JP2004128174A

JP2004128174A - Actuator and liquid injection head

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Publication number: JP2004128174A
Application number: JP2002289392A
Authority: JP
Inventors: Katayoshi Matsuda; 松田　堅義; Hiroshi Aoto; 青砥　寛
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP4314009B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To use a piezoelectric electrostrictive film formed of a crystal having a single orientation or of a single crystal as a piezoelectric material of an actuator, and to enhance the adhesiveness between the piezoelectric material and a bottom electrode. <P>SOLUTION: Each of the actuators 10 arranged on each pressure chamber 3 of a main body substrate 1 of a liquid injection head has a multilayer structure wherein a diaphragm 11, the bottom electrode 13, the piezoelectric material 12, and a top electrode 14 are formed in this order. The piezoelectric material 12 and the bottom electrode 13 each use oxide thin films formed of a crystal having a single orientation or of a single crystal. By selecting a combination of thin film materials so that the material for the bottom electrode 13 which is located in a lower layer has a lattice constant larger than that of the piezoelectric material 12, the adhesiveness between the bottom electrode 13 and the piezoelectric material 12 is enhanced, resulting in the improvement in durability of both the actuator 10 and the liquid injection head. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体噴射記録装置に搭載される液体噴射ヘッド等に用いられるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコンなどの印刷装置として液体噴射記録装置を用いたプリンタが印字性能がよく取り扱いが簡単、低コストなどの理由から広く普及している。この液体噴射記録装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。
【０００３】
一般に、圧電素子を用いたものは、例えば、液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインク等の液体を圧縮することにより液吐出口から液滴を吐出させる。
【０００４】
近時、カラーの液体噴射記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字さらには液体噴射ヘッドの長尺化が求められており、そのため液体噴射ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を実現することが求められている。そして、液体噴射ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるための圧電素子を小型化することが必要になる。
【０００５】
圧電体を用いたアクチュエータおよび液体噴射ヘッドにおいて、圧電および／または電歪素子（以下、「圧電電歪素子」という。）を小型化するためには、圧電体がより微細化され、小型化しても駆動能力が低くならないような高い圧電定数を持つ必要がある。
【０００６】
このことは、圧電体である圧電および／または電歪膜（以下、「圧電電歪膜」という。）が結晶性の優れた膜であることが必要であることを示している。結晶性が優れた膜とは、同一方向に配向した単一配向結晶薄膜や、面内まで配向している単結晶薄膜である。また、圧電電歪膜が単結晶であるためには、圧電電歪膜作製時の直下の層が単結晶等であり、かつ圧電電歪膜と直下の層との格子整合性がよい組み合わせであるのが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電電歪素子に用いられた圧電電歪膜は、例えば、ＰｂＯ、ＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２の粉末のペーストをシート状に成型加工（グリーンシート）した後、焼結することにより形成する方法が採用されていたことから、圧電電歪膜を例えば１０μｍ以下に薄く形成することが困難であった。また、グリーンシートの焼結には１０００℃以上の温度で行うため、圧電電歪材料が７０％程に収縮してしまうという問題があった。このため、圧電電歪素子と液室や圧力室等の構造体とを数ミクロンオーダーでの寸法精度で位置合わせをすることは困難であり、このために、液体噴射ヘッドを微細化することが困難であった。
【０００８】
また、グリーンシートを焼結することにより形成されたセラミックス圧電電歪膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電電歪特性を得ることができなかった。すなわち、グリーンシートを焼結することにより形成された圧電電歪膜は、１０μｍ以下になると記録液を吐出させるための十分な圧電電歪特性を得ることができないという問題点があった。このため、十分な記録液の吐出に必要な特性を有する小型の液体噴射ヘッドをこれまで実現することができなかった。
【０００９】
現在報告されている上記以外の圧電電歪膜の作製方法としてＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、スパッタ法、ＭＢＥ法などの方法がある。これらの方法を用いて圧電電歪膜を成膜するとそれらの膜厚は１０μｍ以下に薄く形成することができる。ところが、通常これらの方法によって作製した酸化物圧電電歪薄膜は多結晶体であり、圧電電歪材料の能力を表す圧電定数は小さい。このため小型化すると、一定電圧に対する変位量も小さくなり、アクチュエータや液体噴射ヘッドの圧電体としての機能を達成することは困難である。
【００１０】
さらに、従来技術では、下部電極と圧電電歪膜との間の密着性が低いという問題がある。アクチュエータおよび液体噴射ヘッドの圧電電歪素子としての繰り返し駆動で発生する応力に耐え得るためには、下部電極と圧電電歪膜との間に高い密着性が必要である。
【００１１】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とするとともに、圧電体の高い密着性を実現する積層構造によって、より高密度に形成された液吐出口を有する安定した信頼性の高い液体噴射ヘッドを実現できるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを提供することを目的とするものである。
【００１２】
本発明の他の目的は、単一配向結晶あるいは単結晶の圧電電歪膜を再現性よく安定して成膜することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、圧電電歪膜と電極との密着性が高く、かつ変位量の大きい圧電電歪素子を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアクチュエータは、基体上に少なくとも振動板、下部電極、圧電体および上部電極の積層構造を有し、前記下部電極および前記圧電体が、それぞれ単一配向結晶または単結晶の薄膜であって、前記下部電極の面内方向の格子定数が前記圧電体の面内方向の格子定数より大きい組み合わせであることを特徴とする。
【００１５】
下部電極が、圧電体の面内方向の格子定数より０．１〜２０％だけ大である格子定数を有するペロブスカイト型の酸化物導電薄膜であるとよい。
【００１６】
下部電極が、ＢａおよびＰｂを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物導電薄膜であるとよい。
【００１７】
下部電極の膜厚が２０ｎｍから５０００ｎｍの範囲であるとよい。
【００１８】
下部電極の結晶方位が（０１０）、（１０１）、（１１０）（１１１）のうちのいずれかであるとよい。
【００１９】
下部電極の結晶配向率が９５％以上であるとよい。
【００２０】
圧電体が、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つと、Ｐｂを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であるとよい。
【００２１】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶配向率が９０％以上であるとよい。
【００２２】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が、菱面体晶または正方晶であるとよい。
【００２３】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であるとよい。
【００２４】
本発明の液体噴射ヘッドは、液吐出口に連通され一部に開口部が形成された圧力室を有する本体基板部と、前記開口部をふさぐように前記本体基板部に接合されたアクチュエータを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記アクチュエータは、前記本体基板部に少なくとも振動板、下部電極、圧電体および上部電極の積層構造を有し、前記下部電極および前記圧電体が、それぞれ単一配向結晶または単結晶の薄膜であって、前記下部電極の面内方向の格子定数が前記圧電体の面内方向の格子定数より大きい組み合わせであることを特徴とする液体噴射ヘッドでもよい。
【００２５】
【作用】
アクチュエータの圧電体を単一配向結晶または単結晶の薄膜とすることで、半導体プロセスによる微細加工を可能にするような薄くて圧電電歪特性にすぐれた圧電体（圧電電歪膜）を得ることができる。
【００２６】
また、圧電体として単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜を有し、しかも下部電極との密着性が良好な積層構造を得るために、それ自体強度の高い酸化物導電薄膜を下部電極として用いるとともに、下部電極の格子定数が圧電電歪膜より大きい組み合わせを選択することで、圧電電歪膜が下部電極上に成膜される際に発生する圧縮応力を低減し、下部電極と圧電電歪膜との間の密着力の低下を防ぐ。
【００２７】
このように十分な圧電電歪特性を有し、しかも下部電極と圧電体の密着力も高い積層構造によるアクチュエータを実現することで、半導体プロセスを用いた微細加工をアクチュエータの製作に適用可能にし、アクチュエータの小型化と、液体噴射ヘッドの高密度化、高性能化を促進できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１ないし図３は一実施の形態による液体噴射ヘッドを示すもので、この液体噴射ヘッドＭは、基体である本体基板部１と、複数の液吐出口（ノズル）２と、各液吐出口２に対応して設けられた複数の圧力室（液室）３と、各圧力室３にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエータ１０とから構成されており、液吐出口２は、ノズルプレート４に所定の間隔をもって形成され、圧力室３は、本体基板部（液室基板）１に、液吐出口２にそれぞれ対応するように並列して形成されている。
【００３０】
なお、本実施の形態では、液吐出口２が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。
【００３１】
本体基板部１の上面には各圧力室３にそれぞれ対応した図示しない開口部が形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエータ１０が位置付けられ、各アクチュエータ１０は、振動板１１と、圧電電歪膜である圧電体１２と、下部電極１３および上部電極１４とから構成されている。
【００３２】
圧電体１２および下部電極１３は、互いに格子整合性のよい単一配向結晶または単結晶の酸化物導電薄膜および酸化物圧電電歪薄膜である。
【００３３】
また、下部電極１３と圧電体１２の密着性を良好にするために、下部電極１３である酸化物導電薄膜の面内方向の格子定数が圧電体１２である酸化物圧電電歪薄膜の面内方向の格子定数よりも大きくなるように材料の組み合わせを選択する。
【００３４】
特に下部電極が、圧電体の面内方向の格子定数よりも０．１％以上２０％以下の範囲でより大きい格子定数を持つペロブスカイト型酸化物導電薄膜であるのが好ましい。
【００３５】
このように下部電極に酸化物薄膜を用いているため、機械的変位を繰り返して微小な亀裂が発生しても電極自身の強度が保持される。
【００３６】
また、下部電極である酸化物導電薄膜の面内方向の格子定数が圧電体である酸化物圧電電歪薄膜の面内方向の格子定数よりも大きい組み合わせを用いているため、下部電極に圧電電歪膜が成膜される際にかかる圧縮応力が緩和され、圧電電歪膜と電極との界面にかかる応力による密着力の低下を防ぐことができる。このようにして振動板、下部電極、圧電体、上部電極からなる積層構造の強度と密着性を大幅に向上させ、耐久性に優れたアクチュエータを実現できる。
