JP2001298219A - 圧電体素子、インクジェット式記録ヘッド、プリンタ、及び圧電体素子の製造方法 - Google Patents
圧電体素子、インクジェット式記録ヘッド、プリンタ、及び圧電体素子の製造方法Info
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- JP2001298219A JP2001298219A JP2000114310A JP2000114310A JP2001298219A JP 2001298219 A JP2001298219 A JP 2001298219A JP 2000114310 A JP2000114310 A JP 2000114310A JP 2000114310 A JP2000114310 A JP 2000114310A JP 2001298219 A JP2001298219 A JP 2001298219A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高周波においても高い圧電特性を示す圧電体
素子およびこれを用いたインクジェト式記録ヘッド、プ
リンタを提供する。 【解決手段】 上部電極４４および下部電極４２に挟ま
れた圧電体膜４３は、１１１面優先配向を持つジルコン
酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、更に第三成分とし
て、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含む。この圧電体膜４３中の第
三成分は、５mol％以上４０mol％以下である。また、こ
の圧電体膜４３は、柱状結晶粒からなり、結晶構造は菱
面体晶系である。これを製造するには、ＺｒＯ２膜３
２、Ｉｒ層を含む下部電極４２、厚さ１０ｎｍ以上２０
ｎｍ以下のＴｉ層４５の積層構造の上に、圧電体膜４３
をゾルゲル法により成膜する。
素子およびこれを用いたインクジェト式記録ヘッド、プ
リンタを提供する。 【解決手段】 上部電極４４および下部電極４２に挟ま
れた圧電体膜４３は、１１１面優先配向を持つジルコン
酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、更に第三成分とし
て、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含む。この圧電体膜４３中の第
三成分は、５mol％以上４０mol％以下である。また、こ
の圧電体膜４３は、柱状結晶粒からなり、結晶構造は菱
面体晶系である。これを製造するには、ＺｒＯ２膜３
２、Ｉｒ層を含む下部電極４２、厚さ１０ｎｍ以上２０
ｎｍ以下のＴｉ層４５の積層構造の上に、圧電体膜４３
をゾルゲル法により成膜する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換機能
を有する圧電体素子に係り、特に、高周波で駆動される
インクジェット式記録ヘッド等に用いた際に優れた圧電
特性が得られる圧電体素子に関する。また、上記のよう
な圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドおよ
びプリンタ、更には上記のような圧電体素子の製造方法
に関する。
を有する圧電体素子に係り、特に、高周波で駆動される
インクジェット式記録ヘッド等に用いた際に優れた圧電
特性が得られる圧電体素子に関する。また、上記のよう
な圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドおよ
びプリンタ、更には上記のような圧電体素子の製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】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体素子を用いる。こ
の圧電体素子は、一般的に、圧電体薄膜とこれを挟んで
配置される上部電極および下部電極とを備えて構成され
る。
タのインク吐出の駆動源として圧電体素子を用いる。こ
の圧電体素子は、一般的に、圧電体薄膜とこれを挟んで
配置される上部電極および下部電極とを備えて構成され
る。
【０００３】従来、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）か
らなる薄膜の結晶構造を規定したり、下部電極上にＴｉ
核を形成させることにより、特性改善を図った圧電体素
子が開発されている。たとえば、特開平１０−８１０１
６号公報には、菱面体晶系の結晶構造を備えかつ１１１
面又は１００面に優先配向したＰＺＴ薄膜が開示されて
いる。また、特開平８−３３５６７６号公報には、Ｉｒ
の下部電極上にチタン層を形成した圧電体素子が開示さ
れている。
らなる薄膜の結晶構造を規定したり、下部電極上にＴｉ
核を形成させることにより、特性改善を図った圧電体素
子が開発されている。たとえば、特開平１０−８１０１
６号公報には、菱面体晶系の結晶構造を備えかつ１１１
面又は１００面に優先配向したＰＺＴ薄膜が開示されて
いる。また、特開平８−３３５６７６号公報には、Ｉｒ
の下部電極上にチタン層を形成した圧電体素子が開示さ
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】１１１面優先配向のＰ
ＺＴ膜は、高い圧電定数を示す。しかしこれは主として
ＤＣ（直流）駆動又は低周波駆動の場合であって、高周
波で駆動させる場合には必ずしも十分な圧電定数を得ら
れないことが分かってきた。従って、従来の圧電体素子
では、例えばインクジェット式記録ヘッドのように高周
波（例えば１４．４ｋＨｚ）で駆動される場合における
圧電特性が、十分に得られないという問題があった。
ＺＴ膜は、高い圧電定数を示す。しかしこれは主として
ＤＣ（直流）駆動又は低周波駆動の場合であって、高周
波で駆動させる場合には必ずしも十分な圧電定数を得ら
れないことが分かってきた。従って、従来の圧電体素子
では、例えばインクジェット式記録ヘッドのように高周
波（例えば１４．４ｋＨｚ）で駆動される場合における
圧電特性が、十分に得られないという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、上記問題点を解消して、
ＰＺＴ薄膜の結晶配向を１１１面優先配向に制御し、か
