JP2004104106A - Piezoelectric actuator, method of manufacturing the same, ink jet head, and ink jet recorder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電アクチュエータ及びその製造方法並びにインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, a method for manufacturing the same, an ink jet head, and an ink jet recording apparatus.
従来より、圧電体の圧電効果を利用して記録を行うインクジェットヘッドが知られている。 イ ン ク ジ ェ ッ ト Conventionally, there has been known an ink jet head that performs recording using a piezoelectric effect of a piezoelectric body.
この種のインクジェットヘッドは、共通電極と圧電体と個別電極とが順に積層されてなる圧電アクチュエータと、圧力室が形成されたインク流路形成基板とを有している。圧電アクチュエータの一方の面には振動板が設けられている。この振動板はインク流路形成基板上に接着材で接着されている。そして、インクを吐出する際には、共通電極と個別電極とに電圧が印加され、それにより圧電体が伸縮する。その伸縮が振動板に拘束されることにより、圧電アクチュエータは積層方向にたわみ変形する。そのたわみ変形により圧力室内の容積が変化し、圧力室内のインクがノズルから吐出される。 This type of ink jet head has a piezoelectric actuator in which a common electrode, a piezoelectric body, and an individual electrode are sequentially laminated, and an ink flow path forming substrate in which a pressure chamber is formed. A vibration plate is provided on one surface of the piezoelectric actuator. This diaphragm is adhered on the ink flow path forming substrate with an adhesive. When the ink is ejected, a voltage is applied to the common electrode and the individual electrodes, whereby the piezoelectric body expands and contracts. When the expansion and contraction are restricted by the diaphragm, the piezoelectric actuator bends and deforms in the laminating direction. The volume in the pressure chamber changes due to the bending deformation, and the ink in the pressure chamber is ejected from the nozzle.
ところで、上述の圧電アクチュエータは、変位領域と配線領域とで構成される。変位領域とは圧力室に対応した部分に位置する領域である。また、配線領域とは変位領域以外の部分に位置する領域であり、且つ、両電極に電圧を印加するために個別電極と駆動回路とを接続する電極配線が配設された領域である。 By the way, the above-mentioned piezoelectric actuator is composed of a displacement area and a wiring area. The displacement area is an area located at a portion corresponding to the pressure chamber. Further, the wiring region is a region located in a portion other than the displacement region, and is a region where an electrode wiring for connecting an individual electrode and a drive circuit for applying a voltage to both electrodes is provided.
ここで、上記圧電アクチュエータにおいては、インクジェットヘッドの製造の容易化等の観点から、変位領域及び配線領域に亘り同一の圧電体が積層されるのが一般的である。また、高い圧電特性を得るには誘電率も高くなる傾向があり、インクを吐出する性能の向上の観点から変位領域の圧電体は圧電特性が高いことが要求されるため、変位領域及び配線領域に亘り誘電率が高い圧電体が積層される。しかしながら、この場合、変位領域の圧電体のみならず、圧電特性の高いことが要求されない配線領域の圧電体の誘電率も高くなる。このとき、配線領域の両電極間の静電容量が大きくなるため、インクを吐出する際に両電極間に印加しなければならない電圧が大きくなる。その結果、駆動回路に過大な負荷がかかることになる。 Here, in the above-described piezoelectric actuator, the same piezoelectric material is generally laminated over the displacement region and the wiring region from the viewpoint of facilitating the manufacture of the ink jet head and the like. In addition, the dielectric constant tends to be high in order to obtain high piezoelectric characteristics, and the piezoelectric material in the displacement region is required to have high piezoelectric characteristics from the viewpoint of improving the ink discharging performance. The piezoelectric body having a high dielectric constant is laminated over the entire surface. However, in this case, not only the piezoelectric material in the displacement region, but also the dielectric constant of the piezoelectric material in the wiring region where high piezoelectric characteristics are not required are increased. At this time, since the capacitance between the two electrodes in the wiring area increases, the voltage that must be applied between the two electrodes when ink is ejected increases. As a result, an excessive load is applied to the drive circuit.
そこで、上記問題を解決すべく、変位領域及び配線領域に亘り誘電率の低い圧電体を積層することが考えられる。しかしながら、この場合、配線領域の圧電体ばかりでなく、変位領域の圧電体の誘電率も小さくなる。このとき、変位領域の圧電体の圧電特性が低下する。これはインクを吐出する性能の向上の観点から好ましくない。 Therefore, in order to solve the above problem, it is conceivable to stack a piezoelectric body having a low dielectric constant over the displacement region and the wiring region. However, in this case, the dielectric constant of not only the piezoelectric body in the wiring region but also the piezoelectric body in the displacement region becomes small. At this time, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body in the displacement region deteriorate. This is not preferable from the viewpoint of improving the performance of ejecting ink.
そこで、特許文献1に示されるように、配線領域の圧電体と上部電極との間に上記圧電体よりも誘電率が低い圧電膜が一層設けられたインクジェットヘッドが提案された。これにより、変位領域の圧電体の圧電特性の低下を防ぎながら、圧電体全体の誘電率の低下を図ることができる。
しかしながら、上記インクジェットヘッドでは、変位領域の上部電極と配線領域の上部電極との間に段差が生じるため、上部電極が破断しやすい。また、配線領域の圧電体の圧電特性と上記圧電膜の圧電特性とが相違するため、上記圧電体と上記膜とが剥離しやすい。 However, in the above-described ink jet head, a step is generated between the upper electrode in the displacement region and the upper electrode in the wiring region, so that the upper electrode is easily broken. Further, since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body in the wiring region are different from the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film, the piezoelectric body and the film are easily separated from each other.