【００３７】
互いに格子整合性がよく、下部電極の面内方向の格子定数が圧電電歪膜の面内方向の格子定数よりも大きい組み合わせにするためには、下部電極としてＢａおよびＰｂを含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物導電薄膜を用いるのが好ましい。
【００３８】
このように圧電電歪膜の下層とての下部電極に、酸化物圧電電歪薄膜に対して格子整合性のよい単一配向結晶または単結晶の薄膜を用いることで、結晶配向率の高い単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜を得ることが可能となる。
【００３９】
下部電極を構成するＢａおよびＰｂを含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物導電薄膜としては、例えば、単一配向結晶あるいは単結晶ＢａＰｂＯ_３であり、Ａサイト、Ｂサイトにドーパントが含有されたものでもよい。ドーパントとしては、例えば、Ｓｒ、Ｐｒ、Ｓｎ、Ｗ、Ｎｂ、Ｈｔ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ａｍ、Ｎｄであり、ドーパント濃度は０．０１％以上５．０％以下、好ましくは１．０％以上３．０％以下の範囲であるとよい。
【００４０】
そして、下部電極である酸化物導電薄膜として例えば格子定数４．２６５ÅのＢａＰｂＯ_３　上に、酸化物圧電電歪薄膜として例えば格子定数３．９２３ÅのＰＺＴを単結晶として成膜させることができることが確認されている。
【００４１】
金属Ｐｔの単結晶を下部電極として用いた場合にも単一配向結晶を得ることができるが、このときはＰＺＴをＰｔ上に直接成膜するのではなく、Ｐｔ上にＺｒを含まない層、例えばＰｂＴｉＯ_３を積層させた上にＰＺＴを成膜する必要があり、アクチュエータの積層構造の層数が増えてしまう。
【００４２】
本実施の形態によれば、基体上に順次、振動板、下部電極、圧電体、上部電極をそれぞれ結晶配向の方位のそろった膜として成膜することで、液体噴射ヘッドの場合等には、各ノズル毎のアクチュエータの性能のばらつきが少なく、かつ密着強度の強いデバイスを得ることができ、さらに小型化に十分な圧電電歪特性および機械特性を得ることができる。また、単一配向結晶あるいは単結晶の圧電電歪膜を用いることで、アクチュエータの耐久性も向上させることができる。
【００４３】
下部電極である酸化物導電薄膜の膜厚は、２０ｎｍから５０００ｎｍの範囲であるとよい。酸化物導電薄膜の膜厚が２０ｎｍ以下では、下部電極として十分な導電性を確保し得ない。また、５０００ｎｍ以上では、酸化物導電薄膜の表面粗度が大きいため、機械的に研磨処理を施す必要があり、このとき電極の結晶性および導電性が劣化する可能性がある。
【００４４】
また、下部電極である酸化物導電薄膜の基板面の結晶方位が（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）であるとよい。この酸化物導電薄膜の基板面の結晶方位が（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）であるとき、上部に成膜される圧電電歪膜がエピタキシャル成長し、圧電電歪膜の結晶方位がそれぞれ（１００），（００１），（０１０），（１０１），（１１０），（１１１）となる。また、圧電電歪膜の圧電電歪特性は結晶方位が（００１），（１１１）のときに特に良好である。
【００４５】
また、下部電極である酸化物導電薄膜の結晶配向率が９５％以上であるとよい。結晶配向率とは、ＸＲＤ（Ｘ線回折）のθ―２θ測定により膜のピーク強度比による割合である。酸化物導電薄膜の結晶配向率が９５％以下のとき、５％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、良好な電気特性を阻害するばかりでなく、上部に成膜する圧電電歪膜の結晶性を劣化させる可能性がある。より好ましくは下部電極である酸化物導電薄膜の結晶配向率が９８％以上であるとよい。
【００４６】
上記の圧電体を構成する圧電電歪膜は、Ｐｂを含み、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｃのうち少なくとも１種類の元素を含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜であるのが望ましい。
【００４７】
本発明で使用する単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の物質としては以下のものが選択できる。
【００４８】
例えば、ＰＺＴ　［Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３］、ＰＭＮ　［Ｐｂ（Ｍｇ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］、ＰＮＮ　［Ｐｂ（Ｎｂ_ｘＮｉ_１−ｘ）Ｏ_３］、ＰＳＮ　［Ｐｂ（Ｓｃ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］、ＰＺＮ　［Ｐｂ（Ｚｎ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］、ＰＭＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｍｇ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ_３］｝，ＰＳＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｓｃ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ_３］｝，ＰＺＮ−ＰＴ　｛（１−ｙ）［Ｐｂ（Ｚｎ_ｘＮｂ_１−ｘ）Ｏ_３］−ｙ［ＰｂＴｉＯ_３］｝である。
【００４９】
ここで、ｘおよびｙは１以下の０以上の数である。例えば、ＰＺＴの場合ｘは０．３〜０．７で、ＰＭＮではｘは０．２〜０．５で、ＰＳＮではｘは０．４〜０．７が好ましく、ＰＭＮ−ＰＴのｙは０．２〜０．４、ＰＳＮ−ＰＴのｙは０．３５〜０．５、ＰＺＮ−ＰＴのｙは０．０３〜０．３５が好ましい。
【００５０】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜は単一組成であってもよいし、２種類以上の組み合わせでもよい。また、結晶構造制御のために異種の組成のアンカー層を成膜したのちに成膜してもよい。さらに、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であってもよい。
【００５１】
そして、上記の圧電電歪膜の結晶配向率が９０％以上であるとよい。圧電電歪膜の結晶配向率が９０％以下のとき、１０％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、このことがアクチュエータの圧電電歪特性を劣化させる原因となる可能性がある。
【００５２】
また、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が菱面体晶あるいは正方晶であるとよい。すなわち、単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜がアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを機能させるために十分な駆動を得られる圧電電歪特性を持つためには、その結晶系が菱面体晶あるいは正方晶である必要がある。
【００５３】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であるとよい。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜をアクチュエータおよび液体噴射ヘッドとして用いる際、繰り返し駆動により発生する応力に耐えうる材料である必要がある。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下であるときは、駆動を繰り返して行うと欠陥から破損する可能性がある。より好ましくは５００ｎｍ以上８μｍ以下である。
【００５４】
次に本発明による、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物導電薄膜を下部電極として用いたアクチュエータの具体的な層構成を列挙する。層構成の表示は、上部電極／／圧電電歪膜／／下部電極／振動板となっている。
例１　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例２　Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例３　ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例４　Ｐｔ／Ｔｉ　／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／Ｓｉ（１１１）
例５　Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／Ｓｉ（１１１）
例６　ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＰＺＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／Ｓｉ（１１１）
例７　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例８　Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例９　ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例１０　Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／Ｓｉ（１００）
例１１　Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／Ｓｉ（１００）
例１２　ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／ＰＺＴ（１１１）／／ＢａＰｂＯ_３（１１１）／／Ｓｉ（１００）
【００５５】
上記具体例としては圧電電歪膜をＰＺＴあるいはＰＺＴ／ＰＴの積層構造を例示したが、これらが前述のＰＭＮ、ＰＺＮ、ＰＳＮ、ＰＮＮ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＳＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴに適宜変更させた層構成でもよい。
【００５６】
例えば、Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＭＮ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）、
Ａｕ／／ＰＭＮ−ＰＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）、
ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＰＭＮ−Ｐｔ（００１）／ＰＴ（００１）／／ＢａＰｂＯ_３（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
等のようにである。
【００５７】
（　）で示した結晶方位は前述したように優先配向する結晶配向を示している。
【００５８】
本実施の形態によるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドは、前述のように、積層構造の圧電体である圧電電歪膜と下部電極がそれぞれ単一配向結晶あるいは単結晶であり、さらに下部電極の面内方向の格子定数が圧電電歪膜の面内方向の格子定数よりも大きい組み合わせを用いることで、圧電電歪膜が成膜される際にかかる圧縮応力が緩和され、電極薄膜との界面にかかる応力による密着力の低下を防ぐことができる。これによって、耐久性に優れたアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを実現できる。
【００５９】
以下に実施例を説明する。
【００６０】
（実施例１、２）
実施例１、２のアクチュエータの製作手順は以下の通りである。
【００６１】
まず、基体である本体基板部（Ｓｉ基板）にスパッタ法などで振動板を成膜した。このとき、基体を加熱し、５００℃以上の温度を保持しながら、成膜することによって、振動板はエピタキシャル成長し、単結晶化あるいは単一配向することができた。同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、単結晶あるいは単一配向薄膜を得ることができた。さらに、同様の方法で圧電電歪膜を下部電極に成膜することで、単結晶あるいは単一配向結晶の酸化物圧電電歪薄膜を得ることができた。
【００６２】
次に、基体であるＳｉ基板をウェットの異方性エッチングによって、後方から中央部を取り除き図２のアクチュエータを作製した。
【００６３】
実施例１のアクチュエータは下部電極材料として格子定数が約４．２５ÅであるＢａＰｂＯ_３　を用いた。また、実施例２は下部電極材料として格子定数がＢａＰｂＯ_３　より若干小さいＢａＰｂＯ_３　にＷを５％ドーピングしたＢａ（ＰｂＷ）Ｏ_３　を用いた。また、比較例１として格子定数が約３．９２Åである金属のＰｔを下部電極として用いたものを作製した。実施例１、２および比較例１の各層の構成、膜厚は次に示す通りである。なお、（　　）は優先配向方向、［　　］は膜厚である。
【００６４】
上部電極Ｐｔ［０．２５μｍ］／Ｔｉ［０．０５μｍ］／／圧電電歪膜ＰＺＴ〔００１〕［３μｍ］／／下部電極［０．５μｍ］／／振動板ＹＳＺ（１００）［２μｍ］／基板Ｓｉ（１００）［６００μｍ］
【００６５】
表１に実施例１、２、比較例１の下部電極材料、格子定数、比抵抗、圧電体である圧電電歪膜への外部応力の種類、クロスカット剥離試験の結果を示す。
【００６６】
【表１】

