JP2004146640A

JP2004146640A - Piezoelectric thin film element and actuator using the same, ink jet head and ink jet recoding device

Info

Publication number: JP2004146640A
Application number: JP2002310739A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Hara; 原　慎太郎; Takeshi Kamata; 鎌田　健; Shogo Matsubara; 松原　正吾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP4513252B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain mechanical strength of a dielectric thin film and prevent cracks and film break caused by tensile stress. <P>SOLUTION: There is provided a dielectric thin film equipped with a substrate 21, a first electrode 3 formed on the substrate 21, a dielectric thin film 10 formed on the first electrode 3 by substrate heating, and a second electrode 22 formed on the dielectric thin film 10. In the dielectric thin film, the dielectric thin film 10 and the substrate 21 are different from each other in thermal expansion coefficient and so the dielectric thin film 10 is made to serve as a compressed film by the substrate 21. In other word, when the thermal expansion coefficient of the dielectric thin film 10 is defined as αp and that αs of the substrate 21, the relationship αp<αs is fulfilled. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜素子に関し、具体的には、圧電性誘電体の圧電効果を利用したアクチュエータ、それを用いたインクジェットヘッド、ならびにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、赤外線センサ、光変調素子、メモリ素子などさまざまなものがある。マイクロマシン加工技術の発達、各種機器の小型・軽量化の要望に伴い、これらの誘電体材料を用いた各種薄膜デバイスは、薄膜化技術・微細加工技術により実用化されつつある。
【０００３】
図１２は従来の圧電体薄膜素子（Ｉ．Ｋａｎｎｏ　ｅｔ．ａｌ：　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔ．　７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０）の構成の一例を示す断面図である。すなわち、図１２の圧電体薄膜素子９０は、ＭｇＯ単結晶基板９１上に第１の電極としてＰｔ下部電極膜９２、ＰＺＴ圧電体薄膜９３、第２の電極としてＰｔ上部電極膜９４を順次形成した構成である。（例えば非特許文献１参照）例えば、電極膜、圧電体膜や基板を加工することなどにより、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどへ応用される。
【０００４】
通常、材料を薄膜化することにより薄膜固有の特性を有するようになる。この要因としては、形成プロセスのバルクとの違いや、薄膜を支持する基板の影響によるところが大きい。例えば、圧電体薄膜の結晶面や格子定数などの結晶パラメータは基板に大きく影響される。強誘電体であるＰｂＴｉＯ_３は（１００）面ＭｇＯ単結晶基板上では（００１）面、ｃ面サファイア基板上では（１１１）面が配向することが報告されている。これは基板の結晶面の影響を大きく受けるためである。単結晶基板の場合は、さらに基板と圧電体膜とで大きく格子定数が異なれば、配向する結晶面にも影響を与える。また、酸化物単結晶、金属、ガラス等の基板の種類に関係なく、基板の熱膨張係数の違いにより、作製される圧電体膜の内部応力が変化し、これにより圧電体膜の格子定数などの結晶パラメータが変化する。
【０００５】
このような圧電体薄膜の結晶パラメータの変化により、その電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性が大きく変化する。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｉ．Ｋａｎｎｏ　ｅｔ．ａｌ：　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔ．　７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧電体薄膜素子９０は、薄膜形成において４００℃〜７００℃程度の結晶化処理が必要である。そのため、室温に冷却する過程で、圧電体薄膜９３とこれを支持する基板９１との熱膨張係数差により、圧電体薄膜９３には引っ張りまたは圧縮の内部応力が発生する。
【０００８】
圧電体薄膜９３が引っ張りの内部応力を有していると、つまり、膜の粒界等に引っ張りの力を受けていると、常に引き剥がされようとするストレスを受けることになる。すると、機械的強度が低下して電圧印加時の撓みに対して弱くなり、圧電体薄膜９３にクラックが発生したり、膜破壊を誘発したりする。
【０００９】
すなわち、膜形成時の部分的な欠陥や異物の存在による膜破壊では、スポット状の破壊が主であるが、膜の内部応力に起因した破壊の場合では、クラック等の破壊が生じる。スポット状の破壊の場合には部分的な破壊ですみ、膜全体としては機能することが多いが、クラック等の破壊では膜全体の破壊に進行して深刻なダメージを受けやすい。
【００１０】
そこで、本発明は、圧電体薄膜のクラックや膜破壊を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされているものである。
【００１２】
また、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が圧縮膜であるものである。
【００１３】
さらに、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるものである。
【００１４】
さらに、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接着剤により接着され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、接着剤の熱膨張係数をαｂとすると、αｐ＜αｂの関係を満たすものである。
【００１５】
そして、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接合され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、区画壁の熱膨張係数をαａとすると、αａ＞αｐの関係を満たすものである。
【００１６】
これによれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜となって機械的強度を保持できるので、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされている圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされている圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、基板の熱膨張係数をαｓとすると、αｐ＜αｓの関係を満たす圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、１＜αｓ／αｐ≦１．２の関係を満たす圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。なお、αｓ／αｐ≦１のときは引っ張りの応力となり、αｓ／αｐ＞１．２のときは圧電体の電気特性や光学特性に変化が生じる場合があるため、性能に変化が生じる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、圧電体薄膜の厚みは０．２〜１０μｍであり、基板の厚みは０．１５〜１．５ｍｍである圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２２】
本発明の請求項６に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が圧縮膜である圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２３】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項６記載の発明において、スパッタリング時において、圧電体薄膜の堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、スパッタ圧力を０．１Ｐａ〜５．０Ｐａ、投入電力を０．２５ｋＷ〜５．０ｋＷとする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２４】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項６記載の発明において、スパッタリング時において、圧電体薄膜の堆積速度を２．０μｍ〜７μｍ／ｈ、スパッタ圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、投入電力を０．５ｋＷ〜３．０ｋＷとする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する特に、上記範囲においては、成膜時における圧縮応力がかかりやすくなるという作用を有する。
【００２５】
本発明の請求項９に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜である圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２６】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項記載の発明において、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上形成された第１の電極と、第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜である圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２７】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０記載の発明において、圧電体薄膜はエピタキシャル膜である圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２８】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項９〜１１の何れか一項に記載の発明において、基板の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐの関係を満たす圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００２９】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１０〜１２の何れか一項に記載の発明において、中間層と第１の電極との面格子間隔の方が圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さい圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３０】
本発明の請求項１４に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が配向膜またはエピタキシャル膜である圧電体薄膜素子であり、クラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３１】
本発明の請求項１５に記載の発明は、請求項１４記載の発明において、スパッタリング時おいて、圧電体薄膜の堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、スパッタ圧力を０．１Ｐａ〜５．０Ｐａ、投入電力を０．２５ｋＷ〜５．０ｋＷとする圧電体薄膜素子であり、クラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３２】
本発明の請求項１６に記載の発明は、請求項１４記載の発明において、スパッタリング時において、圧電体薄膜の堆積速度を２．０μｍ〜７μｍ／ｈ、スパッタ圧力を０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、投入電力を０．５ｋＷ〜３．０ｋＷとする圧電体薄膜素子であり、クラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３３】
本発明の請求項１７に記載の発明は、請求項１〜１６の何れか一項に記載の発明において、圧電体薄膜は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むペロブスカイト構造である圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３４】
本発明の請求項１８に記載の発明は、請求項１〜１７の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
【００３５】
本発明の請求項１９に記載の発明は、圧力室を区画形成する区画壁と接着剤により接着され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、接着剤の熱膨張係数をαｂとすると、αｐ＜αｂの関係を満たすアクチュエータであり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３６】
本発明の請求項２０に記載の発明は、請求項１９記載の発明において、接着剤は無機材料からなるアクチュエータであり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３７】
本発明の請求項２１に記載の発明は、請求項１９または２０記載の発明において、接着剤による区画壁との接着を加熱下で行うアクチュエータであり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３８】
本発明の請求項２２に記載の発明は、圧力室を区画形成する区画壁と接合され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαｐ、区画壁の熱膨張係数をαａとすると、αａ＞αｐの関係を満たすアクチュエータであり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【００３９】
本発明の請求項２３に記載の発明は、請求項１８〜２２記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４０】
本発明の請求項２４に記載の発明は、請求項２３記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１１を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図３は図２の要部を示す斜視図、図４は図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図５は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図、図６は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図、図７は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ、図８は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図である。
【００４３】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、圧電体薄膜素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００４４】
図２は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド４１の全体構成を示し、図３はその要部の構成を示す。
【００４５】
図２および図３において、Ａは圧力室部品であって、圧力室用開口部１が形成される。Ｂは圧力室用開口部１の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Ｃは圧力室用開口部１の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Ａの圧力室用開口部１は、その上下に位置するアクチュエータ部Ｂおよびインク液流路部品Ｃにより区画されて圧力室２となる。アクチュエータ部Ｂには、圧力室２の上方に位置する個別電極である第１の電極３が配置されている。これ等圧力室２および第１の電極３は、図２から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ圧力室２間で共用する共通液室５と、この共通液室５を圧力室２に連通する供給口６と、圧力室２内のインク液が流出するインク流路７とが形成される。Ｄはノズル板であって、インク流路７に連通するノズル孔８が形成されている。また、図２において、ＥはＩＣチップであって、ボンディングワイヤー（ＢＷ）を介して多数の第１の電極３に対して電圧を供給する。
【００４６】
次に、アクチュエータ部Ｂの構成を図４に基づいて説明する。
【００４７】
同図において、アクチュエータ部Ｂは、図２に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ４個の圧力室２を持つ圧力室部品Ａが参照的に描かれている。
【００４８】
このアクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の上方に位置する第１の電極３、この第１の電極３の直下に位置する圧電体薄膜１０、この圧電体薄膜１０の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極１１とを有する。振動板兼共通電極１１は、導電性物質で形成されていて、各圧力室２で共通する共通電極である第２の電極を兼用する。さらに、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の相互を区画する区画壁２ａの上方に位置する縦壁１３を持つ。なお、同図中、１４は圧力室部品Ａとアクチュエータ部Ｂとを接着する接着剤である。各縦壁１３は、接着剤１４を用いた接着時に、一部の接着剤１４が区画壁２ａの外方にはみ出した場合にも、この接着剤１４が振動板兼共通電極１１に付着せず、振動板兼共通電極１１が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室２の上面と振動板兼共通電極１１の下面との距離を拡げる役割を持つ。
【００４９】
そして、第１の電極３、圧電体薄膜１０および振動板兼共通電極１１で圧電体薄膜素子が構成されている。ここでは振動板と共通電極（第２の電極）とが兼用されているが、両者は別体になっていてもよい。なお、図５以下においては、振動板と第２の電極である共通電極と別体になったものが示されている。
【００５０】
第１の電極３は例えばＰｔ（白金）で、振動板兼共通電極１１は例えばＰｔ（白金）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）またはＴａ（タンタル）で、形成されている。
【００５１】
なお、以上説明した構造は、以下の実施の形態においても共通のものになっている。したがって、各実施の形態での重複した説明は省略する。
【００５２】
図５に示す圧電体薄膜素子１６は、基板２１と、この基板２１の上に第１の電極３としてたとえばＰｔ電極膜を配置し、その上に圧電体薄膜１０を配置し、その上に第２の電極２２としてたとえばＣｒ電極膜を配置したものである。
【００５３】
ここで、基板２１の材料としては、たとえばアルミナ（熱膨張係数：６８×１０^−７／Ｋ）、８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０^−７／Ｋ）、８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０^−７／Ｋ）、ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１７３×１０^−７／Ｋ）、酸化マグネシウム（熱膨張係数：１２０×１０^−７／Ｋ）などを用いることができる。
【００５４】
また、圧電体薄膜１０は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むペロブスカイト構造のＰＺＴ膜、たとえばＰｂ（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０^−７／Ｋ）が用いられている。なお、ＰＺＴ膜は熱膨張係数が小さく、応力制御しやすいという性質を、さらに配向（エピタキシャル成長）をさせるのが容易で組成を制御しやすいという性質を有している。
【００５５】
そして、圧電体薄膜１０の厚みは０．２〜１０μｍ、基板２１の厚みは０．１５〜１．５ｍｍとなっている。但し、膜厚はこの数値に限定されるものではない。
【００５６】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００５７】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００５８】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ_２の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ_２＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００５９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００６０】
ここで、前述のように、圧電体薄膜１０と基板２１とは相互に熱膨張係数が異なっており、圧電体薄膜１０の熱膨張係数（αｐ）よりも基板２１の熱膨張係数（αｓ）の方が大きくなっている（αｐ＜αｓ）。これにより、基板２１によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００６１】
すなわち、図６に示すように、形成される圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、それを支持する基板２１の熱膨張係数の大きさが異なる場合、成膜終了後、室温に戻した状態では、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。つまり、図６（ａ）に示すように、αｐ＜αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、図６（ｂ）に示すように、αｐ＞αｓ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が基板２１の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００６２】
したがって、図６（ａ）に示すように、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きくなるように調整し（αｐ＜αｓ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００６３】
圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を図７に示す。
【００６４】
図７においては、インクジェットヘッドの２００ｐｉｎ（素子）に対して、２つの電極間にＤＣ３５Ｖの電圧を印加し、圧電アクチュエータの不良品率を判定した。図示するように、１．０＜αｓ／αｐ、つまりαｐ＜αｓでは、不良品率が激減しているのが分かる。
【００６５】
なお、圧電体薄膜１０に過度の圧縮応力が発生すると、動作の安定性等の問題が発生することが考えられる。また、比誘電率や圧電特性等の電気特性も変化を起こす場合があり、特性ばらつきの原因となる。これを考慮すると、１＜αｓ／αｐ≦１．２の条件を満たすときが、適切な内部応力が得られる。
【００６６】
また、圧電体薄膜１０および基板２１の材料は前述したものに限定されるものではなく、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きければよい。
【００６７】
ここで、図８に示すように、基板２１上に中間層２３を形成し、この中間層２３の上に第１の電極３を形成してもよい。中間層２３としては、ＭｇＯ等の岩塩型結晶構造酸化物膜を適用することができる。
【００６８】
図８のように構成された圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。真空槽内に例えば、基板２１としてアルミナ基板を設定し、真空排気した後、基板２１を４００℃に加熱し、プラズマＭＯＣＶＤ法により（１００）面に結晶配向した岩塩型結晶構造のＭｇＯ膜なる中間層２３を厚み約７００ｎｍ形成した。この膜形成には、ＣＶＤ原料ガスとして２１５℃で気化させたマグネシウムアセチルアセトナートガス及びＯ_２の混合ガスを用い、ガス圧３０Ｐａ、ＲＦ電力４００Ｗの条件を用いた。
【００６９】
次に、別の真空槽内に基板２１を設置し、６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３なるＰｔ電極膜を形成した。
【００７０】
続いて、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ_２の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ_２＝１９：１）、ガス圧０．４Ｐａ、ＲＦ電力５００ＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７１】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００７２】
（実施の形態２）
本実施の形態の圧電体薄膜素子は、図５において、基板２１と、基板２１上に形成された第１の電極３と、第１の電極３上に形成された圧電体薄膜１０と、圧電体薄膜１０上に形成された第２の電極２２を備え、圧電体薄膜１０がスパッタリングにより圧縮膜に成膜されたものである。
【００７３】
すなわち、本実施の形態では、成膜後に圧電体薄膜１０が圧縮応力を有するように、スパッタリング時における圧電体薄膜１０の堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈと、高く（ｈｉ−ｒａｔｅ成膜）する。
【００７４】
堆積速度の調整は、たとえば基板温度６００℃でペロブスカイト層を形成するスパッタガス圧、スパッタガス流量、酸素分圧比（アルゴンとの混合ガスの場合）、ターゲット基板間距離、投入電力（カソードのＲＦパワー）の各条件を変化させて行うことができる。
【００７５】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【００７６】
真空槽内に、前述した材料の基板２１を設定し、真空排気した後、基板２１を６００℃まで加熱し、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、４インチのＰｔターゲットを用い、Ａｒガスをスパッタガスとして、ガス圧１Ｐａ、ＲＦ電力１００Ｗにて第１の電極３となるＰｔ電極膜を形成した。
【００７７】
次に、Ｐｔ膜よりなる第１の電極３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（ＰｂＯ２０ｍｏｌ％添加）を用い、基板温度５８０℃、ＡｒとＯ_２の混合スパッタガス（ガス比Ａｒ：Ｏ_２＝１９：１）、スパッタガス圧０．１Ｐａ〜５．０Ｐａ、好ましくは０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ、投入電力であるＲＦ電力０．２５ｋＷ〜５．０ｋＷ、好ましくは５ｋＷ〜３．０ｋＷにてＰＺＴ膜よりなる圧電体薄膜１０を形成した。
【００７８】
そして、前述のように、このときの圧電体薄膜１０の成膜速度は、堆積速度を０．８μｍ／ｈ〜１０μｍ／ｈ、好ましくは２．０μｍ〜７μｍ／ｈである。
【００７９】
その後、第２の電極２２としてＣｒ電極膜をＤＣスパッタ法により４インチのＣｒターゲットを用い、スパッタリングガスのＡｒガス０．７Ｐａの雰囲気中で１００Ｗの電力により基板加熱せずに形成した。
【００８０】
なお、本実施の形態のようにスパッタリングにより圧電体薄膜１０を圧縮膜とする場合には、基板２１としては、実施の形態１に列挙したものの他に、たとえば石英（熱膨張係数：５．６×１０^−７／Ｋ）、シリコン（熱膨張係数：２７×１０^−７／Ｋ）、７０５９ガラス（熱膨張係数：４６×１０^−７／Ｋ）などを用いることができ、熱膨張係数に対する考慮は不要である。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１に説明した材料を用いることができる。
【００８１】
このように、本実施の形態によれば、スパッタリングで成膜される強圧電体薄膜１０の成膜速度を高くして圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８２】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図である。
【００８３】
なお、圧電体薄膜素子の構造は、前述した請求項１における図５あるいは図８に示すものと同一となっている。また、第１の電極３、圧電体薄膜１０、第２の電極２２には、実施の形態１および２に説明した材料を用いることができる。
【００８４】
ここで、本実施の形態においては、圧電体薄膜１０は、圧縮応力を有するエピタキシャル膜などの配向膜となっている。そして、基板２１の面格子間隔をｄｓ、圧電体薄膜１０の面格子間隔をｄｐとしたとき、ｄｓ＜ｄｐを満たす関係となっている。具体的には、本実施の形態における圧電体薄膜１０がＰＺＴ膜の場合、ａ軸格子定数が４．０４Åであることから、基板２１の材料には、これより小さな格子定数を有するもの、たとえばＳｒＴｉＯ_３（ａ軸格子定数：３．９０５）が用いられる。
【００８５】
つまり、加熱下で基板２１上に圧電体薄膜１０をエピタキシャル成長させる場合、圧電体薄膜１０は基板２１の面格子間隔を反映して、圧縮または引っ張りの力を受ける。
【００８６】
すなわち、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きい場合は（ｄｓ＜ｄｐ）、膜の一格子単位で見た場合、基板２１からの拘束を受けていることになり、圧電体薄膜１０の内部には圧縮の内部応力が働く。
【００８７】
また、図９（ｂ）に示すように、基板２１の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜１０の面格子間隔が小さい場合は（ｄｓ＞ｄｐ）、圧電体薄膜１０の内部には引っ張りの内部応力が働く。
【００８８】
したがって、図９（ａ）に示すように、基板２１の面格子間隔より圧電体薄膜１０の面格子間隔が大きくなるようにし（ｄｓ＜ｄｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００８９】
なお、基板２１と圧電体薄膜１０の間には第１の電極３があるが、基板２１と比較して圧倒的に薄く、圧電体薄膜１０の拘束力という点からは影響が少ない。また、基板２１上に直接圧電体薄膜１０を成長させてもよい（アクチュエータにする場合、第１の電極３は基板２１を除去した後に成膜し、エピタキシャル成長を阻害しない電極もしくはバッファ層が用いられる）。圧電体薄膜１０の形成方法はスパッタリング、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等を用いることができる。
【００９０】
ここで、基板２１と第１の電極３との間に中間層２３を形成した場合（図８参照）、圧電体薄膜１０を確実に圧縮膜とするためには、中間層２３と第１の電極３との面格子間隔の方を圧電体薄膜１０の面格子間隔よりも小さくする。
【００９１】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図である。
【００９２】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤１４により接着されたものであり、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【００９３】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、接着剤１４の熱膨張係数をαｂとした場合、αｐ＜αｂの関係を満たしている。これにより、接着剤１４によって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【００９４】
すなわち、圧電体薄膜１０の熱膨張係数と、接着に用いられる接着剤１４の熱膨張係数の大きさが異なる場合、圧電体薄膜１０に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。つまり、αｐ＜αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きい場合）では、圧電体薄膜１０が圧縮膜となる。また、αｐ＞αｂ（圧電体薄膜１０の熱膨張係数の方が接着剤１４の熱膨張係数よりも大きい場合）では、圧電体薄膜１０が引っ張り膜となる。
【００９５】
したがって、図１０（ａ）に示すアクチュエータと区画壁２ａとを、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する接着剤１４を用い（αｐ＜αｂ）、接着を行う（図１０（ｂ））。区画壁２ａとアクチュエータとを接着した後は、基板２１を除去する（図１０（ｃ））。
【００９６】
なお、接着剤１４としては熱膨張係数の大きな無機材料（銀ロウや半田等の金属系材料）を用い、加熱下で接着を行う。これにより、熱膨張係数の大きい接着剤１４が接着後により縮むので、圧電体薄膜には圧縮応力が加わる。
【００９７】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０とアクチュエータを区画壁２ａに接着する接着剤１４とにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも接着剤１４の熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αｐ＜αｂ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【００９８】
（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図である。
【００９９】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室２を区画形成する区画壁２ａと接着剤を用いずに接合されたもの、つまり基板を部分的に除去して区画壁２ａとしたものである。なお、図１１に示す場合も、図１０に示す場合と同様に、第１の電極３と第２の電極２２とへの電圧印加による圧電体薄膜１０の変位を圧力室２に作用させ、圧力室２内に充填されたインクを吐出させるものである。
【０１００】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜１０の熱膨張係数をαｐ、区画壁２ａの熱膨張係数をαａとした場合、αａ＞αｐの関係を満たしている。これにより、区画壁２ａによって圧電体薄膜１０が圧縮膜となっている。
【０１０１】
具体的には、圧電体薄膜１０がたとえばＰｂ（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜（熱膨張係数：６０×１０^−７／Ｋ）である場合、区画壁２ａの材料には、たとえば８６０結晶化ガラス（熱膨張係数：１０８×１０^−７／Ｋ）や８６３結晶化ガラス（熱膨張係数：１４２×１０^−７／Ｋ）などが用られる。
【０１０２】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜１０の熱膨張係数よりも区画壁２ａの熱膨張係数の方が大きくなるように設定し（αａ＞αｐ）、圧電体薄膜１０が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【０１０３】
以上に説明した本実施の形態では、本発明の圧電体薄膜素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用した温度センサや、電気光学効果を利用した光変調デバイス、光弾性効果を利用した光アクチュエータ、ＳＡＷデバイスに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
【０１０４】
なお、以上説明した圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという有効な効果が得られる。
【０１０６】
このような圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０７】
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【０１０８】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図３】図２の要部を示す斜視図
【図４】図２のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図
【図６】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図