そこで、上記問題を生じることなく、変位領域の圧電体の圧電特性の低下を防ぎ、且つ、圧電体全体の誘電率の低下を図ることのできる技術の開発が叫ばれていた。 Therefore, there has been a demand for the development of a technique capable of preventing a reduction in the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body in the displacement region and reducing the dielectric constant of the entire piezoelectric body without causing the above problem.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電アクチュエータにおいて、変位領域の圧電層の圧電特性を低下させることなく、圧電層全体の誘電率の低下を図ることにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to reduce the dielectric constant of the entire piezoelectric layer in a piezoelectric actuator without lowering the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer in a displacement region. It is in.
第1の発明は、下部電極と、該下部電極上に形成された圧電層と、該圧電層上に形成され、上記下部電極とともに上記圧電層に電圧を印加する上部電極とを備えた圧電アクチュエータであって、上記圧電層が、変位領域における圧電層と、上記変位領域以外の部分に位置する配線領域における圧電層とによって構成され、上記配線領域における圧電層の誘電率が、上記変位領域における圧電層の誘電率よりも低いものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator including a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer and applying a voltage to the piezoelectric layer together with the lower electrode. Wherein the piezoelectric layer is composed of a piezoelectric layer in a displacement region and a piezoelectric layer in a wiring region located in a portion other than the displacement region, and a dielectric constant of the piezoelectric layer in the wiring region is It is lower than the dielectric constant of the piezoelectric layer.
これにより、本発明によれば、変位領域における圧電層の圧電特性を低下させることなく、配線領域の誘電率のみを下げることで、圧電層全体としての誘電率を下げることができる。 According to the present invention, the dielectric constant of the entire piezoelectric layer can be reduced by lowering only the dielectric constant of the wiring region without deteriorating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer in the displacement region.
第2の発明は、下部電極と、該下部電極上に形成された圧電層と、該圧電層上に形成され、上記下部電極とともに上記圧電層に電圧を印加する上部電極とを備えた圧電アクチュエータであって、上記圧電層が、変位領域における圧電層と、上記変位領域以外の部分に位置する配線領域における圧電層とによって構成され、上記変位領域における圧電層がペロブスカイト型構造から成る一方、上記配線領域における圧電層がパイロクロア型構造から成るものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator including a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer and applying a voltage to the piezoelectric layer together with the lower electrode. Wherein the piezoelectric layer comprises a piezoelectric layer in a displacement region and a piezoelectric layer in a wiring region located in a portion other than the displacement region, and the piezoelectric layer in the displacement region has a perovskite structure. The piezoelectric layer in the wiring region has a pyrochlore structure.
これにより、変位領域における圧電層がペロブスカイト型構造から成る一方、配線領域における圧電層がパイロクロア型構造から成るため、変位領域の圧電層は強誘電性を有し、且つ、配線領域の圧電層は変位領域の圧電層よりも誘電率が低くなる。したがって、本発明によれば、変位領域の圧電層の圧電特性を低下させることなく、圧電層全体の誘電率の低下を更に図ることができる。 Thereby, while the piezoelectric layer in the displacement region has a perovskite structure, the piezoelectric layer in the wiring region has a pyrochlore structure, the piezoelectric layer in the displacement region has ferroelectricity, and the piezoelectric layer in the wiring region has The dielectric constant is lower than that of the piezoelectric layer in the displacement region. Therefore, according to the present invention, the dielectric constant of the entire piezoelectric layer can be further reduced without lowering the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer in the displacement region.
第3の発明は、上記第2の発明において、変位領域における圧電層の上部電極側の面上又は変位領域における圧電層の下部電極側の面上には、チタン酸鉛ランタンによって構成された結晶制御層が形成されたものである。 According to a third aspect, in the second aspect, the crystal formed of lanthanum lead titanate is provided on a surface of the piezoelectric layer in the displacement region on the upper electrode side or on a surface of the piezoelectric layer in the displacement region on the lower electrode side. A control layer is formed.
これにより、変位領域における圧電層の上部電極側の面上又は変位領域における圧電層の下部電極側の面上には結晶制御層が形成されているため、圧電層の成膜時において変位領域の圧電層をペロブスカイト型構造で成長させることができる。したがって、本発明に係る構成によれば、変位領域の圧電層をペロブスカイト型構造で成長させることができる。 As a result, the crystal control layer is formed on the upper electrode side surface of the piezoelectric layer in the displacement region or on the lower electrode side surface of the piezoelectric layer in the displacement region. The piezoelectric layer can be grown in a perovskite structure. Therefore, according to the configuration of the present invention, the piezoelectric layer in the displacement region can be grown with a perovskite structure.
第4の発明は、上記第3の発明において、結晶制御層における上記圧電層と反対側の面上には、Pt、Pt−Ti合金、及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された活性層が形成されたものである。 In a fourth aspect based on the third aspect, the crystal control layer is formed of one of Pt, a Pt-Ti alloy, and an Ir-Ti alloy on a surface opposite to the piezoelectric layer. An active layer is formed.
