JP2013187207A - Piezoelectric actuator, method for manufacturing the same, liquid injection head, method for manufacturing the same, and liquid injection apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、圧電材料からなる圧電体層及び電極を有する圧電アクチュエーター及びその製造方法、該圧電アクチュエーターを具備しノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びに、液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer made of a piezoelectric material and an electrode, and a method for manufacturing the piezoelectric actuator, a liquid ejecting head that includes the piezoelectric actuator and ejects droplets from nozzle openings, a method for manufacturing the liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus. .
液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズルと連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電アクチュエーターにより変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズルからインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電アクチュエーターとしては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層(圧電体膜)を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。 As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle that ejects ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric actuator to add ink in the pressure generation chamber. There is an ink jet recording head that presses and ejects ink droplets from a nozzle. A piezoelectric actuator used in an ink jet recording head is configured by sandwiching a piezoelectric layer (piezoelectric film) made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function, for example, a crystallized dielectric material, between two electrodes. There is something.
このような圧電アクチュエーターを構成する圧電体層として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、圧電材料の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる(特許文献1等参照)。しかしながら、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められており、例えば、Bi及びFeを含有するBiFeO3系の圧電材料がある(例えば、特許文献2参照)。 A piezoelectric material used as a piezoelectric layer constituting such a piezoelectric actuator is required to have high piezoelectric characteristics, and a typical example of the piezoelectric material is lead zirconate titanate (PZT) (Patent Document 1, etc.). reference). However, from the viewpoint of environmental problems, there is a demand for a piezoelectric material with reduced lead or lead content. For example, there is a BiFeO 3 -based piezoelectric material containing Bi and Fe (see, for example, Patent Document 2). .
しかしながら、このようなBiFeO3系の複合酸化物からなる圧電体層を有する圧電アクチュエーターとすると、圧力発生室側への撓み量が大きくなることにより、圧電アクチュエーターが破断してしまう場合があるという問題がある。また、チタン酸ジルコン酸鉛と比較すると変位量が十分ではないので、変位量の向上が求められている。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電アクチュエーターにおいても同様に存在する。 However, in the case of a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer made of such a BiFeO 3 composite oxide, there is a problem that the piezoelectric actuator may break due to an increase in the amount of deflection toward the pressure generating chamber. There is. Further, since the amount of displacement is not sufficient as compared with lead zirconate titanate, an improvement in the amount of displacement is required. Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink, and also in piezoelectric actuators used for other than liquid ejecting heads. Exist as well.
本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷が小さく、破断が抑制され且つ変位量が大きい圧電アクチュエーター、該圧電アクチュエーターを具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置、並びに、圧電アクチュエーターの製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention has a piezoelectric actuator that has a small environmental load, is suppressed in breakage, and has a large amount of displacement, a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus including the piezoelectric actuator, a method for manufacturing the piezoelectric actuator, and a liquid It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an ejection head.
上記課題を解決する本発明の態様は、第1電極、前記第1電極上に設けられた圧電体層及び前記圧電体層上に設けられた第2電極を具備し、前記圧電体層が、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、前記第2電極が、膜厚が30nm以上50nm以下、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなることを特徴とする圧電アクチュエーターにある。
かかる態様では、圧電体層をBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるものとし、第2電極を膜厚が30nm以上50nm以下且つ0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなるものとすることにより、破断が抑制され且つ変位量が大きい圧電アクチュエーターとすることができる。さらに、非鉛又は鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problem includes a first electrode, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and a second electrode provided on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer comprises: An iridium film comprising a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti, wherein the second electrode has a film thickness of 30 nm to 50 nm and a compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa The piezoelectric actuator is characterized by comprising:
In this embodiment, the piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti, and the second electrode has a thickness of 30 nm to 50 nm and 0.4 GPa to 1.0 GPa. By using an iridium film having a compressive stress, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is prevented from being broken and has a large displacement. Furthermore, since the content of non-lead or lead can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.