つＰＺＴに対して第三成分を含ませることにより、圧電
素子の高周波における圧電特性を向上させることにあ
る。そして、周波数を問わず安定した高い圧電特性を示
す圧電体素子およびこれを用いたインクジェト式記録ヘ
ッド、プリンタ並びに圧電体素子の製造方法を提供する
ことにある。
ＰＺＴ薄膜の結晶配向を１１１面優先配向に制御し、か
つＰＺＴに対して第三成分を含ませることにより、圧電
素子の高周波における圧電特性を向上させることにあ
る。そして、周波数を問わず安定した高い圧電特性を示
す圧電体素子およびこれを用いたインクジェト式記録ヘ
ッド、プリンタ並びに圧電体素子の製造方法を提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電体素子は、
下部電極と、該下部電極上に形成される圧電体膜と、該
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、前記圧電体膜は、１１１面優先配向を持つジ
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、更に第三成分
として、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚ
ｎ１/３Ｎｂ２/ ３）Ｏ３を含むことを特徴とする。
下部電極と、該下部電極上に形成される圧電体膜と、該
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、前記圧電体膜は、１１１面優先配向を持つジ
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、更に第三成分
として、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚ
ｎ１/３Ｎｂ２/ ３）Ｏ３を含むことを特徴とする。
【０００７】また、前記圧電体膜中の前記第三成分の濃
度は、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３およびＰｂ（Ｚ
ｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の両者の合計で５mol％以上４
０mol％以下の範囲であることが望ましい。
度は、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３およびＰｂ（Ｚ
ｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の両者の合計で５mol％以上４
０mol％以下の範囲であることが望ましい。
【０００８】また、前記圧電体膜は、柱状結晶粒からな
ることが望ましい。更に、結晶構造が菱面体晶系である
ことが望ましい。
ることが望ましい。更に、結晶構造が菱面体晶系である
ことが望ましい。
【０００９】更に、本発明のインクジェット式記録ヘッ
ドは、上記圧電体素子が、該圧電体素子の設置面である
振動板上に圧電アクチュエータとして設けられているこ
とを特徴とする。
ドは、上記圧電体素子が、該圧電体素子の設置面である
振動板上に圧電アクチュエータとして設けられているこ
とを特徴とする。
【００１０】また、本発明によるプリンタは、上記イン
クジェット式記録ヘッドを印字手段として備えているこ
とを特徴とする。
クジェット式記録ヘッドを印字手段として備えているこ
とを特徴とする。
【００１１】更に、本発明による圧電体素子の製造方法
は、基板上に、ＺｒＯ２膜を形成する工程と； 該Ｚｒ
Ｏ２膜上に少なくともＩｒ層を有する下部電極を形成す
る工程と； 該下部電極上に厚さ１０ｎｍ以上２０ｎｍ
以下のＴｉ層を形成する工程と； 該Ｔｉ層上にジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の前駆体膜を形成する工程
と； 焼成工程と； を備える圧電体素子の製造方法で
あって、前記ジルコン酸チタン酸鉛の前駆体膜は、第三
成分として、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ
（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含むことを特徴とする。
は、基板上に、ＺｒＯ２膜を形成する工程と； 該Ｚｒ
Ｏ２膜上に少なくともＩｒ層を有する下部電極を形成す
る工程と； 該下部電極上に厚さ１０ｎｍ以上２０ｎｍ
以下のＴｉ層を形成する工程と； 該Ｔｉ層上にジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の前駆体膜を形成する工程
と； 焼成工程と； を備える圧電体素子の製造方法で
あって、前記ジルコン酸チタン酸鉛の前駆体膜は、第三
成分として、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ
（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含むことを特徴とする。
【００１２】また、前記ジルコン酸チタン酸鉛に対す
る、前記Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３及び前記Ｐｂ
（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の合計濃度が、５mol％以
上４０mol％以下となるようにすることが望ましい。
る、前記Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３及び前記Ｐｂ
（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の合計濃度が、５mol％以
上４０mol％以下となるようにすることが望ましい。
【００１３】また、前記ジルコン酸チタン酸鉛は、ゾル
ゲル法又はＭＯＤ法により形成することが望ましい。
ゲル法又はＭＯＤ法により形成することが望ましい。
【００１４】また、前記下部電極は、Ｉｒ層、又は、前
記ＺｒＯ２膜側から前記圧電体膜側に向かって、Ｉｒ層
／Ｐｔ層、Ｐｔ層／Ｉｒ層、若しくはＩｒ層／Ｐｔ層／
Ｉｒ層の順に積層した構造であることが望ましい。
記ＺｒＯ２膜側から前記圧電体膜側に向かって、Ｉｒ層
