-gel method, a hydrothermal synthesis method, or the like.

【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。
Among them, a piezoelectric film formed by a hydrothermal synthesis method is:
Since the crystal can be selectively grown on the titanium film also serving as the lower electrode, any complicated shape can be formed by patterning the titanium film. Further, since the temperature of the synthesis reaction is as low as 140 ° C., plastic or the like can be used as a substrate to be formed. In addition, the piezoelectric crystal film according to the present method has excellent characteristics such as exhibiting a piezoelectric effect immediately after synthesis and eliminating the need for polarization treatment.

【0005】[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。そして、
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。
However, the thin film piezoelectric film formed by the hydrothermal synthesis method has a problem such as a defect, dirt, foreign matter, or foreign matter in a synthetic solution on the surface of the titanium film which also serves as a lower electrode at the time of film formation. As a result, there is a problem that a thin defective portion called a pinhole or a pit occurs. Then, the withstand voltage characteristics of the piezoelectric element in which the upper electrode is formed on the piezoelectric film having the thin defect portion are much inferior to the original characteristics estimated from the average film thickness. And
This defect is a serious problem as the thickness of the piezoelectric film is reduced.

【0006】これを解決する手段として欠陥部に絶縁材
料を埋め込むか、圧電体膜の表面を酸化処理する方法
(特開平10−120499号公報)が考えられてい
る。しかしながらこのような処理を行うと圧電体膜と上
部電極間全面にわたりに絶縁層が介在し、耐電圧特性は
向上するものの、圧電アクチュエータとしての変位量が
大きく低減し、実用的でない。
As a means for solving this problem, a method of burying an insulating material in a defective portion or oxidizing the surface of a piezoelectric film (JP-A-10-120499) has been considered. However, when such a process is performed, an insulating layer is interposed over the entire surface between the piezoelectric film and the upper electrode, and the withstand voltage characteristics are improved, but the amount of displacement of the piezoelectric actuator is greatly reduced, which is not practical.

【0007】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るもので、その課題とするところは、圧電体素子の耐電
圧特性を向上し、信頼性の高くかつ変位量が大きい圧電
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
することを課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element having improved withstand voltage characteristics of a piezoelectric element, high reliability and a large displacement. To provide. It is another object of the present invention to provide a piezoelectric actuator using the piezoelectric element and an ink jet print head using the piezoelectric actuator.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上述した課題を達成する
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であって、前記上部電極形成前の
前記圧電体膜表面の薄肉欠陥部のみに絶縁性物質を充填
した圧電体素子を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above-mentioned object, the present invention relates to a lower electrode, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film. And a piezoelectric element in which only a thin defect portion on the surface of the piezoelectric film before the formation of the upper electrode is filled with an insulating material.

【0009】この構造を備えた圧電体素子は、前記薄肉
欠陥部に存在する絶縁性物質の存在によって、圧電体膜
の薄肉欠陥部における下部電極と上部電極との電気的シ
ョートを防いだり、圧電体膜の薄肉部の耐電圧特性を向
上させることができる。
The piezoelectric element having this structure prevents an electrical short between the lower electrode and the upper electrode in the thin defect portion of the piezoelectric film due to the presence of the insulating material present in the thin defect portion, The withstand voltage characteristics of the thin portion of the body film can be improved.

【0010】また、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して構成
することができる。
Further, the piezoelectric film may be composed mainly of lead zirconate titanate formed by a hydrothermal synthesis method.

【0011】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
ものである。
The present invention provides a piezoelectric actuator having a piezoelectric element having the above-described configuration as a vibrator.

【0012】更に、本発明は、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。
Further, the present invention provides an ink jet print head provided with the piezoelectric actuator.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
しながら説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】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。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric element of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an ink-jet printhead provided with a piezoelectric actuator using the piezoelectric element shown in FIG. 1 as a vibrator.