本発明の他の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる上記圧電アクチュエーターとを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。これによれば、破断が抑制され且つ変位量が大きい圧電アクチュエーターを具備するため、信頼性及び圧電特性(変位量)に優れた液体噴射ヘッドとすることができる。さらに、非鉛又は鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。 According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting head including a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting a liquid and the piezoelectric actuator for causing a pressure change in the pressure generating chamber. According to this, since the piezoelectric actuator having a large amount of displacement that is prevented from being broken, a liquid ejecting head that is excellent in reliability and piezoelectric characteristics (displacement amount) can be obtained. Furthermore, since the content of non-lead or lead can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.
また、本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。かかる態様では、環境への負荷を低減し、信頼性及び圧電特性に優れた液体噴射装置を実現することができる。 According to another aspect of the invention, a liquid ejecting apparatus includes the liquid ejecting head. According to this aspect, it is possible to realize a liquid ejecting apparatus that reduces the load on the environment and is excellent in reliability and piezoelectric characteristics.
そして、本発明の他の態様は、第1電極、前記第1電極上に設けられた圧電体層及び前記圧電体層上に設けられた第2電極を具備する圧電アクチュエーターの製造方法であって、前記第1電極上に、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に、膜厚が30nm以上50nm以下、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなる第2電極を形成する工程を有することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法にある。Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層上に、膜厚が30nm以上50nm以下且つ0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなる第2電極を形成することにより、破断が抑制され且つ変位量が大きい圧電アクチュエーターを製造することができる。さらに、非鉛又は鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。 Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a first electrode, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and a second electrode provided on the piezoelectric layer. Forming a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti on the first electrode, and a film thickness of 30 nm to 50 nm on the piezoelectric layer, And it exists in the manufacturing method of the piezoelectric actuator characterized by having the process of forming the 2nd electrode which consists of an iridium film | membrane which has a compressive stress of 0.4 GPa or more and 1.0 GPa or less. A first iridium film having a compressive stress of 30 nm to 50 nm and 0.4 GPa to 1.0 GPa on a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti. By forming the two electrodes, it is possible to manufacture a piezoelectric actuator that is prevented from being broken and has a large displacement. Furthermore, since the content of non-lead or lead can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.
また、本発明の他の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電アクチュエーターとを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、上記圧電アクチュエーターの製造方法により前記圧電アクチュエーターを製造する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。これによれば、環境への負荷を低減し、信頼性及び圧電特性(変位量)に優れた液体噴射ヘッドを製造することができる。 Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a liquid ejecting head including a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening and a piezoelectric actuator that causes a pressure change in the pressure generation chamber. The method of manufacturing a liquid ejecting head includes a step of manufacturing the piezoelectric actuator by a manufacturing method. According to this, it is possible to manufacture a liquid jet head that reduces the load on the environment and is excellent in reliability and piezoelectric characteristics (displacement amount).
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係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、図1の平面図であり、図3は図2のA−A′線断面図である。図1〜図3に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the flow
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。
A plurality of
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
Further, on the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、例えば厚さ30〜50nm程度の酸化チタン等からなり、弾性膜50等の第1電極60の下地との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。本実施形態においては、密着層56として酸化チタンを用いたが、密着層56の材質は第1電極60とその下地の種類等により異なるが、例えば、ジルコニウム、アルミニウムを含む酸化物や窒化物や、SiO2、MgO、CeO2等とすることができる。なお、弾性膜50上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
On the other hand, the
さらに、この密着層56上には、第1電極60と、厚さが3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電アクチュエーター300を構成している。ここで、圧電アクチュエーター300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電アクチュエーター300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電アクチュエーター300の共通電極とし、第2電極80を圧電アクチュエーター300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、上述した例では、弾性膜50、密着層56、第1電極60及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や密着層56が設けられていなくてもよい。また、圧電アクチュエーター300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
Further, on the
本実施形態においては、圧電体層70を構成する圧電材料は、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ABO3型構造のAサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。このAサイトにBi及びBaが、BサイトにFe及びTiが位置している。
In the present embodiment, the piezoelectric material constituting the
このようなBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。 Such a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti is a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate. Is also expressed as a solid solution in which the solid solution is uniformly dissolved. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone.
ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、BiFeO3やBaTiO3以外に、元素(Bi、Fe、Ba、TiやO)が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。 Here, bismuth ferrate and barium titanate are known piezoelectric materials each having a perovskite structure, and those having various compositions are known. For example, as bismuth ferrate or barium titanate, in addition to BiFeO 3 or BaTiO 3 , some elements (Bi, Fe, Ba, Ti, O) are partially lost or excessive, or some of the elements are other elements However, in the present invention, when expressed as bismuth ferrate or barium titanate, as long as the basic characteristics are not changed, those that deviate from the stoichiometric composition due to deficiency or excess Those in which some of the elements are substituted with other elements are also included in the ranges of bismuth ferrate and barium titanate. The ratio of bismuth ferrate to barium titanate can also be changed variously.
このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70の組成は、例えば、下記一般式(1)で表される混晶として表される。また、この式(1)は、下記一般式(1’)で表すこともできる。ここで、一般式(1)及び一般式(1’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が1とすると、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
(1−x)[BiFeO3]−x[BaTiO3] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBax)(Fe1−xTix)O3 (1’)
(0<x<0.40)
The composition of the
(1-x) [BiFeO 3 ] -x [BaTiO 3 ] (1)
(0 <x <0.40)
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(0 <x <0.40)
また、圧電体層70を構成する複合酸化物は、Bi、Fe、Ba及びTi以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Mn、Co、Crなどが挙げられる。勿論、他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有する必要がある。
Further, the complex oxide constituting the
圧電体層70が、Mn、CoやCrを含む場合、Mn、CoやCrはBサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Mnを含む場合、圧電体層70を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のFeの一部がMnで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上することがわかっている。また、CoやCrを含む場合も、Mnと同様にリーク特性が向上するものである。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Mn、CoおよびCrを例として説明したが、その他遷移金属元素の2元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層70とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。
When the
このようなBi、Fe、Ba及びTiに加えてMn、CoやCrも含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70は、例えば、下記一般式(2)で表される混晶である。また、この式(2)は、下記一般式(2’)で表すこともできる。なお一般式(2)及び一般式(2’)において、Mは、Mn、CoまたはCrである。ここで、一般式(2)及び一般式(2’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が1であれば、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
(1−x)[Bi(Fe1−yMy)O3]−x[BaTiO3] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBax)((Fe1−yMy)1−xTix)O3 (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
The
(1-x) [Bi (Fe 1-y M y ) O 3 ] -x [BaTiO 3 ] (2)
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
(Bi 1-x Ba x) ((Fe 1-y M y) 1-x Ti x) O 3 (2 ')
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
なお、本実施形態の圧電体層70は、(110)面、(100)面、(111)面のいずれに配向していてもよく、特に限定されるものではない。
Note that the
そして、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが有する圧電アクチュエーター300は、第2電極80が、膜厚が30nm以上50nm以下で、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなるものである。換言すると、第2電極80は、膜厚が30nm以上50nm以下で、内部応力が0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力となる製造方法によって形成されたイリジウム膜である。
In the
このように、圧電アクチュエーター300について、圧電体層70をBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるものとし、この圧電体層70上の第2電極80を、膜厚が30nm以上50nm以下、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するものとなるように形成されたイリジウム膜とすることにより、圧電アクチュエーター300の電圧を印加する前の状態でのたわみ(初期たわみ)が例えば200nm以下と小さくなり、圧力発生室側への撓み量が大きくなることにより生じる圧電アクチュエーター300の破断を抑制できる。さらに、高電圧で駆動した場合や、長期間駆動した場合であっても、圧電アクチュエーター300のたわみによる破断が抑制され、耐久性に優れた圧電アクチュエーター300となる。したがって、圧電アクチュエーター300の破断が抑制された信頼性に優れたインクジェット式記録ヘッドとなる。また、この圧電アクチュエーター300は、変位量が大きいため、圧電特性に優れたインクジェット式記録ヘッドとなる。