これにより、結晶制御層における圧電層と反対側の面上には、チタン酸鉛ランタンを結晶制御層として作用させる機能を有する活性層が形成されているため、上記チタン酸鉛ランタンは結晶制御層としてより活発に機能することになる。よって、圧電層の成膜時において変位領域の圧電層をペロブスカイト型構造で確実に成長させることができる。したがって、本発明に係る構成によれば、変位領域の圧電層をペロブスカイト型構造で確実に成長させることができる。 Thus, on the surface of the crystal control layer opposite to the piezoelectric layer, an active layer having a function of causing lead lanthanum titanate to act as a crystal control layer is formed. Will function more actively. Therefore, when forming the piezoelectric layer, the piezoelectric layer in the displacement region can be reliably grown with the perovskite structure. Therefore, according to the configuration of the present invention, the piezoelectric layer in the displacement region can be reliably grown with the perovskite structure.
第5の発明は、上記第1〜第4の発明のいずれか1つにおいて、圧電層が、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコニム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、及びマグネシウムニオブ酸鉛のうち少なくとも1つを含む圧電セラミックスから成るものである。 In a fifth aspect based on any one of the first to fourth aspects, the piezoelectric layer is made of lead titanate, lead zirconate titanate, lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate. And a piezoelectric ceramic containing at least one of lead magnesium niobate.
これにより、本発明によれば、圧電層が強誘電性を有する上記圧電セラミックスから成るため、変位領域の圧電層の圧電特性が高いものを得ることができる。 According to the present invention, since the piezoelectric layer is made of the above-described piezoelectric ceramics having ferroelectricity, it is possible to obtain a piezoelectric layer in the displacement region having high piezoelectric characteristics.
第6の発明は、上記第1〜第5の発明のいずれか1つを備えたインクジェットヘッドである。 A sixth invention is an ink-jet head including any one of the first to fifth inventions.
第7の発明は、上記第6の発明を備えたインクジェット式記録装置である。 A seventh invention is an ink jet recording apparatus provided with the sixth invention.
第8の発明は、基板上にPt、Pt−Ti合金、及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された上部電極を形成する工程と、該上部電極上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、該チタン酸鉛ランタン層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、上記上部電極上及び個別化されたチタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、該圧電層上に下部電極を形成する工程と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法である。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a process of forming an upper electrode made of any one of Pt, Pt-Ti alloy, and Ir-Ti alloy on a substrate, and forming a lead lanthanum titanate layer on the upper electrode. Forming a piezoelectric layer on the upper electrode and the individualized lead lanthanum titanate layer; forming a piezoelectric layer on the upper electrode and on the individualized lead lanthanum titanate layer; Forming a lower electrode on the layer.
第9の発明は、基板上にPt、Pt−Ti合金、及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された上部電極を形成する工程と、該上部電極における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、上記基板上及び個別化された上部電極上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、該チタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、該圧電層上に下部電極を形成する工程と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法である。 According to a ninth invention, a step of forming an upper electrode made of any one of Pt, a Pt-Ti alloy, and an Ir-Ti alloy on a substrate, and a portion corresponding to a displacement region in the upper electrode are separately performed. Forming a lead lanthanum titanate layer on the substrate and the individualized upper electrode; forming a piezoelectric layer on the lead lanthanum titanate layer; and forming a lower layer on the piezoelectric layer. And a step of forming an electrode.
第10の発明は、基板上に振動板を形成し、且つ、該振動板上に下部電極を形成する工程又は基板上に振動板を兼ねる下部電極を形成する工程と、上記下部電極上にPt、Pt−Ti合金及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された活性層を形成する工程と、該活性層上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、該チタン酸鉛ランタン層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、上記活性層上及び個別化されたチタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、該圧電層上に上部電極を形成する工程と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法である。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a process for forming a diaphragm on a substrate and forming a lower electrode on the diaphragm or forming a lower electrode also serving as a diaphragm on the substrate; Forming an active layer made of any one of Pt-Ti alloy and Ir-Ti alloy, forming a lead lanthanum titanate layer on the active layer, and forming a lead lanthanum titanate layer on the active layer. A step of individualizing a portion corresponding to the displacement region, a step of forming a piezoelectric layer on the active layer and the individualized lanthanum lead titanate layer, and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric layer; This is a method for manufacturing a piezoelectric actuator including:
第11の発明は、基板上に振動板を形成し、且つ、該振動板上に下部電極を形成する工程又は基板上に振動板を兼ねる下部電極を形成する工程と、上記下部電極上にPt、Pt−Ti合金及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された活性層を形成する工程と、該活性層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、上記下部電極上及び個別化された活性層上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、該チタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、該圧電層上に上部電極を形成する工程と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法である。 An eleventh invention includes a step of forming a diaphragm on a substrate and a step of forming a lower electrode on the diaphragm or a step of forming a lower electrode also serving as a diaphragm on the substrate, and a step of forming Pt on the lower electrode. Forming an active layer made of any one of a Pt-Ti alloy and an Ir-Ti alloy, singulating a portion corresponding to a displacement region in the active layer, Forming a lead lanthanum titanate layer on the activated active layer, forming a piezoelectric layer on the lead lanthanum titanate layer, and forming an upper electrode on the piezoelectric layer. This is a method for manufacturing a piezoelectric actuator.