／Ｐｔ層、Ｐｔ層／Ｉｒ層、若しくはＩｒ層／Ｐｔ層／
Ｉｒ層の順に積層した構造であることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を、図面を参照しながら説明する。
を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】（実施形態１）図１は、本実施形態におけ
るインクジェット式記録ヘッドの圧電体素子部分を拡大
した層構造断面図である。
るインクジェット式記録ヘッドの圧電体素子部分を拡大
した層構造断面図である。
【００１７】図１に示すように、圧電体素子４０は、酸
化膜３１上にＺｒＯ２膜３２、下部電極４２、圧電体薄
膜４３および上部電極４４を順次積層して構成されてい
る。
化膜３１上にＺｒＯ２膜３２、下部電極４２、圧電体薄
膜４３および上部電極４４を順次積層して構成されてい
る。
【００１８】酸化膜３１は、例えば厚さ２２０μｍの単
結晶シリコンからなる圧力室基板２０上に形成する。好
適には、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる膜を１．０μ
ｍの厚さに形成して得る。
結晶シリコンからなる圧力室基板２０上に形成する。好
適には、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる膜を１．０μ
ｍの厚さに形成して得る。
【００１９】ＺｒＯ２膜３２は、弾性を備える層であっ
て、酸化膜３１と一体となって振動板３０を構成してい
る。このＺｒＯ２膜３２は、弾性を与える機能を備える
ため、好ましくは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚
みを有する。
て、酸化膜３１と一体となって振動板３０を構成してい
る。このＺｒＯ２膜３２は、弾性を与える機能を備える
ため、好ましくは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚
みを有する。
【００２０】ＺｒＯ２膜３２と下部電極４２の間には、
双方の層を密着するような金属、好ましくは、チタンま
たはクロムからなる密着層（図示しない）を設けてもよ
い。密着層は、圧電体素子の設置面への密着性が良くす
るために形成するものであり、当該密着性が確保できる
場合には形成しなくてもよい。また、密着層を設ける場
合は、最低限の密着性が確保できるようにするため、好
ましくは、１０ｎｍ以上の厚みとする。
双方の層を密着するような金属、好ましくは、チタンま
たはクロムからなる密着層（図示しない）を設けてもよ
い。密着層は、圧電体素子の設置面への密着性が良くす
るために形成するものであり、当該密着性が確保できる
場合には形成しなくてもよい。また、密着層を設ける場
合は、最低限の密着性が確保できるようにするため、好
ましくは、１０ｎｍ以上の厚みとする。
【００２１】下部電極４２は、最下層に位置しＰｔを含
む第二層４２３と、最上層に位置しＩｒを含む第一層４
２４とから構成されている。下部電極４２の積層構造は
これに限らず、Ｉｒの単相でもよいし、ＺｒＯ２膜３２
側からＩｒ層／Ｐｔ層の順、又は、Ｉｒ層／Ｐｔ層／Ｉ
ｒ層の順に積層してもよい。下部電極４２の全体の厚み
は特に制限はなく、例えば４００ｎｍとする。
む第二層４２３と、最上層に位置しＩｒを含む第一層４
２４とから構成されている。下部電極４２の積層構造は
これに限らず、Ｉｒの単相でもよいし、ＺｒＯ２膜３２
側からＩｒ層／Ｐｔ層の順、又は、Ｉｒ層／Ｐｔ層／Ｉ
ｒ層の順に積層してもよい。下部電極４２の全体の厚み
は特に制限はなく、例えば４００ｎｍとする。
【００２２】下部電極４２の上にはＴｉ層４５が形成さ
れている。Ｔｉ層は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚み
である。このように、ＺｒＯ２膜３２の上に少なくとも
Ｉｒ層を含む下部電極４２を積層し、更に下部電極４２
の上にＴｉ層４５を積層することにより、その上に形成
されるＰＺＴからなる圧電体薄膜４３を、１１１面優先
配向とすることができる。
れている。Ｔｉ層は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚み
である。このように、ＺｒＯ２膜３２の上に少なくとも
Ｉｒ層を含む下部電極４２を積層し、更に下部電極４２
の上にＴｉ層４５を積層することにより、その上に形成
されるＰＺＴからなる圧電体薄膜４３を、１１１面優先
配向とすることができる。
【００２３】圧電体薄膜４３は、圧電性セラミックスの
結晶で構成された強誘電体である。特に本実施形態で
は、良好な圧電特性が確認されている１１１面優先配向
のジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる。更に、第
三成分としてＰｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３若しくは
Ｐｂ（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３、又はこの両者を含ま
せる。このような第三成分をＰＺＴに含ませることによ
り、ＰＺＴの高周波における圧電定数の向上を図ること
ができる。また、第三成分を上記組成とすることによ
り、柱状結晶粒にすることが可能となる。
結晶で構成された強誘電体である。特に本実施形態で
は、良好な圧電特性が確認されている１１１面優先配向
のジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる。更に、第
三成分としてＰｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３若しくは
Ｐｂ（Ｚｎ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３、又はこの両者を含ま
せる。このような第三成分をＰＺＴに含ませることによ
り、ＰＺＴの高周波における圧電定数の向上を図ること
ができる。また、第三成分を上記組成とすることによ
り、柱状結晶粒にすることが可能となる。
【００２４】また、上記第三の成分の圧電体膜中の濃度
は、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ ３及びＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の両者合計で、５mol％以上４０m