Thus, in the
このような圧電アクチュエーター300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、弾性膜50上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
Each
このような圧電アクチュエーター300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜50や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、必要に応じて設ける絶縁体膜等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
At least a part of the manifold 100 is formed on the flow
また、保護基板30圧電アクチュエーター300に対向する領域には、圧電アクチュエーター300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電アクチュエーター保持部32が設けられている。圧電アクチュエーター保持部32は、圧電アクチュエーター300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
A piezoelectric
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
As such a
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電アクチュエーター300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
The
また、保護基板30上には、並設された圧電アクチュエーター300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
A
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
In addition, a
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、密着層56、第1電極60、圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head I of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the
次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図4〜図8を参照して説明する。なお、図4〜図8は、圧力発生室の長手方向の断面図である。 Next, an example of a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 8 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
まず、図4(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO2)等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。なお、弾性膜50上等に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜(図示なし)を設ける場合は、例えば、反応性スパッター法や熱酸化等で形成することができる。
First, as shown in FIG. 4A, a silicon dioxide film made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like constituting the
次いで、図4(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜)上に、また、絶縁体膜を設けた場合は絶縁体膜上に、酸化チタン等からなる密着層56を、スパッタリング法や熱酸化等で形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, an
次に、図5(a)に示すように、密着層56の上に、白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造等からなる第1電極60をスパッタリング法や蒸着法等により全面に形成する。次に、図5(b)に示すように、第1電極60上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして、密着層56及び第1電極60の側面が傾斜するように同時にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次いで、レジストを剥離した後、この第1電極60上に、圧電体層70を積層する。圧電体層70の製造方法は特に限定されないが、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層(圧電体膜)を得るMOD(Metal−Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層70を製造できる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法など、気相法、液相法や固相法でも圧電体層70を製造することができる。
Next, after peeling off the resist, the
圧電体層70を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、図5(c)に示すように、第1電極60上に、金属錯体、具体的には、Bi、Fe、Ba及びTiを含有する金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなる圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。
As a specific example of the formation procedure when the
塗布する前駆体溶液は、焼成によりBi、Fe、Ba及びTiを含む複合酸化物を形成しうる金属錯体を混合し、該混合物を有機溶媒に溶解または分散させたものである。また、Mn、CoやCrを含む複合酸化物からなる圧電体層70を形成する場合は、さらに、Mn、CoやCrを有する金属錯体を含有する前駆体溶液を用いる。Bi、Fe、Ba、Tiをそれぞれ含む金属錯体や、必要に応じて混合するMn、CoやCrを有する金属錯体の混合割合は、各金属が所望のモル比となるように混合すればよい。Bi、Fe、Ba、Ti、Mn、Co、Crをそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、各金属の、アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Biを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマスなどが挙げられる。Feを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス(アセチルアセトナート)鉄などが挙げられる。Baを含む金属錯体としては、例えばバリウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸バリウム、バリウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。Tiを含有する金属錯体としては、例えばチタニウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸チタン、チタン(ジ−i−プロポキシド)ビス(アセチルアセトナート)などが挙げられる。Mnを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。Coを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸コバルト、コバルト(III)アセチルアセトナートなどが挙げられる。Crを含む有機金属化合物としては、2−エチルヘキサン酸クロムなどが挙げられる。勿論、前駆体溶液に含有させる金属錯体として、Bi、Fe、Ba、Tiや、必要に応じて含有させるMn、Co、Crをそれぞれ一種含む金属錯体を用いてもよく、また、これら金属を二種以上含む金属錯体を用いてもよい。また、前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。