本発明によれば、変位領域における圧電層は高い圧電特性を保つために高い誘電率を維持するとともに、圧電特性を必要としない配線領域における圧電層の誘電率を下げることにより、アクチュエータの変位特性を低下させることなく、圧電層全体の誘電率の低下を図ることができる。したがって、駆動回路の負荷の低減と吐出性能の向上との両立を図ることができる。 According to the present invention, the piezoelectric layer in the displacement region maintains a high dielectric constant in order to maintain high piezoelectric characteristics, and the dielectric constant of the piezoelectric layer in the wiring region that does not require the piezoelectric characteristics is reduced, so that the displacement characteristics of the actuator are reduced. Without reducing the dielectric constant of the entire piezoelectric layer. Therefore, it is possible to achieve both reduction of the load on the drive circuit and improvement of the ejection performance.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1に示すように、本実施形態に係るインクジェットヘッド1は、インクジェット式記録装置としてのインクジェットプリンタ3に組み込まれ、吐出したインク滴を紙等の記録媒体5に着弾させて記録を行うものである。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, an
インクジェットヘッド1は、キャリッジ軸7に沿って往復移動するキャリッジ9に搭載され、キャリッジ9とともに主走査方向Xに往復運動を行う。ローラ10は、キャリッジ9が主走査方向Xに一走査分移動するごとに、記録媒体5を副走査方向Yに搬送するように構成されている。
The
図2に示すように、インクジェットヘッド1は、共通インク室11と複数の圧力室19と複数のノズル15とが形成されたヘッド本体部17と、圧力室19内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ21とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
ヘッド本体部17の圧力室19は、副走査方向Yに沿って所定間隔毎に配設されている。圧力室19は、開口断面(XY断面)が主走査方向Xに細長い略矩形状に形成されている。圧力室19の底部における長手方向の一端(図2の右側端)には、共通インク室11につながっているインク供給口23が形成され、その他端(図2の左側端)には、ノズル15につながっているインク流路25が形成されている。
The
図2〜図5に示すように、圧電アクチュエータ21は、2μmのCrからなる振動板26と、振動板26上に形成された厚さ5.5μmのCuからなる共通電極27と、共通電極27上に形成された厚さ3μmのPb(Zr,Ti)O3(PZT)からなる圧電体29と、圧電体29上に形成された厚さ0.05μmのチタン酸鉛ランタン(PLT、(Pb,La)TiO3)からなる結晶制御層28と、結晶制御層28上に形成された厚さ0.2μmのPtからなる個別電極33と、圧電体29上に形成されるとともに個別電極33に接続された厚さ0.2μmのPtからなる電極配線34(図2では電極配線を省略)とを有している。なお、本発明で言うところの下部電極は共通電極27によって構成され、圧電層は圧電体29によって構成され、上部電極は個別電極33及び電極配線34によって構成されている。
As shown in FIGS. 2 to 5, the
ここで、圧電アクチュエータ21における各圧力室19に対応した部分(各圧力室19の真上の部分)を変位領域と、圧電アクチュエータ21における変位領域以外の部分を配線領域と呼ぶことにする。
Here, a portion of the
結晶制御層28及び個別電極33は、変位領域に対応した部分に位置するように形成されている。結晶制御層28は、後述する圧電体29の成膜時に、結晶制御層28上に形成された圧電体29をペロブスカイト型構造で成長させるためのものである。
(4) The
ところで、Ptは、該Pt上に形成されたチタン酸鉛ランタンを結晶制御層として作用させる機能を有する。ここで、個別電極33はPtによって構成されているため、上記チタン酸鉛ランタンを結晶制御層28として作用させる役割も兼ねる。なお、本発明で言うところの活性層は個別電極33によって構成されている。
By the way, Pt has a function of causing lead lanthanum titanate formed on Pt to act as a crystal control layer. Here, since the
変位領域の圧電体29aの結晶性はペロブスカイト型構造である。ペロブスカイト型構造とはABO3(但し、AはPb、BはZrとTiとを含む)で表される立方晶系の結晶構造である。ペロブスカイト型構造の圧電体29aは強誘電体である。一方、配線領域の圧電体29bの結晶性はパイロクロア型構造である。パイロクロア型構造とはA2B2O7(但し、AはPb、BはZrとTiとを含む)で表される結晶構造である。以下に説明するように、パイロクロア型構造の圧電体29bはペロブスカイト型構造の圧電体29aよりも誘電率が低い。
The crystallinity of the
図6に、ペロブスカイト型構造の圧電体(以下、ペロブスカイト層という)とパイロクロア型構造の圧電体(以下、パイロクロア層という)とが積層された二層の膜について、その膜厚比と比誘電率との関係を示す。二層膜の膜厚は全体で3.0μmである。例えば、ペロブスカイト型構造の圧電体の膜厚が2.1μmのとき、パイロクロア型構造の圧電体の膜厚は0.9μmとなる。図6から明らかなように、ペロブスカイト型構造の圧電体の膜厚が大きくなれば比誘電率も大きくなり、また、パイロクロア型構造の圧電体の膜厚が大きくなれば比誘電率は小さくなることが分かる。 FIG. 6 shows a film thickness ratio and a relative dielectric constant of a two-layer film in which a piezoelectric material having a perovskite structure (hereinafter referred to as a perovskite layer) and a piezoelectric material having a pyrochlore structure (hereinafter referred to as a pyrochlore layer) are stacked. Shows the relationship with The total thickness of the two-layer film is 3.0 μm. For example, when the thickness of the piezoelectric body having the perovskite structure is 2.1 μm, the thickness of the piezoelectric body having the pyrochlore structure is 0.9 μm. As can be seen from FIG. 6, the relative dielectric constant increases as the thickness of the piezoelectric body of the perovskite structure increases, and the relative dielectric constant decreases as the thickness of the piezoelectric body of the pyrochlore structure increases. I understand.