ol％以下とすることが望ましい。上記第三成分を５mol
％以上としたのは、５mol％未満では高周波における圧
電特性向上という効果に乏しいことが実験の結果判明し
ているからである。また、４０mol％以下としたのは、
上記第三分が増えると、最適焼成温度が上がってしま
い、４０mol％を超えると最適焼成温度が９００℃以上
にもなり、基板が酸化してしまうからである。なお、更
に他の成分として、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適宜添加してもよい。
は、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ ３及びＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３の両者合計で、５mol％以上４０m
ol％以下とすることが望ましい。上記第三成分を５mol
％以上としたのは、５mol％未満では高周波における圧
電特性向上という効果に乏しいことが実験の結果判明し
ているからである。また、４０mol％以下としたのは、
上記第三分が増えると、最適焼成温度が上がってしま
い、４０mol％を超えると最適焼成温度が９００℃以上
にもなり、基板が酸化してしまうからである。なお、更
に他の成分として、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適宜添加してもよい。
【００２５】圧電体薄膜４３の厚みは、製造工程でクラ
ックが発生しない程度に抑え、一方、十分な変位特性を
呈する程度に厚くする必要があり、例えば１５００ｎｍ
とする。
ックが発生しない程度に抑え、一方、十分な変位特性を
呈する程度に厚くする必要があり、例えば１５００ｎｍ
とする。
【００２６】上部電極４４は、下部電極４２と対になる
電極であり、好適には、ＰｔまたはＩｒにより構成され
る。上部電極４４の厚みは、好適には５０ｎｍ程度であ
る。
電極であり、好適には、ＰｔまたはＩｒにより構成され
る。上部電極４４の厚みは、好適には５０ｎｍ程度であ
る。
【００２７】図２は、本発明のインクジェット式記録ヘ
ッドの主要部の構造を示す斜視図一部断面図である。
ッドの主要部の構造を示す斜視図一部断面図である。
【００２８】図２に示すように、インクジェット式記録
へッドは、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０
および圧電体素子４０から構成される。
へッドは、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０
および圧電体素子４０から構成される。
【００２９】圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ）
２１、側壁２２、リザーバ２３および供給口２４を備え
ている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチング
することにより、インクなどを吐出するために貯蔵する
空間として形成されたものである。側壁２２は、圧力室
２１を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、イ
ンクを共通して各圧力室２１に充たすための流路となっ
ている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１
へインクを導入可能に形成されている。
２１、側壁２２、リザーバ２３および供給口２４を備え
ている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチング
することにより、インクなどを吐出するために貯蔵する
空間として形成されたものである。側壁２２は、圧力室
２１を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、イ
ンクを共通して各圧力室２１に充たすための流路となっ
ている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１
へインクを導入可能に形成されている。
【００３０】ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けら
れた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル１１
が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合
わせられている。
れた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル１１
が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合
わせられている。
【００３１】振動板３０は、上述したように酸化膜３１
とＺｒＯ２膜３２とを積層して形成されたものである。
本発明の圧電体素子４０は、当該振動板３０の上に圧電
アクチュエータとして設けられている。各圧力室２１に
対応する振動板３０上の位置には、それぞれ図１に示す
層構造を備えた圧電体素子４０が設けられている。振動
板３０には、インクタンク口３５が設けられて、図示し
ないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板
２０内部に供給可能になっている。
とＺｒＯ２膜３２とを積層して形成されたものである。
本発明の圧電体素子４０は、当該振動板３０の上に圧電
アクチュエータとして設けられている。各圧力室２１に
対応する振動板３０上の位置には、それぞれ図１に示す
層構造を備えた圧電体素子４０が設けられている。振動
板３０には、インクタンク口３５が設けられて、図示し
ないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板
２０内部に供給可能になっている。
【００３２】ノズル板１０および振動板３０が設けられ
た圧力室基板２０は、さらに図示しない筐体に収められ
てインクジェット式記録ヘッドを構成している。
た圧力室基板２０は、さらに図示しない筐体に収められ