【００６７】
表１より、圧電電歪膜への外部応力の種類は、下部電極としてＢａＰｂＯ_３　を用いた実施例１、Ｂａ（ＰｂＷ）Ｏ_３　を用いた実施例２はともに引張り応力、また下部電極としてＰｔを用いた比較例１は圧縮応力であった。クロスカット剥離試験を行った結果、実施例１、２の下部電極として上記の酸化物導電薄膜を用いたものは剥離がなかったが、下部電極として金属を用いた比較例１では駆動のため、２０Ｖ（１０ｋＨｚ）、φ１０ｎｍの電圧を印加すると剥離がみられた。
【００６８】
表２に各アクチュエータに２０Ｖ（１０ｋＨｚ）印加したときの変位量を示す。
【００６９】
【表２】

【００７０】
表２により、下部電極としてＢａＰｂＯ_３　を用いた実施例１の変位量は５１１ｎｍ、また下部電極としてＢａ（ＰｂＷ）Ｏ_３　を用いた実施例２の変位量は５３７ｎｍ、また下部電極としてＰｔを用いた比較例２は１１２ｎｍであった。
【００７１】
（実施例３、４）
実施例１、２および比較例１のアクチュエータをそれぞれ用いて図３の液体噴射ヘッドを製作し、実施例３、４および比較例２とした。
【００７２】
図３において、本体基板部上に積層された振動板、下部電極、圧電電歪膜、上部電極の各膜の膜厚は、前述のように、上部電極０．３μｍ／圧電電歪膜３μｍ／下部電極０．５μｍ／振動板２μｍ／基板６００μｍである。また、１８０ｄｐｉを実現するために圧力室の幅は９０μｍ、圧力室壁の厚さは５０μｍとした。
【００７３】
アクチュエータの作製は、前述のように、Ｓｉ基板である本体基板部にスパッタ法などで振動板を成膜した。このとき、基板を加熱し、５００℃以上の温度を保持しながら、成膜することによって、振動板はエピタキシャル成長し、単結晶化することができた。さらに、同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、単結晶薄膜を得ることができた。同様の方法で圧電電歪材料を下部電極に成膜することで、圧電電歪膜を単結晶あるいは単一配向結晶とすることができた。上部電極も成膜した。
【００７４】
次いで、ＩＣＰを用いてＳｉ基板へ圧力室、液供給路を形成し、次に、液吐出口が空けられたノズルプレートを各圧力室部に対応して接合することで液体噴射ヘッドを製造した。
【００７５】
表３に、実施例３、４および比較例２に２０Ｖ、１０ｋＨｚで印加したときの液体噴射ヘッドの液滴の吐出量と吐出速度を示す。
【００７６】
【表３】