また、図6より、ペロブスカイト層の膜厚が2.1μmであってパイロクロア層の膜厚が0.9μmである場合には、その比誘電率は90である。そして、この比誘電率の値かから換算すると、膜厚3μmのパイロクロア層の誘電率は32.9である(ペロブスカイト層及びパイロクロア層の膜厚がそれぞれ1.5μmであるときにはその比誘電率は60であり、この比誘電率の値から換算すると、膜厚3μmのパイロクロア層の誘電率は32.8である)。さらに、図6より、膜厚3μmのペロブスカイト層の誘電率は350(300〜450)である。以上により、配線領域の圧電体がパイロクロア層で構成されているときには、配線領域の圧電体がペロブスカイト層である場合と比較して、静電容量をおよそ1/10にすることができる。 (6) According to FIG. 6, when the thickness of the perovskite layer is 2.1 μm and the thickness of the pyrochlore layer is 0.9 μm, the relative dielectric constant is 90. When converted from the value of the relative dielectric constant, the dielectric constant of the 3 μm-thick pyrochlore layer is 32.9 (when the thickness of the perovskite layer and the pyrochlore layer is 1.5 μm, the relative dielectric constant is When converted from the value of the relative dielectric constant, the dielectric constant of the 3 μm-thick pyrochlore layer is 32.8). Further, from FIG. 6, the dielectric constant of the perovskite layer having a thickness of 3 μm is 350 (300 to 450). As described above, when the piezoelectric body in the wiring region is formed of the pyrochlore layer, the capacitance can be reduced to about 1/10 as compared with the case where the piezoelectric body in the wiring region is the perovskite layer.
ここで、配線領域の圧電体としての膜厚3μmのペロブスカイト構造のPZT膜上に、低誘電率膜としての誘電率3.55のPI(ポリイミド)膜を成膜することにより、静電容量を1/10程度に下げることを考える(上述の特開平9−156099号公報を参照)。このとき、計算上では、膜厚0.274μmのPI膜を設けることで、静電容量を1/10にすることができる。しかしながら、印刷等の塗布成膜により膜厚1μm以下のPI膜を成膜することは非常に困難であり、また、PI膜は、膜厚が1μm以下であるときにおいて、その性能、すなわち、絶縁性は保証されていない。したがって、PI膜を形成することにより静電容量を低下させるためには、PI膜の膜厚は1μm以上にならざるを得ず、それゆえに、配線領域と変位領域との圧電体に段差が生じ、歩留まりの低下を招く。 Here, by forming a PI (polyimide) film having a dielectric constant of 3.55 as a low dielectric constant film on a PZT film having a perovskite structure having a thickness of 3 μm as a piezoelectric material in the wiring region, the capacitance is reduced. Consider reducing it to about 1/10 (refer to the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-156099). At this time, in calculation, the capacitance can be reduced to 1/10 by providing a PI film having a thickness of 0.274 μm. However, it is very difficult to form a PI film having a film thickness of 1 μm or less by coating film formation such as printing, and when the film thickness is 1 μm or less, its performance, ie, insulation Sex is not guaranteed. Therefore, in order to reduce the capacitance by forming the PI film, the thickness of the PI film must be 1 μm or more, and therefore, a step occurs in the piezoelectric body between the wiring region and the displacement region. , Causing a decrease in yield.
また、静電容量を1/10程度に下げるために、スパッタ・CVD成膜等により、上記低誘電率膜としてのSiO2層、TiO2層等を成膜する場合も、上述と同様の理由から、上記段差が生じ、歩留まりの低下を招く。さらに、このとき、微細なパターニングと真空プロセスとが必要となるため、工数増加、ひいては、コストアップを招く。 Also, when the SiO 2 layer, TiO 2 layer, or the like as the low dielectric constant film is formed by sputtering, CVD film formation, or the like in order to reduce the capacitance to about 1/10, the same reason as described above. As a result, the above-described steps are generated, and the yield is reduced. Furthermore, since fine patterning and a vacuum process are required at this time, the number of steps is increased, and the cost is increased.
これに対し、本実施形態では、変位領域の圧電体29aの結晶性をペロブスカイト型構造にするとともに配線領域の圧電体29bの結晶性をパイロクロア型構造にするため、上記段差を原因とした配線の断線による歩留まりの低下を防ぐことができ、また、配線領域の静電容量を、低コストで1/10に低減することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the crystallinity of the
上記電極配線34は、各個別電極33の一端と各個別電極33のそれぞれに電圧を印加する電圧入力端子部(図示せず)とに接続されている。
The
(インクジェットヘッドの製造方法)
次に、図7及び図8を参照しながら、インクジェットヘッド1の製造方法について説明する。以下に示すインクジェットヘッド1の製造方法は、転写工法と呼ばれるものである。
(Method of manufacturing inkjet head)
Next, a method for manufacturing the
まず、図7(a)に示すように、MgO基板47上にスパッタリングや蒸着等によりPtからなる上部電極49を形成する。次に、図7(b)に示すように、上部電極49上にスパッタリングや蒸着等によりチタン酸鉛ランタン層30を形成する。次に、図7(c)に示すように、変位領域のチタン酸鉛ランタン層30をエッジング等によって個別化することにより、結晶制御層28を形成する。次に、図7(d)に示すように、結晶制御層28及び上部電極49上にスパッタリングや蒸着等によりPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体29を形成する。これにより、結晶制御層28上、すなわち、変位領域に形成された圧電体29aはペロブスカイト型構造で成長する。他方、上部電極49上、すなわち、配線領域に形成された圧電体29bはパイロクロア型構造で成長する。