【0015】図1に示すように、本発明に係わる圧電体
素子5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膜上に形成された絶縁性物質3
と、絶縁性物質3が形成された圧電体膜2上に形成され
た上部電極4と、を備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, a piezoelectric element 5 according to the present invention comprises a lower electrode 1, a piezoelectric film 2 formed on the lower electrode 1, and an insulating film formed on the piezoelectric film 2. Sexual substance 3
And an upper electrode 4 formed on the piezoelectric film 2 on which the insulating substance 3 is formed.

【0016】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11を有するノ
ズル基板10と、インク12が加圧される圧力室13を
形成する圧力室基板9と、圧力室13内にインク12を
各ノズル11へ供給するためのリストリクタ基板8と、
圧電体素子5と振動板7とから構成される圧電アクチュ
エータ6と、を備えて構成されている。
As shown in FIG. 2, the ink jet print head according to the present embodiment has a nozzle substrate 10 having a plurality of nozzles 11, a pressure chamber substrate 9 forming a pressure chamber 13 for pressurizing the ink 12, and a pressure chamber substrate 9. A restrictor substrate 8 for supplying ink 12 to each nozzle 11 in a chamber 13;
A piezoelectric actuator 6 including a piezoelectric element 5 and a vibration plate 7 is provided.

【0017】なお、本例においては、配列ピッチは18
0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。
In this embodiment, the arrangement pitch is 18
Although it is 1/0 inch, about 141 μm, and is arranged in two rows in a staggered manner to provide 360 dots / inch, the number of nozzles, the number of rows, and the unit configuration are not limited to any combination.

【0018】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。
Here, the principle of ink ejection will be briefly described.

【0019】待機時においては、分極方向が図中のノズ
ル11に向いている圧電体素子5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11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5と振動板7の界
面に圧縮のせん断応力が働き、圧電アクチュエータ6は
図中のノズル11の方向に撓む。この撓みにより圧力室
13の体積が減少し、ノズル11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5が復元し、圧力室13体積の膨張により図示しない
インク供給路よりインク12が充填される。
In the standby state, the piezoelectric element 5 whose polarization direction is directed to the nozzle 11 in the drawing does not bend, but when a voltage having the same polarity as the polarization direction is applied, the piezoelectric film 2 moves in the thickness direction, that is, in the nozzle direction. It expands in the direction of 11 and contracts in its width direction. Due to this contraction, a compressive shear stress acts on the interface between the piezoelectric element 5 and the vibration plate 7, and the piezoelectric actuator 6 bends in the direction of the nozzle 11 in the drawing. Due to this bending, the volume of the pressure chamber 13 decreases, and ink droplets are ejected from the nozzle 11. Thereafter, when the application of the voltage is stopped, the bent piezoelectric element 5 is restored, and the ink 12 is filled from an ink supply path (not shown) due to expansion of the volume of the pressure chamber 13.

【0020】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。
An example of a method for manufacturing an ink jet head according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0021】図3(1)の工程では、振動板7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。
In the step shown in FIG. 3A, 1
A 0.5 μm thick titanium film serving as the lower electrode 1 is formed on the surface of the Ni plate having a thickness of 5 μm where the piezoelectric film 2 is to be formed by a thin film forming method such as sputtering. After that, only the titanium film is patterned by a photolithography process to remove portions other than the portion where the piezoelectric film 2 is to be formed.

【0022】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う。前記下部電極1を形成
した振動板7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7
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。
Next, in the step of FIG. 3B, the piezoelectric film 2 is formed by hydrothermal synthesis. The diaphragm 7 on which the lower electrode 1 is formed and an aqueous solution containing zirconium oxychloride and lead nitrate are placed in an autoclave and reacted at 140 ° C. to generate crystal nuclei of a piezoelectric film on the surface of the titanium film of the lower electrode 1 ( Crystal nucleation process). Further, the diaphragm 7
Is placed in an autoclave with an aqueous solution containing titanium tetrachloride, zirconium oxychloride, and lead nitrate, and reacted at 140 ° C. to grow crystals of the piezoelectric substance from crystal nuclei of the piezoelectric substance (crystal growth process). In this example, the reaction time is 10 μm for 24 hours.
m of the piezoelectric film 2 was formed.