【００７７】
表３により、実施例３に２０Ｖ印加（１０ｋＨｚ）したときの吐出量は１７ｐｌ、吐出速度は１４ｍ／ｓｅｃ、実施例４に２０Ｖ印加（１０ｋＨｚ）したときの吐出量は１８ｐｌ、吐出速度は１５ｍ／ｓｅｃであった。これに対し、下部電極としてＰｔを用いた比較例２の吐出量、吐出速度は９ｐｌ、１０ｍ／ｓｅｃであった。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００７９】
圧電体として、単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜を用いることで、アクチュエータ小型化および液体噴射ヘッドの高精細化を促進することができる。加えて、圧電体の下部電極として、例えば、ＢａおよびＰｂを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物導電薄膜を用いて、面内方向の格子定数が圧電体より大きい組み合わせにすることで、圧電体と下部電極の間の密着性を向上させ、小型かつ高性能で、しかも耐久性にすぐれたアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による液体噴射ヘッドを示す斜視図である。
【図２】図１の装置のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図３】図１の液体噴射ヘッドの断面構造を示す一部破断部分斜視図である。
【符号の説明】
１　　本体基板部
２　　液吐出口
３　　圧力室
４　　ノズルプレート
１０　　アクチュエータ
１１　　振動板
１２　　圧電体
１３　　下部電極
１４　　上部電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator and a liquid jet head used for a liquid jet head or the like mounted on a liquid jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, printers using a liquid jet recording apparatus as a printing apparatus such as a personal computer have been widely used because of good printing performance, easy handling, and low cost. Such a liquid jet recording apparatus generates bubbles in a liquid such as ink by thermal energy, and discharges droplets by a pressure wave generated by the bubbles, a device that suctions and discharges droplets by electrostatic force, and a piezoelectric element. There are various systems such as those utilizing pressure waves generated by various vibrators.
[0003]
In general, a device using a piezoelectric element includes, for example, a pressure chamber communicating with a liquid supply chamber and a liquid discharge port communicating with the pressure chamber, and a diaphragm in which the piezoelectric element is joined is provided in the pressure chamber. It is configured. In such a configuration, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element to expand and contract the piezoelectric element, thereby causing flexural vibration and compressing a liquid such as ink in the pressure chamber to discharge a droplet from the liquid discharge port. Let it.
[0004]
In recent years, color liquid jet recording apparatuses have become widespread, but there has been a demand for improved printing performance, especially for higher resolution and high-speed printing, and for longer liquid jet heads. It is required to realize a multi-nozzle head structure as described above. In order to miniaturize the liquid ejecting head, it is necessary to reduce the size of a piezoelectric element for discharging liquid.
[0005]
In an actuator and a liquid ejecting head using a piezoelectric body, in order to reduce the size of a piezoelectric and / or electrostrictive element (hereinafter, referred to as a “piezoelectrostrictive element”), the piezoelectric body is made finer and smaller. Also, it is necessary to have a high piezoelectric constant so that the driving capability does not decrease.
[0006]
This indicates that the piezoelectric and / or electrostrictive film (hereinafter, referred to as “piezoelectrostrictive film”), which is a piezoelectric material, needs to be a film having excellent crystallinity. The film having excellent crystallinity is a single-oriented crystal thin film oriented in the same direction or a single-crystal thin film oriented in the plane. In addition, in order for the piezoelectric electrostrictive film to be a single crystal, a layer directly under the piezoelectric electrostrictive film at the time of fabrication is a single crystal or the like, and a combination in which the lattice matching between the piezoelectric electrostrictive film and the layer immediately below is good. It is desirable to have.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the piezoelectric electrostrictive film used for the conventional piezoelectric electrostrictive element is formed by, for example, forming a paste of a powder of PbO, ZrO ₂ and TiO ₂ into a sheet shape (green sheet) and then sintering. Therefore, it has been difficult to form the piezoelectric electrostrictive film as thin as 10 μm or less, for example. Further, since the sintering of the green sheet is performed at a temperature of 1000 ° C. or more, there is a problem that the piezoelectric electrostrictive material shrinks to about 70%. For this reason, it is difficult to align the piezoelectric electrostrictive element and structures such as the liquid chamber and the pressure chamber with dimensional accuracy on the order of several microns. It was difficult.
[0008]
In addition, as the thickness of the ceramic piezoelectric electrostrictive film formed by sintering the green sheet becomes thinner, the influence of the crystal grain boundaries cannot be ignored and good piezoelectric electrostrictive characteristics can be obtained. Could not. That is, the piezoelectric electrostrictive film formed by sintering the green sheet has a problem that if it is less than 10 μm, it is not possible to obtain sufficient piezoelectric electrostrictive characteristics for discharging the recording liquid. For this reason, it has not been possible to realize a small-sized liquid ejecting head having characteristics necessary for discharging the recording liquid sufficiently.
[0009]
As other methods of producing a piezoelectric electrostrictive film which are currently reported, there are methods such as a CVD method, a sol-gel method, a sputtering method and an MBE method. When a piezoelectric electrostrictive film is formed using these methods, the film thickness can be reduced to 10 μm or less. However, an oxide piezoelectric electrostrictive thin film produced by these methods is usually a polycrystalline material, and has a small piezoelectric constant indicating the capability of a piezoelectric electrostrictive material. For this reason, when the size is reduced, the amount of displacement with respect to a constant voltage is also reduced, and it is difficult to achieve the function as the piezoelectric body of the actuator or the liquid ejecting head.
[0010]
Further, in the related art, there is a problem that adhesion between the lower electrode and the piezoelectric electrostrictive film is low. In order to withstand the stress generated by repeated driving of the actuator and the liquid ejecting head as the piezoelectric electrostrictive element, high adhesion is required between the lower electrode and the piezoelectric electrostrictive film.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned unresolved problems of the related art, and has a laminated structure which enables fine processing generally used in a semiconductor process and realizes high adhesion of a piezoelectric body. Accordingly, an object of the present invention is to provide an actuator and a liquid ejecting head which can realize a stable and highly reliable liquid ejecting head having liquid ejection ports formed at a higher density.
[0012]
It is another object of the present invention to stably form a single-oriented crystal or a single-crystal piezoelectric electrostrictive film with good reproducibility.
[0013]
Still another object of the present invention is to obtain a piezoelectric electrostrictive element having high adhesion between a piezoelectric electrostrictive film and an electrode and a large displacement.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the actuator of the present invention has a laminated structure of at least a vibration plate, a lower electrode, a piezoelectric body and an upper electrode on a base, wherein the lower electrode and the piezoelectric body are each a single-oriented crystal or It is a single-crystal thin film, wherein the lattice constant of the lower electrode in the in-plane direction is larger than the lattice constant of the piezoelectric body in the in-plane direction.
[0015]
The lower electrode may be a perovskite-type oxide conductive thin film having a lattice constant 0.1 to 20% larger than the lattice constant in the in-plane direction of the piezoelectric body.
[0016]
The lower electrode is preferably a single-oriented crystal or a single-crystal oxide conductive thin film containing Ba and Pb.
[0017]
The thickness of the lower electrode is preferably in the range of 20 nm to 5000 nm.
[0018]
The crystal orientation of the lower electrode may be any one of (010), (101), (110), and (111).
[0019]
The crystal orientation ratio of the lower electrode is preferably 95% or more.
[0020]
The piezoelectric body may be a single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film containing at least one of Zr, Ti, Ni, Nb, Mg, Zn, and Sc and Pb.
[0021]
The single crystal orientation or the crystal orientation ratio of the single crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is preferably 90% or more.
[0022]
The crystal system of the single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is preferably rhombohedral or tetragonal.