First, as shown in FIG. 7A, an
次に、図8(a)に示すように、圧電体29上にスパッタリングや蒸着等によりCuからなる共通電極27を形成する。その後、共通電極27上にスパッタリングや蒸着等によりCrからなる振動板26を形成する。次に、図8(b)に示すように、振動板26上に圧力室19が形成されたヘッド本体部17を電着する。次に、図8(c)に示すように、MgO基板47をエッチング等により除去する。最後に、図8(d)に示すように、変位領域の上部電極49及び電極配線34を形成する部分にあたる上部電極49をエッチング等によって個別化することにより、個別電極33及び電極配線34を形成する。それと同時に、変位領域の圧電体29aも個別化する。
Next, as shown in FIG. 8A, a
(インクジェットヘッドの動作方法)
ここで、本実施形態に係るインクジェットヘッドの動作方法を説明する。まず、共通電極27と個別電極33とに電圧が印加される。両電極27,33に電圧が印加されたことにより、圧電体29が伸縮する。その伸縮が振動板26に拘束されることにより、圧電アクチュエータ21は積層方向にたわみ変形する。そのたわみ変形により圧力室19内の容積が変化し、圧力室19内のインクがインク流路25を介してノズル15から吐出される。
(Operation method of inkjet head)
Here, an operation method of the inkjet head according to the present embodiment will be described. First, a voltage is applied to the
本実施形態によれば、変位領域の圧電体29aと個別電極33との間にはチタン酸鉛ランタンによって構成された結晶制御層28が積層されているため、圧電体29の成膜時において変位領域の圧電体29aをペロブスカイト型構造で成長させることができる。したがって、本実施形態に係る構成によれば、変位領域の圧電体29aをペロブスカイト型構造で成長させることができる。
According to the present embodiment, since the
また、個別電極33が上記チタン酸鉛ランタンを結晶制御層28として作用させる役割も兼ねているため、上記チタン酸鉛ランタンは結晶制御層28としてより活発に機能することになる。したがって、本実施形態に係る構成によれば、圧電体29の成膜時において変位領域の圧電体29aをペロブスカイト型構造で確実に成長させることができる。
{Circle around (4)} Since the
また、変位領域の圧電体29aがペロブスカイト型構造から成る一方、配線領域の圧電体29bがパイロクロア型構造から成るため、変位領域の圧電体29aは強誘電性を有し、配線領域の圧電体29bは変位領域の圧電体29aよりも誘電率が低い。よって、変位領域の圧電体29aは圧電特性が高くなり、また、圧電体29全体の誘電率が低下する。したがって、変位領域の圧電体29aの圧電特性の低下を防ぎながら、圧電体29全体の誘電率の低下を図ることができる。
Also, since the
また、圧電体29が強誘電性を有するPb(Zr,Ti)O3 によって構成されているため、変位領域の圧電体29aの圧電特性が高いものを得ることができる。
Further, since the
なお、本実施形態によれば、個別電極33がPtによって構成されているが、Pt−Ti合金又はIr−Ti合金によって構成されても良い。
According to the present embodiment, the
(実施形態2)
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、上部電極を個別化した後に、この上部電極上に結晶制御層を形成したものであり、実施形態1の圧電アクチュエータとほぼ同様の構成をとる。以下、実施形態1と異なる構成について説明する。
(Embodiment 2)
The piezoelectric actuator according to the present embodiment is obtained by forming a crystal control layer on the upper electrode after individualizing the upper electrode, and has substantially the same configuration as the piezoelectric actuator of the first embodiment. Hereinafter, a configuration different from the first embodiment will be described.
図9に示すように、圧電アクチュエータ21は、2μmのCrからなる振動板26と、振動板26上に形成された厚さ5.5μmのCuからなる共通電極27と、共通電極27上に形成された厚さ3μmのPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体29と、圧電体29上に形成された厚さ0.05μmのチタン酸鉛ランタンからなる結晶制御層28と、結晶制御層28上に形成された厚さ0.2μmのPtからなる個別電極33と、結晶制御層28上に形成されるとともに個別電極33に接続された厚さ0.2μmのPtからなる電極配線34とを有している。
As shown in FIG. 9, the
(インクジェットヘッドの製造方法)
次に、図10及び図11を参照しながら、インクジェットヘッド1の製造方法について説明する。以下に示すインクジェットヘッド1の製造方法は、転写工法と呼ばれるものである。
(Method of manufacturing inkjet head)
Next, a method of manufacturing the
まず、図10(a)に示すように、MgO基板47上にPtからなる上部電極49を形成する。次に、図10(b)に示すように、変位領域の上部電極49をエッチング等によって個別化することにより、個別電極33を形成する。次に、図10(c)に示すように、個別電極33及びMgO基板47上にスパッタリングや蒸着等によりチタン酸鉛ランタンからなる結晶制御層28を形成する。次に、図10(d)に示すように、結晶制御層28上にスパッタリングや蒸着等によりPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体29を形成する。これにより、個別電極33上に形成された結晶制御層28上、すなわち、変位領域に形成された圧電体29aはペロブスカイト型構造で成長する。他方、MgO基板47上に形成された結晶制御層28上、すなわち、配線領域に形成された圧電体29bはパイロクロア型構造で成長する。なお、配線領域に形成された圧電体29bがペロブスカイト型構造で成長しない理由は、MgO基板47上に直接形成されたチタン酸鉛ランタンは結晶制御層28としての機能を充分に発揮できないことによる。
First, as shown in FIG. 10A, an
次に、図10(e)に示すように、圧電体29上にスパッタリングや蒸着等によりCuからなる共通電極27を形成する。その後、共通電極27上にスパッタリングや蒸着等によりCrからなる振動板26を形成する。次に、図11(a)に示すように、振動板26上に圧力室が形成されたヘッド本体部17を電着する。次に、図11(b)に示すように、MgO基板47をエッチング等により除去する。次に、図11(c)に示すように、配線領域の結晶制御層28上にPt層を形成し、その後、電極配線34を形成する部分にあたる上記Pt層をエッチング等によって個別化することにより、電極配線34を形成する。最後に、図11(d)に示すように、個別電極33及び圧電体29をエッチング等により個別化する。
Next, as shown in FIG. 10E, a
なお、本実施形態においても、実施形態1と同様の効果が得られる。 In this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(実施形態3)
本実施形態に係る圧電アクチュエータは、いわゆる直接工法で製造されたものであり、実施形態1の圧電アクチュエータとほぼ同様の構成をとる。以下、実施形態1と異なる構成について説明する。
(Embodiment 3)
The piezoelectric actuator according to the present embodiment is manufactured by a so-called direct construction method, and has substantially the same configuration as the piezoelectric actuator of the first embodiment. Hereinafter, a configuration different from the first embodiment will be described.