The precursor solution to be applied is obtained by mixing a metal complex capable of forming a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti by firing, and dissolving or dispersing the mixture in an organic solvent. When forming the
次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば、150〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば、350〜450℃)に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。なお、塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回行ってもよい。
Next, the
次に、図6(a)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば600〜850℃程度に加熱して、一定時間、例えば、1〜10分間保持することによって結晶化させ、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体膜72を形成する(焼成工程)。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次いで、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図6(b)に示すように複数層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、塗布溶液の1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、1層のみでもよい。
Next, the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and firing process are repeated a plurality of times in accordance with a desired film thickness and the like, and the
このように圧電体層70を形成した後、圧電体層70上に、イリジウムからなり、膜厚が30nm以上50nm以下で、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有する第2電極80を形成する。第2電極80を形成する方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング法、CVD法等で形成することができる。
After the
このように第2電極80を製造する際の成膜条件、具体的には、スパッタリング法であれば、成膜時の圧力、出力のパワー密度、成膜温度、ターゲット(Ir)と圧電体層70との距離等の条件や、形成される第2電極80の厚さ等を調整することにより、この第2電極80を圧電体層70上に形成する工程で製造される第2電極80の内部応力を調整することができる。例えば、成膜条件は、成膜時のAr圧力は0.50〜1.0Pa、出力のパワー密度は0.3〜2.0kW/m2、成膜温度は20〜300℃、ターゲット(Ir)と圧電体層70との距離は100〜120mm等とすることができる。ここで、これら第2電極80の各成膜条件や厚さそれぞれによって製造される第2電極80の内部応力が変化するため、各成膜条件や厚さのバランスを調整する必要がある。いずれにしても、この圧電体層70上に形成される第2電極80を、膜厚が30nm以上50nm以下の範囲内であり、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するものとし、この後の工程を行なうことで、最終的に圧電アクチュエーター300の破断が抑制され且つ変位量の向上したインクジェット式記録ヘッド等を製造することができる。そして、インクジェット式記録ヘッド等を製造する途中の段階である第2電極80を製造した段階の第2電極80の内部応力を求めることによって、最終的に製造されるインクジェット式記録ヘッド等の圧電アクチュエーターの破断しにくさや変位量特性を判断することができるため、歩留りを向上することができる。なお、例えば、イリジウムではなく白金からなる第2電極とした場合は、上記の成膜条件や膜厚等を調整しても、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するものは形成し難い。
In this way, the film forming conditions for manufacturing the
このように第2電極80を形成した後は、図7(a)に示すように、各圧力発生室12に対向する領域に圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして、第1電極60と圧電体層70と第2電極80を有する圧電アクチュエーター300を形成する。なお、圧電体層70と第2電極80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、600℃〜800℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、且つ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。
After the
次に、図7(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電アクチュエーター300毎にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 7B, a
次に、図7(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電アクチュエーター300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚さに薄くする。
Next, as shown in FIG. 7C, a
次に、図8(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 8A, a
そして、図8(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電アクチュエーター300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。
Then, as shown in FIG. 8B, the flow path forming
その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面のマスク膜52を除去した後にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。
Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