てインクジェット式記録ヘッドを構成している。
【００３３】上記構成において、圧電体素子４０の下部
電極４２と上部電極４４との間に電圧が印加されて圧電
体素子４０が歪むとその歪みに対応して振動板３０が変
形する。その変形により圧力室２１内のインクに圧力が
加えられ、ノズル１１からインクの液滴が吐出するよう
になっている。
電極４２と上部電極４４との間に電圧が印加されて圧電
体素子４０が歪むとその歪みに対応して振動板３０が変
形する。その変形により圧力室２１内のインクに圧力が
加えられ、ノズル１１からインクの液滴が吐出するよう
になっている。
【００３４】図３に本実施形態のプリンタ１００の構造
を説明する斜視図を示す。図３に示すように、プリンタ
１００は、プリンタ本体２に、印字手段である本発明の
インクジェット式記録ヘッド１、トレイ３、排出口４、
給紙機構６、制御回路８および操作パネル９等が設けら
れている。
を説明する斜視図を示す。図３に示すように、プリンタ
１００は、プリンタ本体２に、印字手段である本発明の
インクジェット式記録ヘッド１、トレイ３、排出口４、
給紙機構６、制御回路８および操作パネル９等が設けら
れている。
【００３５】トレイ３は、印字前の用紙５を給紙機構６
に供給可能に構成されている。制御回路８は、操作パネ
ル９からの制御または外部から供給される印字情報に基
いて、用紙５の搬送を給紙機構６に行わせる給紙信号Ｓ
ｄや印字をインクジェット式記録ヘッド１に行わせる印
字信号Ｓｈを出力するようになっている。給紙機構６
は、用紙５を取り込むローラ６０１と６０２およびそれ
らを駆動するモータ６００等で構成され、給紙信号Ｓｄ
に基いて用紙５を本体２内に取り込むことが可能になっ
ている。インクジェット式記録ヘッド１は、給紙機構６
により供給された用紙５の上を横切って移動可能に構成
され、制御回路８から印字信号Ｓｈが供給されると、圧
電体素子４０が変形することによりインクが吐出され用
紙５上に印字することが可能になっている。排出口４
は、印字が終了した用紙５を排出可能な出口となってい
る。
に供給可能に構成されている。制御回路８は、操作パネ
ル９からの制御または外部から供給される印字情報に基
いて、用紙５の搬送を給紙機構６に行わせる給紙信号Ｓ
ｄや印字をインクジェット式記録ヘッド１に行わせる印
字信号Ｓｈを出力するようになっている。給紙機構６
は、用紙５を取り込むローラ６０１と６０２およびそれ
らを駆動するモータ６００等で構成され、給紙信号Ｓｄ
に基いて用紙５を本体２内に取り込むことが可能になっ
ている。インクジェット式記録ヘッド１は、給紙機構６
により供給された用紙５の上を横切って移動可能に構成
され、制御回路８から印字信号Ｓｈが供給されると、圧
電体素子４０が変形することによりインクが吐出され用
紙５上に印字することが可能になっている。排出口４
は、印字が終了した用紙５を排出可能な出口となってい
る。
【００３６】（製造方法）次に、本発明の圧電体素子の
製造方法を説明する。図４及び図６は、本発明の圧電体
素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す
断面模式図である。
製造方法を説明する。図４及び図６は、本発明の圧電体
素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す
断面模式図である。
【００３７】酸化膜形成工程（Ｓ１） この工程は、酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で
高温処理し、酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる酸化膜３１
を形成する工程である。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。
高温処理し、酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる酸化膜３１
を形成する工程である。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。
【００３８】ＺｒＯ２膜を形成する工程（Ｓ２） 圧力室基板２０上の酸化膜３１の上に、ＺｒＯ２膜３２
を形成する工程である。このＺｒＯ２膜３２は、スパッ
タ法または真空蒸着法等によりＺｒの層を形成したもの
を酸素雰囲気中で高温処理して得られる。
を形成する工程である。このＺｒＯ２膜３２は、スパッ
タ法または真空蒸着法等によりＺｒの層を形成したもの
を酸素雰囲気中で高温処理して得られる。
【００３９】下部電極を形成する工程（Ｓ３） ＺｒＯ２膜３２上に、Ｐｔを含む第二層４２３を形成す
る工程と、該第二層上にＩｒを含む第一層４２４を形成
する工程とからなる。
る工程と、該第二層上にＩｒを含む第一層４２４を形成
する工程とからなる。
【００４０】各層４２３、４２４は、それぞれＩｒまた
はＰｔをＺｒＯ２膜３２上に、スパッタ法等で付着させ
て形成する。なお、下部電極４２の形成に先立ち、チタ
ン又はクロムからなる密着層（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良い。
はＰｔをＺｒＯ２膜３２上に、スパッタ法等で付着させ
て形成する。なお、下部電極４２の形成に先立ち、チタ
ン又はクロムからなる密着層（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良い。
【００４１】Ｔｉ層を形成する工程 この工程は、スパッタ法等により、下部電極４２上にチ
タン層４５を形成する工程である。Ｔｉ層４５を形成す
るのは、チタン結晶を核としてＰＺＴを成長させること
により、結晶成長が下部電極側から起こり、緻密で柱状
の結晶が得られるとともに、ＺｒＯ２層と下部電極の組
成との組合せにより、ＰＺＴ膜を１１１面優先配向とす
ることができるからである。
タン層４５を形成する工程である。Ｔｉ層４５を形成す
るのは、チタン結晶を核としてＰＺＴを成長させること
により、結晶成長が下部電極側から起こり、緻密で柱状
の結晶が得られるとともに、ＺｒＯ２層と下部電極の組
成との組合せにより、ＰＺＴ膜を１１１面優先配向とす
ることができるからである。
【００４２】圧電体前駆体膜を形成する工程（Ｓ４） この工程は、ゾル・ゲル法により、圧電体前駆体膜４