【図７】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図
【図１１】本発明の実施の形態５におけるアクチュエータを示す断面図
【図１２】従来の圧電体薄膜素子を示す構成の一例を示す断面図
【符号の説明】
２　圧力室
２ａ　区画壁
３　第１の電極
１０　圧電体薄膜
１４　接着剤
２１　基板
２２　第２の電極
２３　中間層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric thin-film element, and more specifically, to an actuator using a piezoelectric effect of a piezoelectric dielectric, an ink-jet head using the same, and an ink-jet recording apparatus including the ink-jet head.
[0002]
[Prior art]
Various applications of dielectrics in the electronics field include piezoelectric devices, infrared sensors, light modulation devices, memory devices, and the like. With the development of micromachining technology and the demand for miniaturization and weight reduction of various devices, various thin film devices using these dielectric materials are being put to practical use by thinning technology and fine processing technology.
[0003]
12 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a conventional piezoelectric thin film element (I. Kanno et. Al: Appl. Phys. Let. 70 (1997) p1378-1380). That is, in the piezoelectric thin film element 90 of FIG. 12, a Pt lower electrode film 92, a PZT piezoelectric thin film 93 as a first electrode, and a Pt upper electrode film 94 as a second electrode were sequentially formed on an MgO single crystal substrate 91. Configuration. (For example, see Non-Patent Document 1.) For example, by processing an electrode film, a piezoelectric film, or a substrate, the present invention is applied to an actuator, a pressure sensor, an acceleration sensor, and the like.
[0004]
Normally, a thin film of a material has characteristics inherent to the thin film. This factor is largely due to the difference from the bulk of the forming process and the influence of the substrate supporting the thin film. For example, crystal parameters such as the crystal plane and lattice constant of the piezoelectric thin film are greatly affected by the substrate. PbTiO as ferroelectric ₃ It is reported that the (001) plane is oriented on a (100) plane MgO single crystal substrate and the (111) plane is oriented on a c-plane sapphire substrate. This is because it is greatly affected by the crystal plane of the substrate. In the case of a single crystal substrate, if the substrate and the piezoelectric film have a large difference in lattice constant, the crystal plane to be oriented is also affected. In addition, regardless of the type of the substrate such as oxide single crystal, metal, glass, etc., the difference in the thermal expansion coefficient of the substrate changes the internal stress of the piezoelectric film to be manufactured, thereby changing the lattice constant of the piezoelectric film. Changes its crystal parameters.
[0005]
Changes in the crystal parameters of such a piezoelectric thin film cause the film to have its electrical characteristics (relative permittivity, coercive electric field, spontaneous polarization, piezoelectric constant, pyroelectric coefficient, etc.) and optical characteristics (refractive index, electro-optic coefficient, etc.). The characteristics change greatly.
[0006]
[Non-patent document 1]
I. Kanno et. al: Appl. Phys. Let. 70 (1997) p1378-1380
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Here, the piezoelectric thin-film element 90 requires a crystallization process at about 400 ° C. to 700 ° C. in forming the thin film. Therefore, in the process of cooling to room temperature, a tensile or compressive internal stress is generated in the piezoelectric thin film 93 due to a difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film 93 and the substrate 91 supporting the same.
[0008]
If the piezoelectric thin film 93 has a tensile internal stress, that is, if the piezoelectric thin film 93 is subjected to a tensile force at a grain boundary or the like of the film, the piezoelectric thin film 93 is always subjected to a stress to be peeled. Then, the mechanical strength is reduced and becomes weak against the bending when the voltage is applied, so that cracks are generated in the piezoelectric thin film 93 or the film is broken.
[0009]
That is, in the film destruction due to the presence of a partial defect or foreign matter at the time of film formation, spot-shaped destruction is mainly performed, but in the case of destruction caused by internal stress of the film, destruction such as cracks occurs. In the case of spot-shaped destruction, partial destruction is sufficient and the entire film often functions, but in the case of destruction such as cracking, the entire film is destroyed and serious damage is likely to occur.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique capable of preventing cracks and film breakage of a piezoelectric thin film.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, a piezoelectric thin film element according to the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element having a second electrode formed on a body thin film, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have mutually different thermal expansion coefficients, and the piezoelectric thin film is a compression film depending on the substrate. It is.
[0012]
Further, the piezoelectric thin film element of the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed by sputtering on the first electrode, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element including a second electrode, wherein the piezoelectric thin film is a compression film.
[0013]
Further, the piezoelectric thin film element of the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. Wherein the piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress.
[0014]
Further, the actuator according to the present invention is an actuator having a piezoelectric thin film that is bonded to a partition wall that defines the pressure chamber with an adhesive and that causes a displacement caused by voltage application to act on the pressure chamber, wherein the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric thin film is Is αp and the thermal expansion coefficient of the adhesive is αb, the relationship αp <αb is satisfied.
[0015]
The actuator of the present invention is an actuator that has a piezoelectric thin film that is joined to a partition wall that forms a pressure chamber and that causes a displacement due to voltage application to act on the pressure chamber. The actuator has a coefficient of thermal expansion αp, Assuming that the thermal expansion coefficient of the partition wall is αa, the relationship of αa> αp is satisfied.
[0016]
According to this, the piezoelectric thin film becomes a compressed film having a compressive stress and can maintain mechanical strength, so that cracks and film breakage due to tensile stress can be prevented.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention according to claim 1 of the present invention is directed to a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element provided with a second electrode, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have different coefficients of thermal expansion from each other, and the piezoelectric thin film is a compression film depending on the substrate. Since the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the piezoelectric thin film has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0018]
The invention according to claim 2 of the present invention includes a substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, and a substrate formed on the first electrode by heating the substrate. A piezoelectric thin film element comprising a piezoelectric thin film and a second electrode formed on the piezoelectric thin film, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have different thermal expansion coefficients, and the piezoelectric thin film is compressed by the substrate. Since the piezoelectric thin film element is a film and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, it has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, assuming that the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film is αp and the thermal expansion coefficient of the substrate is αs, the piezoelectric material satisfies the relationship αp <αs. Since the piezoelectric thin film is a compressive film having compressive stress, the piezoelectric thin film has a function of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film is αp and the thermal expansion coefficient of the substrate is αs, 1 <αs / αp ≦ 1 Since the piezoelectric thin film element satisfies the relationship of .2, and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, it has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress. Note that when αs / αp ≦ 1, tensile stress occurs, and when αs / αp> 1.2, the electrical characteristics and optical characteristics of the piezoelectric body may change, resulting in a change in performance.
