JP2008078407A - アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板の一方面側に設けられた下電極と該下電極上に設けられた圧電体層と該圧電体層上に設けられた上電極とからなる圧電素子を有し、前記下電極が貴金属からなる電極材料を含有し、前記下電極が前記貴金属からなる電極材料と該電極材料よりも密度が低くヤング率が高い密度弾性調整材料との合金からなる密度弾性調整層を有する。
【選択図】図9
Description
かかる第1の態様では、電極材料よりも密度が低くヤング率が高い密度弾性調整材料との合金からなる密度弾性調整層を有するため、電極材料のみからなる下電極を有するアクチュエータ装置よりも、振動の応答性及び耐久性が確実に向上する。
かかる第2の態様では、電極材料をPtとして、振動の応答性及び耐久性が確実に向上したアクチュエータ装置を提供できる。
かかる第3の態様では、Ptが柱状結晶であり、一部の柱状結晶は密度弾性調整層の厚さ方向に亘って位置し、Ptが密度弾性調整層の上層及び下層を繋いでいるため、電気の導通を妨げず、変位が良好なアクチュエータ装置となる。また、密度弾性調整層の厚みより低い高さの柱状結晶が密度弾性調整層の基板側に位置するため、密度弾性調整層の圧電体層側のPt量が少なくなり、下電極の剛性が高くなって振動板の耐久性がより良好になる。
かかる第4の態様では、密度弾性調整層の圧電体層側のTiOX量が多いので、下電極の剛性が高くなり、下電極の耐久性がより良好になる。
かかる第5の態様では、Pt−Ti層と、TiOXとPtとの合金からなる密度弾性調整層と、Pt層と、Ir層を積層した構成の下電極を有し、振動板の応答性及び耐久性に優れたアクチュエータ装置となる。
かかる第6の態様では、電極材料をRu又はIrとして、振動の応答性及び耐久性が確実に向上したアクチュエータ装置を提供できる。
かかる第7の態様では、圧電体層側のヤング率が高いため、下電極の剛性が高くなり、耐久性がより良好になる。
かかる第8の態様では、密度が高く重い元素であるPbを含有しないため、振動の応答性が良好なアクチュエータ装置となる。また、Pbを含有する電気絶縁層も有さないため、下電極の導電性も良好である。
かかる第9の態様では、下電極と上記各層が振動板を構成し、振動の応答性に優れたアクチュエータ装置となる。
かかる第10の態様では、ZrO2層は平均結晶粒径20〜100nmの柱状結晶で(−111)面が優先配向していると、基板と下電極の間にあるZrO2層の表面が平滑となり、品質が良好で基板及び下電極との密着性も良好なため、変位が大きくても下電極等から剥離することなく耐久性に優れたアクチュエータ装置となる。
かかる第11の態様では、Zr1−XMXOY(MはY及びCaから選択される少なくとも一種)層と下電極が振動板を構成し、振動の応答性に優れたアクチュエータ装置となる。
かかる第12の態様では、圧電特性及び耐久性に優れた液体噴射ヘッドを実現できる。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るアクチュエータ装置を有する液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図であり、図3は、図2のA−A′断面図及びその要部拡大断面図である。
(実施例1)
上記実施形態に基づき、アクチュエータ装置を製造した。詳述すると、表1中、PZT成膜前構造に示すように、厚さ625μmのシリコン基板に、振動板を構成する厚さ1μmのSiO2膜及び厚さ400nmのZrO2膜を順に設け、その上に、厚さ70nmのTi膜、厚さ80nmのPt膜、厚さ10nmのIr膜をスパッタリング法で形成した。その後、PZT組成がPb/(Zr+Ti)=1.18、Zr/(Zr+Ti)=0.517のゾルを用いて、下電極膜上に配向制御層を介してPZTからなる圧電体層を形成した。なお、圧電体層は、当該ゾルを用いて形成した1層目の圧電体前駆体膜を焼成した後、その上に圧電体前駆体膜を3層形成する毎に焼成する工程を3回行って、厚さ1.1μmの圧電体層を作成した。この時の焼成条件は、4回とも700℃で5分とした。その後、圧電体層上に厚さ50nmのIrからなる上電極を設けて、アクチュエータ装置を製造した。製造されたアクチュエータ装置の構成を表1に示す。また、製造されたアクチュエータ装置から圧電体層及びZrO2膜を剥がし、下電極膜の厚さ方向断面をTEMで透過観察した結果を図9に示す。なお、図9中、右側の水平線は、各層の境界を表しており、また、酸素の添え字xは省略している。さらに、下電極膜のZrO2膜との境界から圧電体層までEDXで測定した結果を図10に示す。
Ti膜の膜厚を50nmとして、アクチュエータ装置を作製した。実施例1と同様にしてTEM観察した結果を図11に示す。図11に示すように、ZrO2膜側から順に、PtとTiとの合金からなり厚さ57nmのPt−Ti層500、TiOX(X=0.1〜2)とPtとの合金からなり厚さ133nmのTiOX−Pt層(密度弾性調整層501)、PtからなるPt層502、IrからなるIr層503が積層された状態であることがわかった。なお、Pt層502及びIr層503の厚さは、Ir層503上に形成された種チタン層に由来するTiOXと合わせて28nmであった。また、密度弾性調整層501中のPtは柱状結晶であり、密度弾性調整層501の厚さ方向に亘って存在する結晶と、ZrO2膜側のみに存在する結晶が観察された。