【0023】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る。
Similar characteristics can be obtained with a two-component piezoelectric film 2 using titanium tetrachloride and zirconium oxychloride as raw materials for the piezoelectric film 2.

【0024】また、振動板7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。但し、振
動板7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。
The material of the diaphragm 7 may be a metal plate such as titanium or stainless steel whose surface is coated with an alkali resistant coating, various resins such as polyimide and phenol, and insulators such as glass and ceramics. However, when a metal is used for the diaphragm 7, all the lower electrodes 1 are common electrodes.

【0025】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。
To lower the electric resistance, another metal, for example, gold, copper or the like may be formed below the lower electrode 1.

【0026】更に、上部電極4の材料としてはこの後の
工程で高温加熱工程がないことから導電性の良いいかな
る金属を用いても良い。
Further, as the material of the upper electrode 4, any metal having good conductivity may be used since there is no high-temperature heating step in the subsequent steps.

【0027】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14ができて
しまう。この薄肉欠陥部14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14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4をス
パッタ金属膜や導電性ペーストをシルク印刷等で形成す
ると、この欠陥部14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6となる。
Since the thus formed piezoelectric film 2 is grown using the titanium film of the lower electrode 1 as a crystal nucleus, the surface condition of the titanium film determines the quality of the piezoelectric film 2.
That is, if there is a pinhole in the titanium film or a foreign substance on the surface, a crystal nucleus cannot be normally generated in that portion, and a pinhole or a pit-shaped thin defect portion 14 is formed in the piezoelectric film 2. . For example, when the state of the titanium film is poor, one or two thin defect portions 14 are generated per 10 mm 2 of the surface area of the piezoelectric film 2. The shape of the defect portion 14 was a cylindrical hole having a diameter of about several μm, in which the titanium film as the lower electrode 1 was completely exposed, or a hole having a depth close to the titanium film. In this state, when the upper electrode 4 is formed by spattering a metal film or a conductive paste by silk printing or the like, the electrode film also enters the defective portion 14, resulting in a short circuit with the lower electrode 1 or an emergency at the bottom of the hole. This results in a defective piezoelectric actuator 6 showing only the withstand voltage characteristic of the thin piezoelectric film 2.

【0028】例えば、面積が0.5×2mmの直方形形
状の圧電体素子5を多数個形成した場合、作成した圧電
アクチュエータ6を必要とする変位が得られる20〜3
0Vで使用すると、20%以上のものが耐電圧特性不良
となった。この問題を解決するため、上記欠陥部14の
みに、絶縁性物質3を充填すること考えた。
For example, when a large number of rectangular piezoelectric elements 5 having an area of 0.5 × 2 mm are formed, a displacement required for the prepared piezoelectric actuator 6 can be obtained.
When used at 0 V, those with 20% or more had poor withstand voltage characteristics. In order to solve this problem, it has been considered that only the defective portion 14 is filled with the insulating material 3.

【0029】次に、この絶縁性物質3を充填する工程に
ついて説明する。
Next, the step of filling the insulating substance 3 will be described.

【0030】図3(3)の工程により、回転塗布機を用
いて、液状の絶縁性物質3を圧電体膜2上に回転塗布す
る。本例では、絶縁性物質3として耐電圧特性が良好の
ポリイミド樹脂を用いた。このようなポリイミド樹脂
は、例えば、宇部興産製のUーワニスや日立化成製のP
IQ等が適用できる。塗布後、最終的には300℃で乾
燥する。しかし、この状態では圧電体膜2表面全体にポ
リイミド膜が形成されてしまい、耐電圧特性は向上する
ものの、圧電アクチュエータとしての変位量が大きく低
減してしまう。
In the step shown in FIG. 3C, the liquid insulating material 3 is spin-coated on the piezoelectric film 2 using a spin coating machine. In this example, a polyimide resin having good withstand voltage characteristics was used as the insulating substance 3. Such polyimide resins are, for example, U-varnish manufactured by Ube Industries and P-varnish manufactured by Hitachi Chemical.
IQ and the like can be applied. After the application, it is finally dried at 300 ° C. However, in this state, a polyimide film is formed on the entire surface of the piezoelectric film 2, and although the withstand voltage characteristic is improved, the displacement amount as the piezoelectric actuator is greatly reduced.