[0021]
The invention according to claim 5 of the present invention is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the piezoelectric thin film is 0.2 to 10 μm, and the thickness of the substrate is 0.15 to Since the piezoelectric thin film element has a thickness of 1.5 mm and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the piezoelectric thin film has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0022]
The invention according to claim 6 of the present invention is directed to a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by sputtering, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element having a second electrode, wherein the piezoelectric thin film is a compressed thin film which is a compressed film, and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, so that the mechanical strength is maintained. This has the effect of preventing cracks and film destruction due to tensile stress.
[0023]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention of the sixth aspect, during sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 0.8 μm / h to 10 μm / h, and the sputtering pressure is 0.1 Pa to 5. This is a piezoelectric thin film element with 0 Pa and input power of 0.25 kW to 5.0 kW. Since the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented. It has the effect of being prevented.
[0024]
The invention according to claim 8 of the present invention is the invention according to claim 6, wherein, during sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 2.0 μm to 7 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 2.0 Pa, This is a piezoelectric thin film element with an input power of 0.5 kW to 3.0 kW. Since the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented. In particular, in the above range, there is an effect that a compressive stress is easily applied during film formation.
[0025]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element provided with a second electrode, wherein the piezoelectric thin film is a piezoelectric thin film element which is an alignment film having a compressive stress, and the piezoelectric thin film is a compressive film having a compressive stress. This has the effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0026]
According to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect, a substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, and A piezoelectric thin film element comprising a piezoelectric thin film formed by heating a substrate and a second electrode formed on the piezoelectric thin film, wherein the piezoelectric thin film is an alignment thin film having a compressive stress. Since it is an element and the piezoelectric thin film is a compression film having compressive stress, it has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0027]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the ninth or tenth aspect, the piezoelectric thin film is a piezoelectric thin film element that is an epitaxial film, and the piezoelectric thin film is a compression film having a compressive stress. This has the effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0028]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the ninth to eleventh aspects, when the plane lattice spacing of the substrate is ds and the plane lattice spacing of the piezoelectric thin film is dp, ds Since the piezoelectric thin film element satisfies the relation <dp, and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, it has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0029]
The invention according to claim 13 of the present invention is the invention according to any one of claims 10 to 12, wherein the surface lattice spacing between the intermediate layer and the first electrode is greater than the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film. Since the piezoelectric thin film element is smaller than the piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, it has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0030]
The invention according to claim 14 of the present invention is directed to a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by sputtering, and a piezoelectric thin film formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element provided with the second electrode, wherein the piezoelectric thin film is an alignment film or an epitaxial film, and has an effect of preventing cracks and film destruction.
[0031]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the invention of the fourteenth aspect, at the time of sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 0.8 μm / h to 10 μm / h, and the sputtering pressure is 0.1 Pa to 5 μm. It is a piezoelectric thin film element having a power of 0.2 Pa and an input power of 0.25 kW to 5.0 kW, and has an effect of preventing cracks and film destruction.
[0032]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the invention of the fourteenth aspect, at the time of sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 2.0 μm to 7 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 2.0 Pa, This is a piezoelectric thin-film element having an input power of 0.5 kW to 3.0 kW, and has an effect of preventing cracks and film destruction.
[0033]
A seventeenth aspect of the present invention is the piezoelectric thin film element according to any one of the first to sixteenth aspects, wherein the piezoelectric thin film has a perovskite structure containing Pb, Zr, and Ti. Since the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the piezoelectric thin film has an effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0034]
The invention according to claim 18 of the present invention is an actuator using the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 17, and can perform a stable displacement operation. Has an action.
[0035]
According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided an actuator having a piezoelectric thin film that is bonded to a partition wall that defines a pressure chamber by an adhesive and that applies a displacement caused by voltage application to the pressure chamber. Assuming that the thermal expansion coefficient is αp and the thermal expansion coefficient of the adhesive is αb, the actuator satisfies the relationship αp <αb, and since the piezoelectric thin film is a compression film having a compressive stress, the mechanical strength is maintained. It has the effect of preventing cracks and film destruction due to tensile stress.
[0036]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the nineteenth aspect, the adhesive is an actuator made of an inorganic material and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, so that the mechanical strength is maintained. This has the effect of preventing cracks and film destruction due to tensile stress.
[0037]
The invention according to claim 21 of the present invention is the actuator according to claim 19 or 20, wherein the actuator performs adhesion of the adhesive to the partition wall under heating, and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress. Therefore, it has the effect of maintaining the mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress.
[0038]
According to a twenty-second aspect of the present invention, there is provided an actuator having a piezoelectric thin film that is joined to a partition wall that forms a pressure chamber and applies displacement caused by voltage application to the pressure chamber, wherein the thermal expansion of the piezoelectric thin film is performed. When the coefficient is αp and the thermal expansion coefficient of the partition wall is αa, the actuator satisfies the relationship αa> αp. Since the piezoelectric thin film is a compression film having a compression stress, the mechanical strength is maintained, and It has the effect of preventing cracks and film destruction.
[0039]
According to a twenty-third aspect of the present invention, there is provided an ink-jet head including the actuator according to the eighteenth to twenty-second aspects, and a plurality of pressure chambers in which the ink liquid is contained and the actuator is displaced. This has the effect of enabling ejection.
[0040]
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, there is provided an ink-jet recording apparatus provided with the ink-jet head according to the twenty-third aspect, which has an effect that high-quality printing can be performed by stable ink ejection.