３’を形成する工程である。
３’を形成する工程である。
【００４３】まず、圧電体膜４３を構成する金属を含ん
だ有機金属アルコキシド溶液からなるゾルを用意する。
このゾルをスピンコート等の塗布法によりＴｉ層４５上
に塗布する。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４回以上繰り返
して４層以上の圧電体前駆体膜を積層する。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。
だ有機金属アルコキシド溶液からなるゾルを用意する。
このゾルをスピンコート等の塗布法によりＴｉ層４５上
に塗布する。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４回以上繰り返
して４層以上の圧電体前駆体膜を積層する。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。
【００４４】焼成工程（Ｓ５） 圧電体前駆体膜４３’の形成後、焼成して、圧電体前駆
体膜を結晶化させる工程である。この焼成により、圧電
体前駆体膜４３’は、アモルファス状態の前駆体からペ
ロブスカイト結晶構造が形成され、電気機械変換作用を
示す薄膜に変化し、１１１面優先配向の圧電体薄膜とな
る。
体膜を結晶化させる工程である。この焼成により、圧電
体前駆体膜４３’は、アモルファス状態の前駆体からペ
ロブスカイト結晶構造が形成され、電気機械変換作用を
示す薄膜に変化し、１１１面優先配向の圧電体薄膜とな
る。
【００４５】上部電極形成工程（Ｓ６） 最後に、圧電体薄膜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４４を形成する。
スパッタ法により上部電極４４を形成する。
【００４６】以上の工程で得られた圧電性素子４０を、
使用箇所に適した形状にエッチングして整形し上下電極
間に電圧を印加可能に製造すれば、本発明の圧電体素子
として動作させることが可能である。
使用箇所に適した形状にエッチングして整形し上下電極
間に電圧を印加可能に製造すれば、本発明の圧電体素子
として動作させることが可能である。
【００４７】得られた圧電性素子４０を、インクジェッ
ト式記録ヘッドに適合するようにエッチングして、圧電
体素子としての形状に成形する工程について、図５に基
いて、以下に説明する。
ト式記録ヘッドに適合するようにエッチングして、圧電
体素子としての形状に成形する工程について、図５に基
いて、以下に説明する。
【００４８】圧電体素子成形工程（Ｓ７） まず、圧電体素子４０を、各圧力室２１に適合させた形
状にマスクし、その周囲をエッチングする。具体的に
は、まずスピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均
一な厚さのレジスト材料を上部電極上に塗布する。次い
で、マスクを圧電体素子の形状に形成してから露光・現
像して、レジストパターンを上部電極４４上に形成す
る。これに通常用いるイオンミリングまたはドライエッ
チング法等を適用して、上部電極４４、圧電体薄膜４
３、下部電極４２をエッチング除去し、各圧電体素子４
０を成形する。
状にマスクし、その周囲をエッチングする。具体的に
は、まずスピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均
一な厚さのレジスト材料を上部電極上に塗布する。次い
で、マスクを圧電体素子の形状に形成してから露光・現
像して、レジストパターンを上部電極４４上に形成す
る。これに通常用いるイオンミリングまたはドライエッ
チング法等を適用して、上部電極４４、圧電体薄膜４
３、下部電極４２をエッチング除去し、各圧電体素子４
０を成形する。
【００４９】圧力室形成工程（Ｓ８） 次に、圧電体素子４０が形成された圧力室基板２０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、圧力室２１を形成する。エッチングされずに残
された部分が側壁２２になる。
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、圧力室２１を形成する。エッチングされずに残
された部分が側壁２２になる。
【００５０】ノズル板貼り合わせ工程（Ｓ９） 最後に、エッチング後の圧力室基板２０にノズル板１０
を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル
１１が圧力室２１各々の空間に配置されるよう位置合わ
せする。ノズル板１０が貼り合わせられた圧力室基板２
０を図示しない筐体に取り付け、インクジェット式記録
ヘッド１を完成させる。
を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル
１１が圧力室２１各々の空間に配置されるよう位置合わ
せする。ノズル板１０が貼り合わせられた圧力室基板２
０を図示しない筐体に取り付け、インクジェット式記録
ヘッド１を完成させる。
【００５１】（本実施形態による圧電体素子の作用）本
実施形態の圧電体素子は、ＰＺＴ膜中に第三成分とし
て、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含むことにより、１４．４ｋＨ
ｚ程度の高周波でも高い圧電定数を示すことが確認され
た。これは、ＰＺＴの組成を多成分系とすることによ
り、電圧印加時の分極域の移動速度が大きくなり、応答
性が向上するためであると考えられる。また、上記第三
成分は、圧電体膜中に５mol％以上含んでいることが、
高周波における圧電特性向上のために良好であることが
確認された。
実施形態の圧電体素子は、ＰＺＴ膜中に第三成分とし
て、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含むことにより、１４．４ｋＨ
ｚ程度の高周波でも高い圧電定数を示すことが確認され
た。これは、ＰＺＴの組成を多成分系とすることによ
り、電圧印加時の分極域の移動速度が大きくなり、応答
性が向上するためであると考えられる。また、上記第三
成分は、圧電体膜中に５mol％以上含んでいることが、
高周波における圧電特性向上のために良好であることが
確認された。
【００５２】本実施形態により、高周波駆動における圧