[0023]
The thickness of the single-crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is preferably 100 nm or more and 10 μm or less.
[0024]
The liquid ejecting head according to the present invention includes a main body substrate portion having a pressure chamber which is communicated with a liquid discharge port and partially has an opening, and an actuator joined to the main body substrate portion so as to cover the opening. In the liquid ejecting head, the actuator has a laminated structure of at least a vibration plate, a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode on the main body substrate, wherein the lower electrode and the piezoelectric body are each a single-oriented crystal or a single crystal. Wherein the lattice constant of the lower electrode in the in-plane direction is larger than the lattice constant of the piezoelectric body in the in-plane direction.
[0025]
[Action]
By making the piezoelectric material of the actuator a single-oriented crystal or a thin film of single crystal, a thin piezoelectric material (piezoelectric film) with excellent piezoelectric electrostrictive properties that enables microfabrication by a semiconductor process can be obtained. Can be.
[0026]
In addition, in order to obtain a laminated structure that has a single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film as the piezoelectric body and has good adhesion to the lower electrode, an oxide conductive thin film with high strength itself is used. By using as a lower electrode and selecting a combination in which the lattice constant of the lower electrode is larger than that of the piezoelectric electrostrictive film, the compressive stress generated when the piezoelectric electrostrictive film is formed on the lower electrode is reduced. Of the adhesive force between the substrate and the piezoelectric electrostrictive film is prevented.
[0027]
By realizing an actuator with a laminated structure that has sufficient piezoelectric electrostriction characteristics and high adhesion between the lower electrode and the piezoelectric body, it is possible to apply microfabrication using a semiconductor process to the manufacture of the actuator. In addition, the size of the liquid ejecting head, the density of the liquid ejecting head, and the performance can be enhanced.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
FIGS. 1 to 3 show a liquid ejecting head according to an embodiment. The liquid ejecting head M includes a main body substrate 1 serving as a base, a plurality of liquid ejection ports (nozzles) 2, and respective liquid ejection ports. 2 and a plurality of pressure chambers (liquid chambers) 3 provided corresponding to the pressure chambers 3 and actuators 10 provided so as to correspond to the respective pressure chambers 3. The pressure chambers 3 are formed at predetermined intervals, and the pressure chambers 3 are formed in parallel with the main body substrate portion (liquid chamber substrate) 1 so as to correspond to the liquid discharge ports 2 respectively.
[0030]
In the present embodiment, the liquid discharge port 2 is provided on the lower surface side, but may be provided on the side surface side.
[0031]
Openings (not shown) corresponding to the respective pressure chambers 3 are formed on the upper surface of the main body substrate section 1, and the actuators 10 are positioned so as to cover the openings. It comprises a piezoelectric body 12 as a strain film, a lower electrode 13 and an upper electrode 14.
[0032]
The piezoelectric body 12 and the lower electrode 13 are a single-oriented crystal or single-crystal oxide conductive thin film and oxide piezoelectric electrostrictive thin film having good lattice matching with each other.
[0033]
Further, in order to improve the adhesion between the lower electrode 13 and the piezoelectric body 12, the lattice constant in the in-plane direction of the oxide conductive thin film as the lower electrode 13 is smaller than that of the oxide piezoelectric electrostrictive thin film as the piezoelectric body 12. The combination of materials is selected so as to be larger than the lattice constant in the direction.
[0034]
In particular, it is preferable that the lower electrode is a perovskite-type oxide conductive thin film having a lattice constant larger than the lattice constant in the in-plane direction of the piezoelectric body in the range of 0.1% to 20%.
[0035]
As described above, since the oxide thin film is used for the lower electrode, the strength of the electrode itself is maintained even if a minute crack is generated due to repeated mechanical displacement.
[0036]
In addition, since a combination in which the lattice constant in the in-plane direction of the oxide conductive thin film serving as the lower electrode is larger than the lattice constant in the in-plane direction of the oxide piezoelectric electrostrictive thin film serving as a piezoelectric material, a piezoelectric electrode is used as the lower electrode. The compressive stress applied when the strained film is formed is reduced, and it is possible to prevent a decrease in adhesion due to the stress applied to the interface between the piezoelectric electrostrictive film and the electrode. In this manner, the strength and adhesion of the laminated structure including the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode are greatly improved, and an actuator having excellent durability can be realized.
[0037]
In order to obtain a combination in which lattice matching with each other is good and the lattice constant in the in-plane direction of the lower electrode is larger than the lattice constant in the in-plane direction of the piezoelectric electrostrictive film, a mono-oriented crystal containing Ba and Pb as the lower electrode is required. Alternatively, a single-crystal oxide conductive thin film is preferably used.
[0038]
By using a single-oriented crystal or a single-crystal thin film having good lattice matching with the oxide piezoelectric electrostrictive thin film for the lower electrode as the lower layer of the piezoelectric electrostrictive film, a single crystal having a high crystal orientation rate can be obtained. It is possible to obtain a single-crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film.
[0039]
The single-crystal or single-crystal oxide conductive thin film containing Ba and Pb constituting the lower electrode is, for example, a single-crystal or single-crystal BaPbO ₃ , in which the A site and the B site contain a dopant. It may be something. Examples of the dopant include Sr, Pr, Sn, W, Nb, Ht, Zr, Tb, Gd, Eu, Sm, Am, and Nd, and the dopant concentration is 0.01% or more and 5.0% or less, preferably The range is preferably 1.0% or more and 3.0% or less.
[0040]
Then, it was confirmed that, for example, PZT having a lattice constant of 3.923 ° could be formed as a single crystal as an oxide piezoelectric electrostrictive thin film on BaPbO ₃ having a lattice constant of 4.265 ° as the oxide conductive thin film serving as the lower electrode. Have been.
[0041]
When a single crystal of metal Pt is used as the lower electrode, a single orientation crystal can be obtained. In this case, instead of forming PZT directly on Pt, a layer containing no Zr on Pt, For example, it is necessary to deposit PZT on PbTiO ₃ , which increases the number of layers of the actuator laminated structure.
[0042]
According to the present embodiment, the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric body, and the upper electrode are sequentially formed on the substrate as films having the same crystal orientation. It is possible to obtain a device having a small variation in the performance of the actuator for each nozzle and a strong adhesion strength, and to obtain piezoelectric electrostrictive characteristics and mechanical characteristics sufficient for miniaturization. In addition, by using a single-oriented crystal or a single-crystal piezoelectric electrostrictive film, the durability of the actuator can be improved.
[0043]
The thickness of the oxide conductive thin film serving as the lower electrode is preferably in the range of 20 nm to 5000 nm. When the thickness of the oxide conductive thin film is 20 nm or less, sufficient conductivity cannot be secured as the lower electrode. If the thickness is 5000 nm or more, the surface roughness of the oxide conductive thin film is large, so that it is necessary to mechanically perform a polishing treatment. At this time, the crystallinity and conductivity of the electrode may be deteriorated.
[0044]