[0041]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0042]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing an overall schematic configuration of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an overall constitution of an ink jet head in the ink jet recording apparatus of FIG. 3 is a perspective view showing a main part of FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of an actuator section of the ink jet head of FIG. 2, and FIG. 5 is a piezoelectric thin film element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 6 is an explanatory view showing an internal stress of the piezoelectric thin film due to a difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate, and FIG. 7 is a view due to a difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate. FIG. 8 is a graph showing a defective product rate of the piezoelectric actuator, and FIG. 8 is a sectional view showing another example of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment of the present invention.
[0043]
An ink jet recording apparatus 40 shown in FIG. 1 includes an ink jet head 41 of the present invention that performs recording using the piezoelectric effect of a piezoelectric thin film element, and ink droplets ejected from the ink jet head 41 are recorded on a recording medium 42 such as paper. And recording on the recording medium 42. The inkjet head 41 is mounted on a carriage 44 provided on a carriage shaft 43 arranged in the main scanning direction X, and reciprocates in the main scanning direction X as the carriage 44 reciprocates along the carriage shaft 43. Move. Further, the ink jet recording apparatus 40 includes a plurality of rollers (moving means) 45 for moving the recording medium 42 in the sub scanning direction Y substantially perpendicular to the width direction of the ink jet head 41 (that is, the main scanning direction X). .
[0044]
FIG. 2 shows the overall configuration of the ink jet head 41 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the configuration of a main part thereof.
[0045]
In FIG. 2 and FIG. 3, A is a pressure chamber component, and the pressure chamber opening 1 is formed. B is an actuator portion arranged so as to cover the upper end opening surface of the pressure chamber opening 1, and C is an ink liquid flow path component arranged so as to cover the lower end opening surface of the pressure chamber opening 1. The pressure chamber opening 1 of the pressure chamber component A is divided into an actuator portion B and an ink liquid flow channel component C located above and below the pressure chamber opening 1 to form a pressure chamber 2. In the actuator section B, a first electrode 3 which is an individual electrode located above the pressure chamber 2 is arranged. These pressure chambers 2 and the first electrodes 3 are arranged in a zigzag as shown in FIG. The ink liquid flow path component C includes a common liquid chamber 5 shared between the pressure chambers 2 arranged in the ink liquid supply direction, a supply port 6 communicating the common liquid chamber 5 with the pressure chamber 2, An ink flow path 7 through which the ink liquid flows out is formed. D is a nozzle plate in which a nozzle hole 8 communicating with the ink flow path 7 is formed. In FIG. 2, E denotes an IC chip, which supplies a voltage to many first electrodes 3 via bonding wires (BW).
[0046]
Next, the configuration of the actuator section B will be described with reference to FIG.
[0047]
2, the actuator section B is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the ink liquid supply direction shown in FIG. In the figure, a pressure chamber component A having four pressure chambers 2 arranged in an orthogonal direction is illustrated for reference.
[0048]
The actuator portion B is displaced and vibrated by the first electrode 3 located above each pressure chamber 2, the piezoelectric thin film 10 located immediately below the first electrode 3, and the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 10. And a common electrode 11. The diaphragm / common electrode 11 is formed of a conductive material, and also serves as a second electrode that is a common electrode common to the pressure chambers 2. Further, the actuator section B has a vertical wall 13 located above a partition wall 2a that partitions each pressure chamber 2 from each other. In the figure, reference numeral 14 denotes an adhesive for bonding the pressure chamber component A and the actuator B. Each vertical wall 13 does not adhere to the diaphragm / common electrode 11 even when a part of the adhesive 14 protrudes outside the partition wall 2a at the time of bonding using the adhesive 14. In addition, it has a role of increasing the distance between the upper surface of the pressure chamber 2 and the lower surface of the diaphragm / common electrode 11 so that the diaphragm / common electrode 11 causes the expected displacement and vibration.
[0049]
The first electrode 3, the piezoelectric thin film 10, and the diaphragm / common electrode 11 constitute a piezoelectric thin film element. Although the diaphragm and the common electrode (second electrode) are used here as well, they may be separate bodies. In FIG. 5 and subsequent figures, the diaphragm and the common electrode, which is the second electrode, are shown separately from each other.
[0050]
The first electrode 3 is formed of, for example, Pt (platinum), and the diaphragm / common electrode 11 is formed of, for example, Pt (platinum), Cr (chromium), Cu (copper), Mo (molybdenum), or Ta (tantalum). I have.
[0051]
The structure described above is common to the following embodiments. Therefore, duplicate description in each embodiment will be omitted.
[0052]
The piezoelectric thin film element 16 shown in FIG. 5 has a substrate 21, a Pt electrode film, for example, as the first electrode 3 disposed on the substrate 21, a piezoelectric thin film 10 disposed thereon, and a piezoelectric thin film 10 disposed thereon. For example, a Cr electrode film is disposed as the second electrode 22.
[0053]
Here, the material of the substrate 21 is, for example, alumina (thermal expansion coefficient: 68 × 10 ^-7 / K), 860 crystallized glass (coefficient of thermal expansion: 108 × 10 ^-7 / K), 863 crystallized glass (thermal expansion coefficient: 142 × 10 ^-7 / K), SUS304 (Coefficient of thermal expansion: 173 × 10 ^-7 / K), magnesium oxide (coefficient of thermal expansion: 120 × 10 ^-7 / K) can be used.
[0054]
The piezoelectric thin film 10 is a PZT film having a perovskite structure containing Pb, Zr, and Ti, for example, Pb (Zr _0.53 Ti _0.47 ) O ₃ PZT film having the following composition (thermal expansion coefficient: 60 × 10 ^-7 / K) is used. The PZT film has such a property that the coefficient of thermal expansion is small and the stress can be easily controlled, and that the orientation (epitaxial growth) is easy and the composition can be easily controlled.
[0055]
The thickness of the piezoelectric thin film 10 is 0.2 to 10 μm, and the thickness of the substrate 21 is 0.15 to 1.5 mm. However, the film thickness is not limited to this numerical value.
[0056]
A method for forming the above piezoelectric thin film element will be described. The method for forming the piezoelectric thin film element is not limited to the following description.
[0057]
After setting the substrate 21 of the above-described material in a vacuum chamber and evacuating the substrate, the substrate 21 is heated to 600 ° C., and a 4-inch Pt target is used by RF magnetron sputtering, and Ar gas is used as a sputtering gas. A Pt electrode film serving as the first electrode 3 was formed at a gas pressure of 1 Pa and an RF power of 100 W.
[0058]
Next, a 6-inch PZT sintered target (PbO 20 mol% added) was used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, and the substrate temperature was 580 ° C., and Ar and O 2 were used. ₂ Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O ₂ = 19: 1), a gas pressure of 0.4 Pa and an RF power of 500 W to form a piezoelectric thin film 10 made of a PZT film.
[0059]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target in an atmosphere of 0.7 Pa of Ar gas as a sputtering gas without heating the substrate with 100 W of electric power.
[0060]
Here, as described above, the thermal expansion coefficients of the piezoelectric thin film 10 and the substrate 21 are different from each other, and the thermal expansion coefficient (αs) of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient (αp) of the piezoelectric thin film 10. Is larger (αp <αs). As a result, the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film by the substrate 21.
[0061]