電特性が向上した圧電体素子を提供することができ、こ
れを利用して、印刷性能の高いインクジェット式記録ヘ
ッドおよびプリンタを製造することができる。１１１面
優先配向のＰＺＴは、上述したようにＤＣ駆動又は低周
波駆動でも高い圧電定数を示すので、本実施形態によれ
ば、高周波における圧電定数も向上したことにより、幅
広い駆動周波数で良好な圧電特性を示す圧電体素子を製
造することができる。
電特性が向上した圧電体素子を提供することができ、こ
れを利用して、印刷性能の高いインクジェット式記録ヘ
ッドおよびプリンタを製造することができる。１１１面
優先配向のＰＺＴは、上述したようにＤＣ駆動又は低周
波駆動でも高い圧電定数を示すので、本実施形態によれ
ば、高周波における圧電定数も向上したことにより、幅
広い駆動周波数で良好な圧電特性を示す圧電体素子を製
造することができる。
【００５３】（その他の変形例）本発明は、上記実施形
態に限らず種々に変形して適応することが可能である。
例えば、本発明で製造した圧電体素子は上記インクジェ
ット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半
導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、セ
ンサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変
調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘
電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、お
よび電気光学装置の製造に適応することができる。
態に限らず種々に変形して適応することが可能である。
例えば、本発明で製造した圧電体素子は上記インクジェ
ット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半
導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、セ
ンサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変
調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘
電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、お
よび電気光学装置の製造に適応することができる。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、高周波においても高い
圧電特性を示す圧電体素子およびこれを用いたインクジ
ェト式記録ヘッド、プリンタ並びに圧電体素子の製造方
法を提供することができる。
圧電特性を示す圧電体素子およびこれを用いたインクジ
ェト式記録ヘッド、プリンタ並びに圧電体素子の製造方
法を提供することができる。
【図１】 本発明の１実施形態による圧電体素子の断面
図
図
【図２】 インクジェット式記録ヘッドの主要部の構造
を示す斜視図一部断面図
を示す斜視図一部断面図
【図３】 本発明のインクジェット式記録ヘッドを使用
したプリンタの構造を示す斜視図
したプリンタの構造を示す斜視図
【図４】 本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造
方法を示す断面模式図
方法を示す断面模式図
【図５】 本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造
方法を示す断面模式図
方法を示す断面模式図
２０ 圧力室基板 ３０ 振動板 ３１ 酸化膜 ３２ ＺｒＯ２膜 ４０ 圧電体素子 ４２ 下部電極 ４２３ 第二層（Ｐｔ） ４２４ 第一層（Ｉｒ） ４３ 圧電体薄膜 ４４ 上部電極 ４５ Ｔｉ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０４Ｂ 35/49 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ Ｈ０１Ｌ 41/187 41/18 １０１Ｆ 41/22 41/22 Ｚ
Claims (10)
- 【請求項１】 下部電極と、該下部電極上に形成される
圧電体膜と、該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、 前記圧電体膜は、１１１面優先配向を持つジルコン酸チ
タン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、更に第三成分として、Ｐ
ｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ １/３Ｎ
ｂ２/３）Ｏ３を含むことを特徴とする圧電体素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の圧電体素子であって、 前記圧電体膜中の前記第三成分の濃度は、Ｐｂ（Ｎｉ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３およびＰｂ（Ｚｎ１/３Ｎ
ｂ２/３）Ｏ３の両者の合計で５mol％以上４０mol％以
下の範囲であることを特徴とする圧電体素子。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の圧電体素
子であって、 前記圧電体膜は、柱状結晶粒からなることを特徴とする
圧電体素子。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記
載の圧電体素子であって、 前記圧電体膜は、結晶構造が菱面体晶系であることを特
徴とする圧電体素子。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の
圧電体素子が、該圧電体素子の設置面である振動板上に
圧電アクチュエータとして設けられていることを特徴と
するインクジェット式記録ヘッド。 - 【請求項６】 請求項５に記載のインクジェット式記録
ヘッドを印字手段として備えていることを特徴とするプ
リンタ。 - 【請求項７】 基板上に、ＺｒＯ２膜を形成する工程
と、 該ＺｒＯ２膜上に少なくともＩｒ層を有する下部電極を