The crystal orientation of the substrate surface of the oxide conductive thin film serving as the lower electrode is preferably (010), (101), (110), or (111). When the crystal orientation of the substrate surface of the oxide conductive thin film is (010), (101), (110), or (111), the piezoelectric electrostrictive film formed on the upper surface grows epitaxially, The crystal orientations are (100), (001), (010), (101), (110), and (111), respectively. The piezoelectric electrostrictive characteristics of the piezoelectric electrostrictive film are particularly good when the crystal orientation is (001) or (111).
[0045]
Further, the crystal orientation ratio of the oxide conductive thin film serving as the lower electrode is preferably 95% or more. The crystal orientation ratio is a ratio based on the peak intensity ratio of the film as measured by XRD (X-ray diffraction) θ-2θ. When the crystal orientation ratio of the oxide conductive thin film is 95% or less, a crystal or a different phase oriented in another direction of 5% or more exists, which not only inhibits good electric characteristics but also forms a piezoelectric film formed on the top. The crystallinity of the electrostrictive film may be degraded. More preferably, the crystal orientation ratio of the oxide conductive thin film as the lower electrode is 98% or more.
[0046]
The piezoelectric electrostrictive film constituting the above-mentioned piezoelectric body contains a single-oriented crystal or a single-crystal oxide piezoelectric material containing Pb and containing at least one element of Zr, Ti, Ni, Nb, Mg, Zn and Sc. An electrostrictive thin film is desirable.
[0047]
The following materials can be selected as the material of the single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film used in the present invention.
[0048]
For _{_{_{example, PZT [Pb (Zr x Ti}}} 1-x) O 3], PMN [Pb (Mg x Nb 1-x) O 3], PNN [Pb (Nb x Ni 1-x) O 3], PSN [Pb _{_{_{(Sc x Nb 1-x)}}} O 3], PZN [Pb (Zn x Nb 1-x) O 3], PMN-PT {(1-y) [Pb (Mg x Nb 1-x) O 3] - _{_{_{y [PbTiO 3]}, PSN}}} -PT {(1-y) [Pb (Sc x Nb 1-x) O 3] -y [PbTiO 3]}, PZN-PT {(1-y) [Pb (Zn _{_{_{x Nb 1-x) O 3}}} ] is a -y [PbTiO _3]}.
[0049]
Here, x and y are numbers of 1 or less and 0 or more. For example, in the case of PZT, x is 0.3 to 0.7, in PMN, x is 0.2 to 0.5, in PSN, x is preferably 0.4 to 0.7, and in PMN-PT, y is 0. 0.2 to 0.4, y of PSN-PT is preferably 0.35 to 0.5, and y of PZN-PT is preferably 0.03 to 0.35.
[0050]
The single oriented crystal or single crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film may have a single composition or a combination of two or more. Further, the film may be formed after forming the anchor layer having a different composition for controlling the crystal structure. Further, a composition in which the above main component is doped with a trace element may be used.
[0051]
The crystal orientation ratio of the piezoelectric electrostrictive film is preferably 90% or more. When the crystal orientation ratio of the piezoelectric electrostrictive film is 90% or less, there is a crystal or a different phase oriented in another direction of 10% or more, and this may cause deterioration of the piezoelectric electrostrictive characteristics of the actuator. There is.
[0052]
Further, the crystal system of the above-mentioned single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is preferably rhombohedral or tetragonal. That is, in order for a single-oriented crystal or a single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film to have piezoelectric electrostrictive characteristics capable of obtaining sufficient drive to function an actuator and a liquid ejecting head, the crystal system must be rhombohedral. Alternatively, it must be tetragonal.
[0053]
The thickness of the single-crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is preferably 100 nm or more and 10 μm or less. When a single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is used as an actuator and a liquid jet head, the material must be able to withstand the stress generated by repeated driving. When the thickness of the single-crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is 100 nm or less, there is a possibility that the film will be damaged by a defect if the driving is repeated. More preferably, it is 500 nm or more and 8 μm or less.
[0054]
Next, specific layer configurations of actuators using the above-described single-oriented crystal or single-crystal oxide conductive thin film as a lower electrode according to the present invention will be listed. The indication of the layer configuration is: upper electrode // piezoelectrostrictive film // lower electrode / diaphragm.
Example 1 Pt / Ti // PZT (001) // BaPbO ₃ (100) // YSZ (111) / Si (111)
Example 2 Au // PZT (001) // BaPbO ₃ (100) // YSZ (111) / Si (111)
Example 3 BaPbO ₃ (100) // PZT (001) // BaPbO ₃ (100) // YSZ (111) / Si (111)
Example 4 Pt / Ti // PZT (001) // BaPbO ₃ (100) / Si (111)
Example _{5 Au // PZT (001) //} BaPbO 3 (100) / Si (111)
Example 6 BaPbO ₃ (100) // PZT (001) // BaPbO ₃ (100) / Si (111)
Example 7 Pt / Ti // PZT (111) // BaPbO ₃ (111) // YSZ (100) / Si (100)
Example _{8 Au // PZT (111) //} BaPbO 3 (111) // YSZ (100) / Si (100)
Example 9 BaPbO ₃ (111) // PZT (111) // BaPbO ₃ (111) // YSZ (100) / Si (100)
Example _{10 Pt / Ti // PZT (111} ) // BaPbO 3 (111) // Si (100)
Example _{11 Au // PZT (111) //} BaPbO 3 (111) // Si (100)
Example 12 BaPbO ₃ (111) // PZT (111) // BaPbO ₃ (111) // Si (100)
[0055]
As the above specific example, the piezoelectric electrostrictive film is exemplified by the laminated structure of PZT or PZT / PT. It may have a layered structure.
[0056]
For example, Pt / Ti // PMN (001) // BaPbO ₃ (100) // YSZ (111) / Si (111),
_{Au // PMN-PT (001)} // BaPbO 3 (100) // YSZ (111) / Si (111),
BaPbO ₃ (100) // PMN-Pt (001) / PT (001) // BaPbO ₃ (100) // YSZ (111) / Si (111)
And so on.
[0057]
The crystal orientation shown in parentheses indicates the crystal orientation that preferentially orients as described above.
[0058]
As described above, in the actuator and the liquid jet head according to the present embodiment, the piezoelectric electrostrictive film, which is a piezoelectric body having a laminated structure, and the lower electrode are each a single-oriented crystal or a single crystal, and furthermore, the in-plane direction of the lower electrode is By using a combination in which the lattice constant of the piezoelectric electrostrictive film is larger than the lattice constant in the in-plane direction of the piezoelectric electrostrictive film, the compressive stress applied when the piezoelectric electrostrictive film is formed is reduced, and the stress applied to the interface with the electrode thin film is reduced. This can prevent a decrease in adhesion due to the above. As a result, an actuator and a liquid jet head having excellent durability can be realized.
[0059]
Examples will be described below.
[0060]
(Examples 1 and 2)
The manufacturing procedure of the actuators of the first and second embodiments is as follows.
[0061]
First, a diaphragm was formed on a main body substrate (Si substrate) as a base by sputtering or the like. At this time, the diaphragm was epitaxially grown by heating the substrate and maintaining the temperature at 500 ° C. or higher, whereby the diaphragm could be single-crystallized or unidirectionally oriented. By forming the lower electrode on the diaphragm in the same manner, a single crystal or single orientation thin film could be obtained. Further, by forming a piezoelectric electrostrictive film on the lower electrode in the same manner, a single crystal or single-oriented crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film could be obtained.
[0062]
Next, the actuator shown in FIG. 2 was manufactured by removing the central portion from the rear of the Si substrate as the base by wet anisotropic etching.
[0063]
In the actuator of Example 1, BaPbO ₃ having a lattice constant of about 4.25 ° was used as the lower electrode material. In Example 2, Ba (PbW) O ₃ obtained by doping 5% of W into BaPbO ₃ having a lattice constant slightly smaller than that of BaPbO ₃ was used as a lower electrode material. In addition, as Comparative Example 1, one using metal Pt having a lattice constant of about 3.92 ° as a lower electrode was manufactured. The configuration and thickness of each layer in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are as follows. () Indicates the preferred orientation direction, and [] indicates the film thickness.
[0064]
Upper electrode Pt [0.25 μm] / Ti [0.05 μm] // piezoelectrostrictive film PZT [001] [3 μm] // Lower electrode [0.5 μm] // diaphragm YSZ (100) [2 μm] / substrate Si (100) [600 μm]
[0065]
Table 1 shows the material of the lower electrode, the lattice constant, the specific resistance, the type of external stress applied to the piezoelectric electrostrictive film as the piezoelectric body, and the results of the cross-cut peeling test in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
[0066]
[Table 1]