図12に示すように、圧電アクチュエータ21は、2μmのCrからなる振動板26と、振動板26上に形成された厚さ5.5μmのCuからなる共通電極27と、共通電極27上に形成された厚さ50nmのTiからなる接着層32と、接着層32上に形成された厚さ0.2μmのPt−Ti合金からなる配向性制御層36と、配向性制御層36上に形成された厚さ50nmのチタン酸鉛ランタンからなる結晶制御層28と、結晶制御層28上に形成された厚さ3μmのPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体29と、圧電体29上に形成された厚さ0.2μmのPtからなる個別電極33と、圧電体29上に形成されるとともに個別電極33に接続された厚さ0.2μmのPtからなる電極配線34とを有している。なお、本発明で言うところの活性層は配向性制御層36によって構成されている。
As shown in FIG. 12, the
接着層32は共通電極27と配向性制御層36とを接着する役割を果たす。配向性制御層36は、基板の材料に拘わらず変位領域の圧電体29aをペロブスカイト型構造で成長させるものである。また、配向性制御層36は、上記チタン酸鉛ランタンを結晶制御層28として作用させる役割も兼ねる。配向性制御層36のTiの含有率は1〜2%である。
(4) The
(インクジェットヘッドの製造方法)
次に、図13及び図14を参照しながら、インクジェットヘッド1の製造方法について説明する。以下に示すインクジェットヘッド1の製造方法は、直接工法と呼ばれるものである。
(Method of manufacturing inkjet head)
Next, a method of manufacturing the
まず、図13(a)に示すように、Si基板48上にCrからなる振動板26を形成する。次に、図13(b)に示すように、振動板26上にCuからなる共通電極27を形成する。次に、図13(c)に示すように、共通電極27上にTiからなる接着層32を形成する。次に、図13(d)に示すように、接着層32上にPt−Ti合金からなる配向性制御層36を形成する。次に、図13(e)に示すように、配向性制御層36上にチタン酸鉛ランタン層30を形成する。次に、図14(a)に示すように、変位領域のチタン酸鉛ランタン層30をエッチング等によって個別化することにより、結晶制御層28を形成する。
First, as shown in FIG. 13A, the
次に、図14(b)に示すように、結晶制御層28及び配向性制御層36上に、スパッタリングや蒸着等によりPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体29を形成する。これにより、結晶制御層28上、すなわち、変位領域に形成された圧電体29aはペロブスカイト型構造で成長する。他方、配向性制御層36上、すなわち、配線領域に形成された圧電体29bはパイロクロア型構造で成長する。次に、図14(c)に示すように、圧電体29上に、スパッタリングや蒸着等によりPtからなる上部電極49を形成する。次に、図14(d)に示すように、変位領域の上部電極49及び電極配線34を形成する部分にあたる上部電極49をエッチング等によって個別化することにより、個別電極33及び電極配線34を形成する。それと同時に、変位領域の圧電体29aも個別化する。最後に、図14(e)に示すように、Si基板48を加工し、圧力室19が形成されたヘッド本体部17を形成する。なお、Si基板48を加工し圧力室19を形成する際の便宜上の観点から、Si基板48と振動板26との間にストッパー層(図示せず)を設けても良い。
Next, as shown in FIG. 14B, a
本実施形態においても、実施形態1と同様の効果が得られる。 に お い て In the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
なお、本実施形態によれば、共通電極27と配向性制御層36との間に接着層32が設けられているが、接着層32はなくても良い。
According to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、配向性制御層36がPt−Ti合金によって構成されているが、Ir−Ti合金によって構成されても良い。
According to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、変位領域のチタン酸鉛ランタン層30をエッチング等によって個別化することにより結晶制御層28を形成しているが、図15に示すように、チタン酸鉛ランタン層30の代わりにPt−Ti合金からなる配向性制御層36を個別化しても上述と同様に変位領域の圧電体29aがペロブスカイト型構造で成長する。
According to the present embodiment, the
また、上記各実施形態によれば、振動板26と共通電極27とが別個に設けられているが、共通電極27が振動板を兼ねても良い。
According to the above embodiments, the
また、上記各実施形態によれば、圧電体29がPb(Zr,Ti)O3によって構成されているが、チタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニム酸鉛(PbZrO3)、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)、及びマグネシウムニオブ酸鉛(Pb(Mg,Nb)O3)のうち少なくとも1つを含む圧電セラミックス等によって構成されても良い。また、上記各実施形態と異なる厚みの圧電体を使用しても良い。
According to each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態によれば、ヘッド本体部17上に共通電極27が形成されているが、ヘッド本体部17上に個別電極33が形成されても良い。このとき、共通電極27は圧電体29上に形成される。
According to the above embodiments, the
また、共通電極27、個別電極33、ヘッド本体部17等は、上記各実施形態と異なる材料や厚みのものを使用しても良い。
Further, the
以上説明したように、本発明は、コンピュータ・ファクシミリ・複写機等のプリンタなどに適用する場合に有用である。 As described above, the present invention is useful when applied to printers such as computers, facsimile machines, and copiers.