Ti膜の膜厚を20nmとして、アクチュエータ装置を作製した。実施例1と同様にしてTEM観察した結果を図12に示す。図12に示すように、ZrO2膜側から順に、PtとTiとの合金からなり厚さ142nmのPt−Ti層、PtとTiOX(X=0.1〜2)とIrとPbOX(X=0.1〜2)との合金からなり厚さ49nmのPt−TiOX−Ir−PbOX層、TiOX(X=0.1〜2)とPbOX(X=0.1〜2)との合金からなり厚さ3nmのTiOX−PbOX層、IrとPbOX(X=0.1〜2)との合金からなるIr−PbOX層が積層された状態であることがわかった。なお、Ir−PbOX層の厚さは、Ir−PbOX層上に形成された種チタン層に由来するTiOXと合わせて19nmであった。上述のように、Pbが下電極膜中に拡散しており、また、電気絶縁層(TiOX−PbOX層)が形成されていた。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態1に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態1では、下電極膜60の電極材料をPtとし、Ptと、密度弾性調整材料であるTiOXとの合金からなる密度弾性調整層501を設けるようにしたが、密度弾性調整材料はPtよりも密度が低くヤング率が高いものであればよく、例えば、ZrOX(0.1≦X≦2)、AlN、AlXOY(0.1≦X≦2、0.1≦Y≦3)やTiNでもよい。また、実施形態1では、下電極膜60を絶縁体膜55側から順に、PtとTiとの合金からなるPt−Ti層と、TiOXとPtとの合金からなるTiOX−Pt層(密度弾性調整層)と、PtからなるPt層と、イリジウムからなるIr層を積層した構造としたが、下電極膜60は密度弾性調整層を有していればよく、密度弾性調整層の位置や、その他の層の組成は特に限定されない。さらに、電極材料は、貴金属である白金族(Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt)、金、銀であればよい。例えば、電極材料としてRuやIrを用いた場合は、密度弾性調整材料としてはTiNを用いることができる。
Claims (12)
- 基板の一方面側に設けられた下電極と該下電極上に設けられた圧電体層と該圧電体層上に設けられた上電極とからなる圧電素子を有し、
前記下電極が貴金属からなる電極材料を含有し、前記下電極が前記貴金属からなる電極材料と該電極材料よりも密度が低くヤング率が高い密度弾性調整材料との合金からなる密度弾性調整層を有することを特徴とするアクチュエータ装置。 - 前記電極材料がPtで、前記密度弾性調整材料がTiOX(0.1≦x≦2)、ZrOX(0.1≦X≦2)、AlN、AlXOY(0.1≦X≦2、0.1≦Y≦3)及びTiNから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ装置。
- 前記密度弾性調整層中のPtは、前記密度弾性調整層の厚さ方向に成長した最大結晶粒径100nm以下の柱状結晶であり、一部の前記柱状結晶の高さは前記密度弾性調整層の厚みと等しく、残りの前記柱状結晶の高さは前記密度弾性調整層の厚みより低く且つ前記密度弾性調整層の前記基板側に位置することを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ装置。
- 前記密度弾性調整材料がTiOX(0.1≦x≦2)であり、前記密度弾性調整層中のTiOXの断面存在比率は、前記基板側で1〜10%、前記圧電体層側で50〜70%であることを特徴とする請求項2又は3に記載のアクチュエータ装置。
- 前記下電極が、前記基板側から順に、PtとTiとの合金からなるPt−Ti層と、TiOXとPtとの合金からなる密度弾性調整層と、PtからなるPt層と、IrからなるIr層を具備することを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ装置。
- 前記電極材料がRu又はIrで、前記密度弾性調整材料がTiNであることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ装置。
- 前記密度弾性調整層は、前記基板側よりも前記圧電体層側のヤング率が高いことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記下電極が、Pbを実質的に含有しないことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記基板と前記下電極の間に、SiO2層、ZrO2層及びZr1−XMXOY(0.01≦X≦0.15、Y=2.0±α、αは化学量論的に許容される値、MはIIA族元素、IIIA族元素、又はIIIB族元素)層から選択される少なくとも1層を有することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 前記基板と前記下電極の間にZrO2層を有し、該ZrO2層は平均結晶粒径20〜100nmの柱状結晶で(−111)面が優先配向していることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ装置。
- 前記基板と前記下電極の間に前記Zr1−XMXOY層を有し、前記Mが、Y及びCaから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項9又は10に記載のアクチュエータ装置。
- 請求項1〜11の何れかに記載のアクチュエータ装置を液体を噴射させるための液体吐出手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
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