[0067]
According to Table 1, the types of external stress applied to the piezoelectric electrostrictive film were as follows: Example 1 using BaPbO ₃ as the lower electrode, Example 2 using Ba (PbW) O ₃ as the lower electrode, and Pt as the lower electrode. In Comparative Example 1 using, the compressive stress was observed. As a result of performing a cross-cut peeling test, those using the above-described oxide conductive thin film as the lower electrode in Examples 1 and 2 did not peel, but in Comparative Example 1 using a metal as the lower electrode, it was driven. When a voltage of 20 V (10 kHz) and φ10 nm was applied, peeling was observed.
[0068]
Table 2 shows the amount of displacement when 20 V (10 kHz) is applied to each actuator.
[0069]
[Table 2]

[0070]
According to Table 2, the displacement of Example 1 using BaPbO ₃ as the lower electrode was 511 nm, the displacement of Example 2 using Ba (PbW) O ₃ as the lower electrode was 537 nm, and Pt was used as the lower electrode. Comparative Example 2 had a thickness of 112 nm.
[0071]
(Examples 3 and 4)
The liquid ejecting head of FIG. 3 was manufactured using the actuators of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, respectively, and Examples 3 and 4 and Comparative Example 2 were used.
[0072]
In FIG. 3, the thicknesses of the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric electrostrictive film, and the upper electrode laminated on the main body substrate are 0.3 μm for the upper electrode, 3 μm for the piezoelectric electrostrictive film, Lower electrode 0.5 μm / diaphragm 2 μm / substrate 600 μm. Further, in order to realize 180 dpi, the width of the pressure chamber was 90 μm, and the thickness of the pressure chamber wall was 50 μm.
[0073]
As described above, the actuator was manufactured by forming a diaphragm on the main body substrate portion, which is a Si substrate, by a sputtering method or the like. At this time, by heating the substrate and forming a film while maintaining the temperature at 500 ° C. or higher, the diaphragm could be epitaxially grown and monocrystallized. Furthermore, a single-crystal thin film could be obtained by forming a lower electrode on the diaphragm in the same manner. By forming a piezoelectric electrostrictive material on the lower electrode in the same manner, the piezoelectric electrostrictive film could be made into a single crystal or a single oriented crystal. An upper electrode was also formed.
[0074]
Next, a liquid ejection head was manufactured by forming a pressure chamber and a liquid supply path on the Si substrate using ICP, and then joining a nozzle plate having a liquid discharge port to each pressure chamber. .
[0075]
Table 3 shows the ejection amount and ejection speed of the droplets of the liquid ejecting head when a voltage of 20 V and 10 kHz was applied to Examples 3 and 4 and Comparative Example 2.
[0076]
[Table 3]