1 インクジェットヘッド
17 ヘッド本体部
26 振動板
27 共通電極(下部電極)
28 結晶制御層
29a 変位領域の圧電体
29b 配線領域の圧電体
32 接着層
33 個別電極(上部電極)
36 配向性制御層(活性層)
1
28
36 Orientation control layer (active layer)
Claims (11)
上記圧電層は、変位領域における圧電層と、上記変位領域以外の部分に位置する配線領域における圧電層とによって構成され、
上記配線領域における圧電層の誘電率は、上記変位領域における圧電層の誘電率よりも低い圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator comprising: a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer and applying a voltage to the piezoelectric layer together with the lower electrode,
The piezoelectric layer is constituted by a piezoelectric layer in a displacement region and a piezoelectric layer in a wiring region located in a portion other than the displacement region,
A piezoelectric actuator, wherein the dielectric constant of the piezoelectric layer in the wiring region is lower than the dielectric constant of the piezoelectric layer in the displacement region.
上記圧電層は、変位領域における圧電層と、上記変位領域以外の部分に位置する配線領域における圧電層とによって構成され、
上記変位領域における圧電層はペロブスカイト型構造から成る一方、上記配線領域における圧電層はパイロクロア型構造から成る圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator comprising: a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer and applying a voltage to the piezoelectric layer together with the lower electrode,
The piezoelectric layer is constituted by a piezoelectric layer in a displacement region and a piezoelectric layer in a wiring region located in a portion other than the displacement region,
A piezoelectric actuator in which the piezoelectric layer in the displacement region has a perovskite structure, and the piezoelectric layer in the wiring region has a pyrochlore structure.
該上部電極上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、
該チタン酸鉛ランタン層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、
上記上部電極上及び個別化されたチタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、
該圧電層上に下部電極を形成する工程と、
を備えた圧電アクチュエータの製造方法。 Forming an upper electrode composed of one of Pt, Pt-Ti alloy, and Ir-Ti alloy on the substrate;
Forming a lead lanthanum titanate layer on the upper electrode;
Individualizing a portion corresponding to a displacement region in the lead lanthanum titanate layer,
Forming a piezoelectric layer on the upper electrode and the individualized lanthanum lead titanate layer,
Forming a lower electrode on the piezoelectric layer;
The manufacturing method of the piezoelectric actuator provided with.
該上部電極における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、
上記基板上及び個別化された上部電極上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、
該チタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、
該圧電層上に下部電極を形成する工程と、
を備えた圧電アクチュエータの製造方法。 Forming an upper electrode composed of one of Pt, Pt-Ti alloy, and Ir-Ti alloy on the substrate;
A step of individualizing a portion corresponding to a displacement region in the upper electrode,
Forming a lead lanthanum titanate layer on the substrate and the individualized upper electrode,
Forming a piezoelectric layer on the lead lanthanum titanate layer,
Forming a lower electrode on the piezoelectric layer;
The manufacturing method of the piezoelectric actuator provided with.
上記下部電極上にPt、Pt−Ti合金及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された活性層を形成する工程と、
該活性層上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、
該チタン酸鉛ランタン層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、
上記活性層上及び個別化されたチタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、
該圧電層上に上部電極を形成する工程と、
を備えた圧電アクチュエータの製造方法。 Forming a diaphragm on a substrate, and forming a lower electrode on the diaphragm or forming a lower electrode also serving as a diaphragm on the substrate,
Forming an active layer made of any one of Pt, Pt-Ti alloy and Ir-Ti alloy on the lower electrode;
Forming a lead lanthanum titanate layer on the active layer;
Individualizing a portion corresponding to a displacement region in the lead lanthanum titanate layer,
Forming a piezoelectric layer on the active layer and on the individualized lanthanum lead titanate layer,
Forming an upper electrode on the piezoelectric layer;
The manufacturing method of the piezoelectric actuator provided with.
上記下部電極上にPt、Pt−Ti合金及びIr−Ti合金のいずれか1つによって構成された活性層を形成する工程と、
該活性層における変位領域に対応する部分を個別化する工程と、
上記下部電極上及び個別化された活性層上にチタン酸鉛ランタン層を形成する工程と、
該チタン酸鉛ランタン層上に圧電層を形成する工程と、
該圧電層上に上部電極を形成する工程と、
を備えた圧電アクチュエータの製造方法。
Forming a diaphragm on a substrate, and forming a lower electrode on the diaphragm or forming a lower electrode also serving as a diaphragm on the substrate,
Forming an active layer made of any one of Pt, Pt-Ti alloy and Ir-Ti alloy on the lower electrode;
Individualizing a portion corresponding to a displacement region in the active layer;
Forming a lead lanthanum titanate layer on the lower electrode and on the individualized active layer,
Forming a piezoelectric layer on the lead lanthanum titanate layer,
Forming an upper electrode on the piezoelectric layer;
The manufacturing method of the piezoelectric actuator provided with.
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Legal Events
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