That is, as shown in FIG. 6, when the coefficient of thermal expansion of the formed piezoelectric thin film 10 is different from the coefficient of thermal expansion of the substrate 21 supporting the same, when the film is returned to room temperature after the film formation is completed. Compressive or tensile stress acts on the piezoelectric thin film 10. That is, as shown in FIG. 6A, when αp <αs (when the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10), the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film. As shown in FIG. 6B, when αp> αs (when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate 21), the piezoelectric thin film 10 becomes a tensile film.
[0062]
Therefore, as shown in FIG. 6A, the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is adjusted to be larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 (αp <αs). , The mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0063]
FIG. 7 shows the defective product rate of the piezoelectric actuator due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate.
[0064]
In FIG. 7, a voltage of 35 V DC was applied between two electrodes to 200 pins (elements) of the inkjet head, and the defective product rate of the piezoelectric actuator was determined. As shown in the figure, it can be seen that when 1.0 <αs / αp, that is, when αp <αs, the defective product rate is drastically reduced.
[0065]
When excessive compressive stress is generated in the piezoelectric thin film 10, problems such as operational stability may occur. In addition, electric characteristics such as relative permittivity and piezoelectric characteristics may change, which causes characteristic variations. In consideration of this, when the condition of 1 <αs / αp ≦ 1.2 is satisfied, an appropriate internal stress is obtained.
[0066]
Further, the materials of the piezoelectric thin film 10 and the substrate 21 are not limited to those described above, and it is sufficient that the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is larger than that of the piezoelectric thin film 10.
[0067]
Here, as shown in FIG. 8, an intermediate layer 23 may be formed on the substrate 21, and the first electrode 3 may be formed on the intermediate layer 23. As the intermediate layer 23, a rock salt type crystal structure oxide film such as MgO can be used.
[0068]
A method for forming the piezoelectric thin film element configured as shown in FIG. 8 will be described. For example, an alumina substrate is set as the substrate 21 in a vacuum chamber, and after evacuation, the substrate 21 is heated to 400 ° C., and an intermediate MgO film of a rock salt type crystal structure crystal-oriented to the (100) plane by a plasma MOCVD method. The layer 23 was formed to a thickness of about 700 nm. For this film formation, magnesium acetylacetonate gas vaporized at 215 ° C. as a CVD raw material gas and O ₂ Under the conditions of a gas pressure of 30 Pa and an RF power of 400 W.
[0069]
Next, the substrate 21 is placed in another vacuum chamber, heated to 600 ° C., and a RF pressure of 1 Pa and RF power of 100 W are applied by RF magnetron sputtering using a 4-inch Pt target with Ar gas as a sputtering gas. Thus, a Pt electrode film serving as the first electrode 3 was formed.
[0070]
Subsequently, a 6-inch PZT sintered target (PbO 20 mol% addition) was used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, at a substrate temperature of 580 ° C., and Ar and O 2. ₂ Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O ₂ = 19: 1), a gas pressure of 0.4 Pa and an RF power of 500 W to form a piezoelectric thin film 10 made of a PZT film.
[0071]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target in an atmosphere of 0.7 Pa of Ar gas as a sputtering gas without heating the substrate with 100 W of electric power.
[0072]
(Embodiment 2)
In FIG. 5, the piezoelectric thin film element of the present embodiment includes a substrate 21, a first electrode 3 formed on the substrate 21, a piezoelectric thin film 10 formed on the first electrode 3, The piezoelectric thin film 10 includes a second electrode 22 formed on the body thin film 10, and the piezoelectric thin film 10 is formed on a compression film by sputtering.
[0073]
That is, in the present embodiment, the deposition rate of the piezoelectric thin film 10 during sputtering is set to 0.8 μm / h to 10 μm / h, preferably 2.0 μm to 10 μm so that the piezoelectric thin film 10 has a compressive stress after film formation. High (hi-rate film formation) of 7 μm / h.
[0074]
The deposition rate is adjusted by, for example, a sputtering gas pressure for forming a perovskite layer at a substrate temperature of 600 ° C., a sputtering gas flow rate, an oxygen partial pressure ratio (in the case of a mixed gas with argon), a distance between target substrates, and an input power (RF power of a cathode). ) Can be performed by changing each condition.
[0075]
A method for forming the above piezoelectric thin film element will be described. The method for forming the piezoelectric thin film element is not limited to the following description.
[0076]
After setting the substrate 21 of the above-described material in a vacuum chamber and evacuating the substrate, the substrate 21 is heated to 600 ° C., and a 4-inch Pt target is used by RF magnetron sputtering, and Ar gas is used as a sputtering gas. A Pt electrode film serving as the first electrode 3 was formed at a gas pressure of 1 Pa and an RF power of 100 W.
[0077]
Next, a 6-inch PZT sintered target (PbO 20 mol% added) was used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, and the substrate temperature was 580 ° C., and Ar and O 2 were used. ₂ Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O ₂ = 19: 1), at a sputtering gas pressure of 0.1 Pa to 5.0 Pa, preferably 0.1 Pa to 2.0 Pa, and an input power of RF power 0.25 kW to 5.0 kW, preferably 5 kW to 3.0 kW. A piezoelectric thin film 10 made of a PZT film was formed.
[0078]
As described above, the deposition rate of the piezoelectric thin film 10 at this time is 0.8 μm / h to 10 μm / h, preferably 2.0 μm to 7 μm / h.
[0079]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target in an atmosphere of 0.7 Pa of Ar gas as a sputtering gas without heating the substrate with 100 W of electric power.
[0080]
In the case where the piezoelectric thin film 10 is formed into a compression film by sputtering as in the present embodiment, the substrate 21 may be, for example, quartz (thermal expansion coefficient: 5.6) in addition to those listed in the first embodiment. × 10 ^-7 / K), silicon (thermal expansion coefficient: 27 × 10) ^-7 / K), 7059 glass (coefficient of thermal expansion: 46 × 10 ^-7 / K) can be used, and it is not necessary to consider the thermal expansion coefficient. For the first electrode 3, the piezoelectric thin film 10, and the second electrode 22, the materials described in Embodiment 1 can be used.
[0081]
As described above, according to the present embodiment, the film thickness of the strong piezoelectric thin film 10 formed by sputtering is increased to form the piezoelectric thin film 10 as a compressed film having a compressive stress. It is held and cracks and film destruction due to tensile stress are prevented.
[0082]
(Embodiment 3)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the lattice spacing between the substrate of the piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film according to Embodiment 3 of the present invention.
[0083]
The structure of the piezoelectric thin film element is the same as that shown in FIG. The materials described in Embodiments 1 and 2 can be used for the first electrode 3, the piezoelectric thin film 10, and the second electrode 22.
[0084]
Here, in the present embodiment, the piezoelectric thin film 10 is an alignment film such as an epitaxial film having a compressive stress. When the surface lattice spacing of the substrate 21 is ds and the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 is dp, the relationship satisfies ds <dp. Specifically, when the piezoelectric thin film 10 in the present embodiment is a PZT film, the a-axis lattice constant is 4.04 °, and therefore, the material of the substrate 21 has a smaller lattice constant, for example, SrTiO ₃ (A-axis lattice constant: 3.905) is used.
[0085]
That is, when the piezoelectric thin film 10 is epitaxially grown on the substrate 21 under heating, the piezoelectric thin film 10 receives a compressive or tensile force reflecting the lattice spacing of the substrate 21.
[0086]
That is, as shown in FIG. 9A, when the lattice spacing of the epitaxially grown piezoelectric thin film 10 is larger than the lattice spacing of the substrate 21 (ds <dp), when viewed in one lattice unit of the film, Since the piezoelectric thin film 10 is constrained by the substrate 21, a compressive internal stress acts on the inside of the piezoelectric thin film 10.
[0087]
Further, as shown in FIG. 9B, when the plane lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 epitaxially grown is smaller than the plane lattice spacing of the substrate 21 (ds> dp), the inside of the piezoelectric thin film 10 has a tensile force. Internal stress works.