[0077]
According to Table 3, the discharge amount when applying 20 V (10 kHz) to Example 3 is 17 pl and the discharge speed is 14 m / sec. The discharge amount when 20 V is applied (10 kHz) to Example 4 is 18 pl and the discharge speed is 15 m / sec. sec. On the other hand, the discharge amount and discharge speed of Comparative Example 2 using Pt as the lower electrode were 9 pl and 10 m / sec.
[0078]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0079]
By using a single-oriented crystal or a single crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film as the piezoelectric body, it is possible to promote miniaturization of the actuator and high definition of the liquid jet head. In addition, as the lower electrode of the piezoelectric body, for example, by using a single-oriented crystal or a single-crystal oxide conductive thin film containing Ba and Pb, the lattice constant in the in-plane direction is set to be larger than that of the piezoelectric body, By improving the adhesion between the piezoelectric body and the lower electrode, a compact, high-performance, and highly durable actuator and liquid ejecting head can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a liquid jet head according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of an actuator of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing a cross-sectional structure of the liquid jet head of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Main-body board part 2 Liquid discharge port 3 Pressure chamber 4 Nozzle plate 10 Actuator 11 Vibration plate 12 Piezoelectric body 13 Lower electrode 14 Upper electrode

Claims

At least a vibration plate, a lower electrode, a piezoelectric body and an upper electrode have a laminated structure on a substrate, wherein the lower electrode and the piezoelectric body are each a single-oriented crystal or a single-crystal thin film, and the surface of the lower electrode is An actuator, wherein the lattice constant in the inward direction is a combination larger than the lattice constant in the in-plane direction of the piezoelectric body.

2. The actuator according to claim 1, wherein the lower electrode is a perovskite-type oxide conductive thin film having a lattice constant larger by 0.1 to 20% than a lattice constant of the piezoelectric body in an in-plane direction.

3. The actuator according to claim 1, wherein the lower electrode is a single-oriented crystal or single-crystal oxide conductive thin film containing Ba and Pb.

4. The actuator according to claim 1, wherein the lower electrode has a thickness in a range of 20 nm to 5000 nm.

The actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the crystal orientation of the lower electrode is one of (010), (101), (110), and (111).

6. The actuator according to claim 1, wherein a crystal orientation ratio of the lower electrode is 95% or more.

The piezoelectric material is a single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film containing at least one of Zr, Ti, Ni, Nb, Mg, Zn, and Sc and Pb. An actuator according to any one of claims 1 to 6.

8. The actuator according to claim 7, wherein the crystal orientation ratio of the single orientation crystal or the single crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is 90% or more.

9. The actuator according to claim 7, wherein the crystal system of the single-oriented crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is rhombohedral or tetragonal.

The actuator according to any one of claims 7 to 9, wherein the thickness of the single-crystal or single-crystal oxide piezoelectric electrostrictive thin film is 100 nm or more and 10 µm or less.

In a liquid ejecting head having a main body substrate part having a pressure chamber which is communicated with a liquid discharge port and partially having an opening, and an actuator joined to the main body substrate part so as to cover the opening, Wherein the main substrate portion has a laminated structure of at least a diaphragm, a lower electrode, a piezoelectric body and an upper electrode, wherein the lower electrode and the piezoelectric body are each a single-oriented crystal or a single-crystal thin film, The liquid ejecting head according to claim 1, wherein a lattice constant in an in-plane direction of the electrode is larger than a lattice constant in an in-plane direction of the piezoelectric body.