まず、(110)に配向した単結晶シリコン基板の表面に熱酸化により膜厚1130nmの二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にDCスパッター法により膜厚20nmのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上にDCスパッター法により膜厚130nmの白金膜を形成して第1電極60とした。
Example 1
First, a silicon dioxide film having a thickness of 1130 nm was formed on the surface of a single crystal silicon substrate oriented in (110) by thermal oxidation. Next, a titanium film having a thickness of 20 nm was formed on the silicon dioxide film by DC sputtering, and a titanium oxide film was formed by thermal oxidation. Next, a platinum film having a thickness of 130 nm was formed on the titanium oxide film by DC sputtering to form the
次いで、第1電極60上に、Bi、Ba、Fe、Mn及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、2−エチルヘキサン酸ビスマス、2−エチルヘキサン酸バリウム、2−エチルヘキサン酸鉄、2−エチルヘキサン酸マンガン及び2−エチルヘキサン酸チタンの各n−オクタン溶液を、モル比で、Bi:Ba:Fe:Mn:Ti=0.75:0.25:0.7125:0.0375:0.25となるように混合して、前駆体溶液を調整した。
Next, a
次いで、この前駆体溶液を、二酸化シリコン膜、酸化チタン膜及び第1電極60が形成された上記基板上に滴下し、500rpmで5秒間回転後、3000rpmで基板を20秒回転させてスピンコート法により圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に、ホットプレート上に基板を載せ、180℃で3分間乾燥した(乾燥工程)。次いで、ホットプレート上に基板を載せ、350℃で3分間脱脂を行った(脱脂工程)。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程からなる工程を3回繰り返した後に、酸素雰囲気中で、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置で750℃で5分間焼成を行った(焼成工程)。次いで、上記の工程を4回繰り返し、計12回の塗布により全体で厚さ1000nmの圧電体層70を形成した。
Next, the precursor solution is dropped on the substrate on which the silicon dioxide film, the titanium oxide film, and the
その後、圧電体層70上に、第2電極80としてDCスパッター法により膜厚50nmのイリジウム膜を形成することで、圧電アクチュエーター300を形成した。なお、イリジウム膜の成膜条件は、成膜時のAr圧力0.9Pa、出力のパワー密度1.5kW/m2、成膜温度20℃、ターゲット(Ir)と圧電体層70との距離:110mm、とした。
Thereafter, an iridium film having a thickness of 50 nm was formed as the
(実施例2)
イリジウム膜の膜厚を30nmとした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that the thickness of the iridium film was changed to 30 nm.
(比較例1)
第2電極80として膜厚50nmのイリジウム膜を形成するかわりに、膜厚50nmの白金膜を、成膜時のAr圧力0.3Pa、出力のパワー密度0.4kW/m2、成膜温度330℃の成膜条件で形成した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Comparative Example 1)
Instead of forming a 50 nm-thick iridium film as the
(比較例2)
イリジウム膜の膜厚を70nmとした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Comparative Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that the film thickness of the iridium film was changed to 70 nm.
(試験例1)
実施例1〜2及び比較例1〜2について、第2電極80を形成する前の、酸化シリコン膜、酸化チタン膜、第1電極60及び圧電体層70が形成された単結晶シリコン基板の反り量W1、及び、第2電極80を形成した後の単結晶シリコン基板の反り量W2を、ストレス測定機(KLA−Tencor社製)で測定した。そして、これらの反り量の差ΔWから、stoneyの式から導き出した下記式を用いて、各実施例1〜2及び比較例1〜2の圧電アクチュエーター300における第2電極80の内部応力σを求めた。結果を表1に示す。また、求めた第2電極80の内部応力σの方向(引張り応力または圧縮応力)についても、表1に記載する。
内部応力σ=(4・Es・Ts 2・ΔW)/[3・I2・(1−υs)・tf]
Es:単結晶シリコン基板のヤング率=130GPa
Ts:単結晶シリコン基板の厚さ=625μm
ΔW:W1−W2
I:スキャン長(反り量を測定した範囲)=110nm
υs:単結晶シリコン基板のポアソン比=0.28
tf:第2電極80の厚さ(nm)
(Test Example 1)
About Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, the warp of the single crystal silicon substrate on which the silicon oxide film, the titanium oxide film, the
Internal stress σ = (4 · E s · T s 2 · ΔW) / [3 · I 2 · (1-ν s ) · t f ]
E s : Young's modulus of single crystal silicon substrate = 130 GPa
T s : thickness of single crystal silicon substrate = 625 μm
ΔW: W1-W2
I: Scan length (range in which the amount of warpage was measured) = 110 nm
υ s : Poisson's ratio of single crystal silicon substrate = 0.28
t f : thickness of the second electrode 80 (nm)
なお、ヤング率は、ナノインデンター(CSIRO製UMIS2000)を用い、以下の条件で測定した。
球形圧子:直径1μm LA
・初期接触過重 : 0.03mN
・最大荷重 : 0.5mN
・Load/Unload Increments : 20(Linear)
・Unloading to : 70% of max
・Enable unload on increments : Unload In
crements 1
・Dwell : 1sec
・Indent Delay : 30sec
The Young's modulus was measured under the following conditions using a nanoindenter (CMISRO UMIS2000).