[0088]
Therefore, as shown in FIG. 9A, the plane lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 is set to be larger than the plane lattice spacing of the substrate 21 (ds <dp). By doing so, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0089]
Although the first electrode 3 is provided between the substrate 21 and the piezoelectric thin film 10, the first electrode 3 is overwhelmingly thinner than the substrate 21, and has little effect on the restraining force of the piezoelectric thin film 10. In addition, the piezoelectric thin film 10 may be grown directly on the substrate 21 (in the case of an actuator, the first electrode 3 is formed after the substrate 21 is removed, and an electrode or a buffer layer that does not hinder epitaxial growth is used. ). As a method for forming the piezoelectric thin film 10, sputtering, a sol-gel method, a CVD method, or the like can be used.
[0090]
Here, when the intermediate layer 23 is formed between the substrate 21 and the first electrode 3 (see FIG. 8), in order to ensure that the piezoelectric thin film 10 is a compressed film, the intermediate layer 23 and the first The distance between the surface lattice of the piezoelectric thin film 10 and the surface lattice of the electrode 3 is set smaller.
[0091]
(Embodiment 4)
FIG. 10 is an explanatory diagram continuously showing a state in which the actuator according to Embodiment 4 of the present invention is adhered to the partition wall.
[0092]
The actuator according to the present embodiment is a piezoelectric thin film formed by applying a voltage to the first electrode 3 and the second electrode 22 by adhering a partition wall 2 a that forms the pressure chamber 2 to the partition wall 2 a with an adhesive 14. The displacement of 10 acts on the pressure chamber 2 to discharge the ink filled in the pressure chamber 2.
[0093]
In such an actuator, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is αp and the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 is αb, the relationship αp <αb is satisfied. Thus, the piezoelectric thin film 10 becomes a compressed film by the adhesive 14.
[0094]
That is, when the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric thin film 10 is different from that of the adhesive 14 used for bonding, a compressive or tensile stress acts on the piezoelectric thin film 10. That is, when αp <αb (when the coefficient of thermal expansion of the adhesive 14 is larger than the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric thin film 10), the piezoelectric thin film 10 becomes a compressed film. When αp> αb (when the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric thin film 10 is larger than the coefficient of thermal expansion of the adhesive 14), the piezoelectric thin film 10 becomes a tensile film.
[0095]
Therefore, the actuator shown in FIG. 10A and the partition wall 2a are bonded to each other by using the adhesive 14 having a thermal expansion coefficient larger than that of the piezoelectric thin film 10 (αp <αb) (FIG. 10). (B)). After bonding the partition wall 2a and the actuator, the substrate 21 is removed (FIG. 10C).
[0096]
As the adhesive 14, an inorganic material having a large coefficient of thermal expansion (metal material such as silver brazing or solder) is used, and the bonding is performed under heating. As a result, the adhesive 14 having a large coefficient of thermal expansion shrinks after bonding, so that a compressive stress is applied to the piezoelectric thin film.
[0097]
As described above, the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 in the piezoelectric thin film 10 constituting the actuator and the adhesive 14 for bonding the actuator to the partition wall 2a. (Αp <αb), and since the piezoelectric thin film 10 is a compressed film having a compressive stress, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0098]
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a sectional view showing an actuator according to Embodiment 5 of the present invention.
[0099]
The actuator according to the present embodiment has a structure in which the partition wall 2a that forms the pressure chamber 2 is joined without using an adhesive, that is, the substrate is partially removed to form the partition wall 2a. In the case shown in FIG. 11, similarly to the case shown in FIG. 10, the displacement of the piezoelectric thin film 10 due to the application of a voltage to the first electrode 3 and the second electrode 22 acts on the pressure chamber 2, This is to discharge the ink filled in the chamber 2.
[0100]
In such an actuator, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is αp and the thermal expansion coefficient of the partition wall 2a is αa, the relationship αa> αp is satisfied. Thus, the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film by the partition wall 2a.
[0101]
Specifically, the piezoelectric thin film 10 is made of, for example, Pb (Zr _0.53 Ti _0.47 ) O ₃ PZT film having the following composition (thermal expansion coefficient: 60 × 10 ^-7 / K), the material of the partition wall 2a is, for example, 860 crystallized glass (coefficient of thermal expansion: 108 × 10 ^-7 / K) or 863 crystallized glass (coefficient of thermal expansion: 142 × 10 ^-7 / K).
[0102]
Thus, the thermal expansion coefficient of the partition wall 2a is set to be larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 constituting the actuator (αa> αp), and the piezoelectric thin film 10 has a compression having a compressive stress. Since the film is used, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0103]
In the present embodiment described above, the case where the piezoelectric thin film element of the present invention is applied to an actuator used for ink ejection of an ink jet recording apparatus has been described. However, a temperature sensor utilizing the pyroelectricity, The present invention can be applied to various other uses such as a light modulation device using an optical effect, an optical actuator using a photoelastic effect, and a SAW device.
[0104]
According to the actuator using the piezoelectric thin film element described above, a stable displacement operation can be performed. According to the inkjet head using such an actuator, stable ink ejection can be performed. Will be possible. According to the ink jet recording apparatus having such an ink jet head, high quality printing can be performed by stable ink ejection.
[0105]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, an effective effect of maintaining mechanical strength and preventing cracks and film breakage due to tensile stress can be obtained. .
[0106]
According to the actuator using such a piezoelectric thin film element, an effective effect that a stable displacement operation can be performed can be obtained.
[0107]
According to the ink jet head using such an actuator, an effective effect that stable ink ejection can be performed can be obtained.
[0108]
According to the ink jet recording apparatus having such an ink jet head, an effective effect that high quality printing can be performed by stable ink ejection can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an overall schematic configuration of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an overall configuration of an inkjet head in the inkjet recording apparatus of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a main part of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an actuator section of the inkjet head of FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view showing an example of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing internal stress of a piezoelectric thin film due to a difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and a substrate.
FIG. 7 is a graph showing a defective product rate of a piezoelectric actuator due to a difference in thermal expansion coefficient between a piezoelectric thin film and a substrate.
FIG. 8 is a sectional view showing another example of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a lattice spacing between a substrate and a piezoelectric thin film of a piezoelectric thin film element according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view continuously showing a state in which an actuator according to Embodiment 4 of the present invention is bonded to a partition wall.
FIG. 11 is a sectional view showing an actuator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a configuration showing a conventional piezoelectric thin film element.
[Explanation of symbols]
2 pressure chamber
2a Partition wall
3 First electrode
10 Piezoelectric thin film
14 Adhesive
21 Substrate
22 Second electrode
23 Middle class