【0031】そこで、図3(4)の工程により、圧電体
膜2の欠陥部14に充填されたポリイミド膜以外をドラ
イエッチングにより除去する。ドライエッチングには、
日電アネルバ製のECR装置を用いた。
Therefore, in the step shown in FIG. 3D, portions other than the polyimide film filling the defective portions 14 of the piezoelectric film 2 are removed by dry etching. For dry etching,
An ECR device manufactured by Nidec Anelva was used.

【0032】図4〜図6は、膜厚10μmの圧電体膜2
に塗布乾燥後には、約4μm厚の絶縁膜が形成できる条
件でポリイミド樹脂を回転塗布、乾燥したものを一定時
間ドライエッチングし、その後、上部電極4を形成した
圧電アクチュエータとしたものの特性を測定したグラフ
である。
FIGS. 4 to 6 show a piezoelectric film 2 having a thickness of 10 μm.
After coating and drying, a polyimide resin was spin-coated and dried under a condition that an insulating film having a thickness of about 4 μm could be formed, and the dried resin was dry-etched for a certain period of time. Thereafter, the characteristics of a piezoelectric actuator having the upper electrode 4 formed were measured. It is a graph.

【0033】図4は、約4μmのポリイミド膜をエッチ
ング加工することができるドライエッチング量で、ポリ
イミド膜を塗布していない圧電アクチュエータと同様の
変位特性を示した。このことは、圧電体膜2表面の絶縁
性物質3は、約4μmのドライエッチング量でほとんど
除去でき、残っているのは薄肉の欠陥部14のみのごく
一部分であることを示している。
FIG. 4 shows the same displacement characteristics as those of a piezoelectric actuator not coated with a polyimide film at a dry etching amount capable of etching a polyimide film of about 4 μm. This indicates that the insulating material 3 on the surface of the piezoelectric film 2 can be almost removed by a dry etching amount of about 4 μm, and only a small portion of the thin defect portion 14 remains.

【0034】また、このことは、図5の静電容量の測定
結果からも裏付けされている。
This is supported by the measurement results of the capacitance shown in FIG.

【0035】更に、図6の耐電圧特性からも、ドライエ
ッチング量約4μmで、圧電体膜2上のポリイミド膜は
ほとんど取り去ることができることが示されている。そ
して、図6においては、ドライエッチング量約10μm
から耐電圧特性が下がっていることから、圧電体膜2の
薄肉欠陥部には、完全に絶縁性物質3が充填されている
ことがわかった。絶縁性物質3に用いたポリイミド樹脂
の絶縁破壊電圧は、圧電体膜の約15〜20倍であるこ
とから、薄肉欠陥部14には、1μmのポリイミドが充
填されていれば、耐電圧特性としては十分であり、本発
明の有効性が確認できた。
Further, the withstand voltage characteristic of FIG. 6 also indicates that the polyimide film on the piezoelectric film 2 can be almost completely removed with a dry etching amount of about 4 μm. In FIG. 6, the dry etching amount is about 10 μm.
From this, it was found that the withstand voltage characteristic was lowered, and that the thin defect portion of the piezoelectric film 2 was completely filled with the insulating substance 3. Since the dielectric breakdown voltage of the polyimide resin used for the insulating substance 3 is about 15 to 20 times that of the piezoelectric film, if the thin defect portion 14 is filled with 1 μm of polyimide, the withstand voltage characteristic becomes Was sufficient, and the effectiveness of the present invention was confirmed.