Spherical indenter: 1 μm in diameter LA
-Initial contact overload: 0.03 mN
・ Maximum load: 0.5mN
・ Load / Unload Increments: 20 (Linear)
・ Unloading to: 70% of max
• Enable unload on increments: Unload In
crements 1
・ Dwell: 1 sec
・ Indent Delay: 30 sec
(試験例2)
実施例1〜2及び比較例1〜2において、単結晶シリコン基板の圧電アクチュエーター300が設けられた側とは反対側の面から酸化シリコン膜が露出するまで、マスク膜を介してKOH溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電アクチュエーター300に対応する圧力発生室12を形成した。なお、圧力発生室12の幅は57.5μmとなるようにした。このように圧力発生室12を形成することにより、酸化シリコン膜、酸化チタン膜、第1電極60及び圧電体層70は圧力発生室12側が凸になるようにたわんだが、この撓み量(初期たわみ)を、光干渉形状計測器(日本ビーコ株式会社製、Wyko NT9300DMEMS)で測定した。なお、この撓み量は、圧力発生室12を形成していない状態の酸化シリコン膜の位置と、圧力発生室12を形成した後の酸化シリコン膜の位置との差の最大値とした。結果を表1に示す。
(Test Example 2)
In Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, the KOH solution was used through the mask film until the silicon oxide film was exposed from the surface of the single crystal silicon substrate opposite to the side where the
また、上記と同様の操作を行って、各実施例1〜2及び比較例1〜2の圧電アクチュエーター300について、対応する領域に圧力発生室12を形成したものをそれぞれ45個作成したところ、いくつかの圧電アクチュエーター300は圧力発生室12を形成した段階で破断した。破断していない圧電アクチュエーターの個数/45個を、歩留まりとして、表1に示す。なお、圧電アクチュエーター300の破断は、圧力発生室12側にたわむことによる破断である。
In addition, by performing the same operation as described above, for each of the
この結果、表1に示すように、実施例1〜2及び比較例2では、圧電アクチュエーターの破断個数が少なく歩留まりが良好であり、また、初期たわみは小さかった。 As a result, as shown in Table 1, in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, the number of ruptured piezoelectric actuators was small, the yield was good, and the initial deflection was small.