形成する工程と、 該下部電極上に厚さ１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＴｉ層
を形成する工程と、 該Ｔｉ層上にジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の前駆体
膜を形成する工程と、 焼成工程と、を備える圧電体素子の製造方法であって、 前記ジルコン酸チタン酸鉛の前駆体膜は、第三成分とし
て、Ｐｂ（Ｎｉ１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３又はＰｂ（Ｚｎ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３を含むことを特徴とする圧電体素
子の製造方法。 - 【請求項８】 請求項７に記載の圧電体素子の製造方法
であって、 前記ジルコン酸チタン酸鉛に対する、前記Ｐｂ（Ｎｉ
１/３Ｎｂ２/３）Ｏ３及び前記Ｐｂ（Ｚｎ１/３Ｎｂ
２/３）Ｏ３の合計濃度が、５mol％以上４０mol％以下
となるようにすることを特徴とする圧電体素子の製造方
法。 - 【請求項９】 請求項７又は請求項８に記載の圧電体素
子の製造方法であって、 前記ジルコン酸チタン酸鉛は、ゾルゲル法又はＭＯＤ法
により形成することを特徴とする圧電体素子の製造方
法。 - 【請求項１０】 請求項７乃至請求項９の何れか一項に
記載の圧電体素子の製造方法であって、 前記下部電極は、Ｉｒ層、又は、前記ＺｒＯ２膜側から
前記圧電体膜側に向かって、Ｉｒ層／Ｐｔ層、Ｐｔ層／
Ｉｒ層、若しくはＩｒ層／Ｐｔ層／Ｉｒ層の順に積層し
た構造であることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000114310A JP4055329B2 (ja) | 2000-04-14 | 2000-04-14 | 圧電体素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000114310A JP4055329B2 (ja) | 2000-04-14 | 2000-04-14 | 圧電体素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001298219A true JP2001298219A (ja) | 2001-10-26 |
| JP4055329B2 JP4055329B2 (ja) | 2008-03-05 |
Family
ID=18626135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000114310A Expired - Fee Related JP4055329B2 (ja) | 2000-04-14 | 2000-04-14 | 圧電体素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4055329B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6929355B2 (en) | 2002-03-15 | 2005-08-16 | Seiko Epson Corporation | Ink-jet recording head, manufacturing method of the same, and ink-jet recording apparatus |
| JP2005228983A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Seiko Epson Corp | アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置 |
| US7479728B2 (en) | 2005-03-02 | 2009-01-20 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric element, method of manufacturing the same, liquid-jet head, method of manufacturing the same, and liquid-jet apparatus |
-
2000
- 2000-04-14 JP JP2000114310A patent/JP4055329B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6929355B2 (en) | 2002-03-15 | 2005-08-16 | Seiko Epson Corporation | Ink-jet recording head, manufacturing method of the same, and ink-jet recording apparatus |
| JP2005228983A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Seiko Epson Corp | アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置 |
| US7357490B2 (en) | 2004-02-13 | 2008-04-15 | Seiko Epson Corporation | Actuator device, liquid jet head and liquid jet apparatus |
| US7479728B2 (en) | 2005-03-02 | 2009-01-20 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric element, method of manufacturing the same, liquid-jet head, method of manufacturing the same, and liquid-jet apparatus |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4055329B2 (ja) | 2008-03-05 |
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