【0036】以上より、本例では、薄肉欠陥部14が存
在する圧電体膜2も、ポリイミド樹脂を約4μm形成で
きる条件で回転塗布し乾燥後、4μmのドライエッチン
グを行うと、欠陥部14が存在しない正常な圧電体膜2
と同じ耐電圧特性に改善することができる。このことに
より、作成した圧電アクチュエータの耐電圧特性の不良
率はほぼ0%とすることができた。
As described above, in the present example, the piezoelectric film 2 having the thin defect portion 14 is also spin-coated under the condition that the polyimide resin can be formed to about 4 μm, dried, and then subjected to dry etching of 4 μm. Non-existent normal piezoelectric film 2
The same withstand voltage characteristics can be improved. As a result, the defective rate of the withstand voltage characteristics of the manufactured piezoelectric actuator could be reduced to almost 0%.

【0037】なお、高粘度なポリイミド樹脂等の絶縁性
物質3を回転塗布した場合、薄肉欠陥部14に気泡を巻
き込むという問題も発生する可能性があるが、真空容器
中で脱泡処理を行うことにより解決できる。また、この
問題は、遠心力を利用することにより同様に解決可能で
ある。
When the insulating material 3 such as a high-viscosity polyimide resin is spin-coated, there is a possibility that air bubbles may be trapped in the thin defective portion 14, but the defoaming process is performed in a vacuum vessel. Can be solved. This problem can also be solved by using centrifugal force.

【0038】その他に、薄肉欠陥部14以外の絶縁性物
質3を除去する方法として、ドライエッチングのほか
に、プラズマアッシャやエキシマレーザ等の装置が利用
できる。また、ポリイミド樹脂を塗布後、乾燥を低温で
行い、N−メチル−2−ピロリドンやヒドラジンといっ
たエッチング液で、湿式のエッチングを行い、その後、
高温で乾燥することにより、同等の効果を得ることがで
きる。
In addition, as a method for removing the insulating material 3 other than the thin defect portion 14, in addition to dry etching, an apparatus such as a plasma asher or an excimer laser can be used. After applying the polyimide resin, drying is performed at a low temperature, wet etching is performed with an etching solution such as N-methyl-2-pyrrolidone or hydrazine, and then,
The same effect can be obtained by drying at a high temperature.

【0039】次に、図3(5)の工程により、このよう
に形成された圧電体膜2上に上部電極4となるアルミを
薄膜形成法によって1μm形成し、圧電体素子5の形成
が完了する。
Next, in the step of FIG. 3 (5), aluminum serving as the upper electrode 4 is formed to a thickness of 1 μm on the thus formed piezoelectric film 2 by a thin film forming method, and the formation of the piezoelectric element 5 is completed. I do.

【0040】一方、圧力室基板9及びリストリクタ基板
8はフォトリソグラフィ工程で形成される。
On the other hand, the pressure chamber substrate 9 and the restrictor substrate 8 are formed by a photolithography process.

【0041】まず、図3(6)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10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9を形成する。
First, in the step of FIG. 3 (6), a 100 μm-thick photosensitive dry film was laminated on a 100 μm-thick nozzle substrate 10 formed by nickel electroforming, and this operation was repeated twice. Thereafter, the pressure chamber substrate 9 is formed by exposure and development.

【0042】更に、図3(7)の工程で、厚さ50μm
の感光性ドライフィルムを圧力室基板9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ー基板8を形
成する。本例では、圧力室基板9及びリストリクター基
板8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。
Further, in the step of FIG.
The photosensitive dry film is laminated on the pressure chamber substrate 9 and exposed and developed to form a restrictor substrate 8. In this example, the pressure chamber substrate 9 and the restrictor substrate 8 are formed of a photosensitive dry film, but may be formed of a polyimide resin or a plastic mold.

【0043】最後に、図3(8)の工程で、圧電体素子
5とリストリクタ基板8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。
Finally, in the step of FIG. 3 (8), the bonding between the piezoelectric element 5 and the restrictor
Bonding is performed by thermocompression bonding under the condition of time to complete an ink jet print head. This step also serves to cure the photosensitive dry film.