(試験例3)
試験例1と同様の操作を行って、圧力発生室12を形成した圧電アクチュエーター300を各実施例1及び比較例1についてそれぞれ10個準備し、それぞれ、第1電極60を基準電位(図9において「Gnd」と記載する。)として、第2電極80に図9に示す駆動波形200を連続して60億回印加する耐久試験を行なった。この駆動波形200を印加した時の圧電アクチュエーターの共振周波数(Fa)は2.5MHzであった。なお、図9に示す駆動波形200において、基準電位(Gnd)より上側が正の電圧であり、基準電位(Gnd)よりも下側が負の電圧となる。また、V1は待機状態で印加される電圧(中間電圧)である。そして、試験例3においては、V1=17.5V、V2=−5V、V3=45Vとした。
(Test Example 3)
By performing the same operation as in Test Example 1, ten
この結果、ΔV=50Vという高電圧の駆動波形を60億回印加した後も、実施例1では圧電アクチュエーターは1個も破断していなかった。一方、比較例1では、30億回印加した段階で圧電アクチュエーターが2個破断しており、また、60億回印加した段階では、10個全ての圧電アクチュエーターが破断していた。なお、圧電アクチュエーター300の破断は、圧力発生室12側にたわむことによる破断である。
As a result, even after applying a drive voltage having a high voltage of ΔV = 50
(試験例4)
試験例1と同様の操作を行って、各実施例1〜2及び比較例1〜2の圧電アクチュエーター300に対応する圧力発生室12を形成した。そして、各圧電アクチュエーター300に、第1電極60を基準電位として、第2電極80に図9に示す駆動波形200を印加した時の変位量を求めた。この駆動波形200を印加した時の圧電アクチュエーターの共振周波数(Fa)は2.5MHzであった。変位量は、グラフテック社製のレーザードップラー変位計を用い室温(25℃)で測定した。なお、試験例4においては、V1=15V、ΔV=35で固定し、V2を0Vから−7Vまで1Vおきに変化させることによりV3を35Vから28Vまで変化させて、それぞれ変位量を求めた。結果を表2に示す。
(Test Example 4)
The same operation as in Test Example 1 was performed to form a
この結果、表2に示すように、どの電圧V2においても、実施例1〜2の圧電アクチュエーターの変位量は、比較例1〜2よりも顕著に大きかった。 As a result, as shown in Table 2, the displacement amount of the piezoelectric actuators of Examples 1 and 2 was significantly larger than those of Comparative Examples 1 and 2 at any voltage V2.
試験例1〜4の結果から、第2電極80がイリジウムからなり膜厚が30nm以上50nm以下であり、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有する本発明の圧電アクチュエーター300とすることにより、たわみにより生じる圧電アクチュエーターの破断が抑制でき、また、変位量も顕著に向上できることが確認された。
From the results of Test Examples 1 to 4, the
(試験例5)
実施例1〜2及び比較例1〜2の圧電アクチュエーターについて、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温(25℃)で、圧電体層70のX線回折パターンを求めた。この結果、実施例1〜2及び比較例1〜2の全てにおいて、ペロブスカイト構造に起因するピークと、基板由来のピークが観測され、異相は確認されなかった。
(Test Example 5)
For the piezoelectric actuators of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS was used, CuKα rays were used as the X-ray source, and the
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the silicon single crystal substrate is exemplified as the flow
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図10は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 In addition, the ink jet recording head of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 10 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図10に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 10, the
そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
Then, the driving force of the driving
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電アクチュエーターに限られず、超音波モーター、圧電センサー等、他の装置に搭載される圧電アクチュエーターにも適用することができる。 The present invention is not limited to a piezoelectric actuator mounted on a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head, and can be applied to a piezoelectric actuator mounted on another device such as an ultrasonic motor or a piezoelectric sensor. it can.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 マニホールド部、 32 圧電アクチュエーター保持部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電アクチュエーター I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric actuator holding portion, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric Actuator
Claims (5)
前記圧電体層が、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、
前記第2電極が、膜厚が30nm以上50nm以下、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなることを特徴とする圧電アクチュエーター。 A first electrode, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and a second electrode provided on the piezoelectric layer;
The piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti,
The piezoelectric actuator is characterized in that the second electrode is made of an iridium film having a thickness of 30 nm to 50 nm and a compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa.
前記第1電極上に、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に、膜厚が30nm以上50nm以下、且つ、0.4GPa以上1.0GPa以下の圧縮応力を有するイリジウム膜からなる第2電極を形成する工程を有することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a first electrode, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and a second electrode provided on the piezoelectric layer,
Forming a piezoelectric layer made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti on the first electrode;
A piezoelectric actuator comprising a step of forming a second electrode made of an iridium film having a compressive stress of not less than 30 nm and not more than 50 nm and not less than 0.4 GPa and not more than 1.0 GPa on the piezoelectric layer. Manufacturing method.
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