Claims

A substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element,
The piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have different coefficients of thermal expansion, and the piezoelectric thin film is a compression film by the substrate.

A substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and the piezoelectric thin film A piezoelectric thin-film element including a second electrode formed thereon,
The piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have different coefficients of thermal expansion, and the piezoelectric thin film is a compression film by the substrate.

The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein a relationship αp <αs is satisfied, where αp is a thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film and αs is a thermal expansion coefficient of the substrate.

3. The piezoelectric body according to claim 1, wherein a relationship of 1 <αs / αp ≦ 1.2 is satisfied, where αp is a thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film and αs is a thermal expansion coefficient of the substrate. Thin film element.

The piezoelectric thin film according to claim 1, wherein the thickness of the piezoelectric thin film is 0.2 to 10 μm, and the thickness of the substrate is 0.15 to 1.5 mm. element.

A piezoelectric element comprising: a substrate; a first electrode formed on the substrate; a piezoelectric thin film formed on the first electrode by sputtering; and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. A body thin film element,
The piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric thin film is a compression film.

At the time of sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 0.8 μm / h to 10 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 5.0 Pa, and the input power is 0.25 kW to 5.0 kW. The piezoelectric thin film element according to claim 6, wherein

The sputtering speed of the piezoelectric thin film is 2.0 μm to 7 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 2.0 Pa, and the input power is 0.5 kW to 3.0 kW during sputtering. 7. The piezoelectric thin film element according to 6.

A substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element,
The piezoelectric thin film element is characterized in that the piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress.

A substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate. A piezoelectric thin-film element comprising a second electrode formed on
The piezoelectric thin film element is characterized in that the piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress.

11. The piezoelectric thin film element according to claim 9, wherein the piezoelectric thin film is an epitaxial film.

The piezoelectric body according to claim 9, wherein ds <dp is satisfied, where ds is the plane lattice spacing of the substrate and dp is the plane lattice spacing of the piezoelectric thin film. Thin film element.

The piezoelectric thin film element according to claim 10, wherein a plane lattice distance between the intermediate layer and the first electrode is smaller than a plane lattice distance of the piezoelectric thin film. .

A piezoelectric element comprising: a substrate; a first electrode formed on the substrate; a piezoelectric thin film formed on the first electrode by sputtering; and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. A body thin film element,
The piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric thin film is an alignment film or an epitaxial film.

At the time of sputtering, the deposition rate of the piezoelectric thin film is 0.8 μm / h to 10 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 5.0 Pa, and the input power is 0.25 kW to 5.0 kW. The piezoelectric thin film element according to claim 14, wherein

The sputtering speed of the piezoelectric thin film is 2.0 μm to 7 μm / h, the sputtering pressure is 0.1 Pa to 2.0 Pa, and the input power is 0.5 kW to 3.0 kW during sputtering. 15. The piezoelectric thin film element according to 14.

The piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 16, wherein the piezoelectric thin film has a perovskite structure containing Pb, Zr, and Ti.

An actuator using the piezoelectric thin-film element according to any one of claims 1 to 17.

An actuator having a piezoelectric thin film that is bonded to a partition wall that partitions the pressure chamber by an adhesive and causes a displacement due to voltage application to act on the pressure chamber,
An actuator satisfies the relationship of αp <αb, where αp is the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film and αb is the thermal expansion coefficient of the adhesive.

The actuator according to claim 19, wherein the adhesive is made of an inorganic material.

21. The actuator according to claim 19, wherein the bonding with the partition wall by the adhesive is performed under heating.

An actuator having a piezoelectric thin film that is joined to a partition wall that forms a pressure chamber and causes a displacement caused by voltage application to act on the pressure chamber,
The actuator satisfies the relationship αa> αp, where αp is the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film and αa is the thermal expansion coefficient of the partition wall.

An actuator according to any one of claims 18 to 22,
An ink jet head, comprising: a plurality of pressure chambers in which an ink liquid is accommodated and in which the displacement of the actuator acts.

An ink jet recording apparatus comprising the ink jet head according to claim 23.