【0044】このように作成された圧電体素子5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。
The ink-jet printhead using the piezoelectric element 5 thus produced has improved withstand voltage characteristics compared to a printhead using a conventional piezoelectric element. Conventionally, approximately 20% of the piezoelectric elements have been subjected to dielectric breakdown by application of a driving voltage of 30 V.
0% could be achieved. In addition, drive frequency 20kHz
Thus, no characteristic change was observed even when a voltage of 5 billion pulses was applied, and a highly reliable ink jet print head was obtained.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明によれば、圧電体膜の薄肉欠陥部
に絶縁性物質を充填することによって、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。
According to the present invention, by filling an insulating material into a thin defect portion of a piezoelectric film, an electrical short-circuit between a lower electrode and an upper electrode caused by a defect such as a pinhole in the piezoelectric film can be prevented. It is possible to realize a highly reliable piezoelectric element that prevents a reduction in dielectric breakdown voltage, improves withstand voltage characteristics, has a high yield, and has a high yield. Also, by using this piezoelectric element, a highly reliable piezoelectric actuator and ink jet print head can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一例となる圧電体素子の断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a piezoelectric element as an example of the present invention.

【図2】 本発明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。
FIG. 2 is a cross-sectional view of an ink jet print head provided with a piezoelectric actuator using the piezoelectric element of the present invention as a vibrator.

【図3】 本発明の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。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the inkjet print head of the present invention.

【図4】 本発明の圧電体素子の変位特性を示すグラ
フ。
FIG. 4 is a graph showing displacement characteristics of the piezoelectric element of the present invention.

【図5】 本発明の圧電体素子の静電容量特性を示すグ
ラフ。
FIG. 5 is a graph showing the capacitance characteristics of the piezoelectric element of the present invention.

【図6】 本発明の圧電体素子の耐電圧特性を示すグラ
フ。
FIG. 6 is a graph showing withstand voltage characteristics of the piezoelectric element of the present invention.

【符号の説明】 図において、1は下部電極、2は圧電体膜、3は絶縁性
物質、4は上部電極、5は圧電体素子、6は圧電アクチ
ュエータ、7は振動板、8はリストリクタ基板、9は圧
力室基板、10はノズル基板、11はノズル、12はイ
ンク、13は圧力室、14は薄肉欠陥部である。
[Description of References] In the drawings, 1 is a lower electrode, 2 is a piezoelectric film, 3 is an insulating material, 4 is an upper electrode, 5 is a piezoelectric element, 6 is a piezoelectric actuator, 7 is a diaphragm, and 8 is a restrictor. The substrate, 9 is a pressure chamber substrate, 10 is a nozzle substrate, 11 is a nozzle, 12 is ink, 13 is a pressure chamber, and 14 is a thin defect portion.

───────────────────────────────────────────────────── 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 AF52 AF66 AF93 AG93 AG94 AP02 AP14 AP27 AP51 AP57 BA04 BA14  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takehiro Yamada 1060 Takeda, Hitachinaka-shi, Ibaraki Pref.Hitachi Koki Co., Ltd. Reference) 2C057 AF52 AF66 AF93 AG93 AG94 AP02 AP14 AP27 AP51 AP57 BA04 BA14

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、 前記上部電極形成前の前記圧電体膜表面の薄肉部に絶縁
性物質を充填したことを特徴とする圧電体素子。
1. A piezoelectric element comprising: a lower electrode; a piezoelectric film formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the piezoelectric film, wherein the piezoelectric element is formed before the upper electrode is formed. A piezoelectric element, wherein a thin portion on the surface of the piezoelectric film is filled with an insulating substance.
【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。
2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric film mainly contains lead zirconate titanate formed by a hydrothermal synthesis method.
【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。
3. A piezoelectric actuator comprising the piezoelectric element according to claim 1 as a vibrator.
【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。
4. An ink jet print head comprising the piezoelectric actuator according to claim 3.
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