JP2013187207A - Piezoelectric actuator, method for manufacturing the same, liquid injection head, method for manufacturing the same, and liquid injection apparatus - Google Patents

Piezoelectric actuator, method for manufacturing the same, liquid injection head, method for manufacturing the same, and liquid injection apparatus Download PDF

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真久 縄野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator which is low in environmental load, suppresses rupture, and exhibits a large amount of displacement, and to provide a liquid injection head provided with the piezoelectric actuator.SOLUTION: The piezoelectric actuator includes 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 composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti. The second electrode is formed of an iridium film having a film thickness of 30-50 nm inclusive and a compressive stress of 0.4-1.0 GPa inclusive.

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BiFeO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). .

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A 特開2007−287745号公報JP 2007-287745 A

しかしながら、このようなBiFeO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に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図。FIG. 3 is a plan view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 試験例で用いた駆動波形を示す図。The figure which shows the drive waveform used by the test example. 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus according to an embodiment of the present invention.

(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 path forming substrate 10 of the present embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.

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 pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a manifold part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a manifold that becomes a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.

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 path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.

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、SiO、MgO、CeO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 elastic film 50 is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 as described above. On the elastic film 50, for example, titanium oxide having a thickness of about 30 to 50 nm or the like. An adhesion layer 56 for improving adhesion between the first electrode 60 such as the elastic film 50 and the like is provided. In the present embodiment, titanium oxide is used as the adhesion layer 56, but the material of the adhesion layer 56 varies depending on the first electrode 60 and the type of the underlying layer, but for example, an oxide or nitride containing zirconium or aluminum, , SiO 2 , MgO, CeO 2 or the like. Note that an insulator film made of zirconium oxide or the like may be provided on the elastic film 50 as necessary.

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 adhesion layer 56, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 which is a thin film having a thickness of 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm, and a second electrode 80 are laminated. Thus, a piezoelectric actuator 300 is configured as pressure generating means for causing a pressure change in the pressure generating chamber 12. Here, the piezoelectric actuator 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one electrode of the piezoelectric actuator 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the first electrode 60 is used as a common electrode for the piezoelectric actuator 300 and the second electrode 80 is used as an individual electrode for the piezoelectric actuator 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In the above-described example, the elastic film 50, the adhesion layer 56, the first electrode 60, and the insulator film provided as necessary function as a vibration plate. However, the present invention is not limited to this. For example, the elastic film 50 and the adhesion layer 56 may not be provided. Further, the piezoelectric actuator 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

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、ABO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 piezoelectric layer 70 is a complex oxide having a perovskite structure including bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba), and titanium (Ti). In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and in the B site, oxygen is 6-coordinated to form an octahedron. Bi and Ba are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site.

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、BiFeOやBaTiO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)[BiFeO]−x[BaTiO] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBa)(Fe1−xTi)O (1’)
(0<x<0.40)
The composition of the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having such a perovskite structure is represented, for example, as a mixed crystal represented by the following general formula (1). Moreover, this formula (1) can also be represented by the following general formula (1 ′). Here, the description of the general formula (1) and the general formula (1 ′) is a composition notation based on stoichiometry, and as described above, as long as a perovskite structure can be taken, it is inevitable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Of course, a partial substitution of elements is allowed as well as a slight compositional deviation. For example, if the stoichiometric ratio is 1, the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.
(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 piezoelectric layer 70 may further contain an element other than Bi, Fe, Ba, and Ti. Examples of other elements include Mn, Co, and Cr. Of course, even a complex oxide containing other elements needs to have a perovskite structure.

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 piezoelectric layer 70 includes Mn, Co, and Cr, Mn, Co, and Cr are complex oxides having a structure located at the B site. For example, when Mn is included, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a structure in which part of Fe in a solid solution in which bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved, is substituted with Mn, or ferric acid It is expressed as a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth manganate and barium titanate, and the basic characteristics are the same as those of a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth ferrate and barium titanate. However, it has been found that the leakage characteristics are improved. Further, when Co or Cr is included, the leakage characteristics are improved in the same manner as Mn. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate, barium titanate, bismuth iron manganate, bismuth iron cobaltate, and bismuth iron chromate are not detected alone. Further, although Mn, Co and Cr have been described as examples, it has been found that leakage characteristics are similarly improved when two other transition metal elements are included at the same time. In addition, other known additives may be included to improve the properties.

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−y)O]−x[BaTiO] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBa)((Fe1−y1−xTi)O (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
The piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure including Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti is, for example, a mixed crystal represented by the following general formula (2). is there. Moreover, this formula (2) can also be represented by the following general formula (2 ′). In General Formula (2) and General Formula (2 ′), M is Mn, Co, or Cr. Here, the description of the general formula (2) and the general formula (2 ′) is a composition notation based on the stoichiometry, and as described above, as long as the perovskite structure can be taken, it is unavoidable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Such a composition deviation is allowed. For example, if the stoichiometry is 1, one in the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.
(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 piezoelectric layer 70 of the present embodiment may be oriented in any of the (110) plane, the (100) plane, and the (111) plane, and is not particularly limited.

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 piezoelectric actuator 300 included in the ink jet recording head of the present embodiment, the second electrode 80 is formed of an iridium film having a film thickness of 30 nm to 50 nm and a compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa. It will be. In other words, the second electrode 80 is an iridium film formed by a manufacturing method having a thickness of 30 nm to 50 nm and an internal stress of compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa.

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 piezoelectric actuator 300, the piezoelectric layer 70 is made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti, and the second electrode 80 on the piezoelectric layer 70 is formed with a film thickness. Is an iridium film formed so as to have 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, so that the piezoelectric actuator 300 bends before being applied with a voltage. (Initial deflection) is reduced to, for example, 200 nm or less, and breakage of the piezoelectric actuator 300 caused by an increase in the amount of deflection toward the pressure generation chamber can be suppressed. Further, even when driven at a high voltage or when driven for a long period of time, the piezoelectric actuator 300 is prevented from being broken due to deflection, and the piezoelectric actuator 300 is excellent in durability. Therefore, an ink jet recording head excellent in reliability in which breakage of the piezoelectric actuator 300 is suppressed is obtained. Further, since the piezoelectric actuator 300 has a large amount of displacement, it becomes an ink jet recording head having excellent piezoelectric characteristics.

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 second electrode 80, which is an individual electrode of the piezoelectric actuator 300, is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extends to the elastic film 50 or an insulator film provided as necessary. For example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is connected.

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 path forming substrate 10 on which such a piezoelectric actuator 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the elastic film 50, the insulator film provided as necessary, and the lead electrode 90. A protective substrate 30 having a manifold portion 31 constituting the above is joined via an adhesive 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 31 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10 and a member (for example, an elastic film 50, an insulator film provided as necessary, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 ) May be provided with an ink supply path 14 for communicating the manifold 100 and each pressure generating chamber 12.

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 actuator holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric actuator 300 is provided in a region facing the protective substrate 30 piezoelectric actuator 300. The piezoelectric actuator holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric actuator 300, and the space may be sealed or unsealed.

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 protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.

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 protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric actuator 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.

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 drive circuit 120 for driving the piezoelectric actuators 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

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 compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

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 nozzle opening 21 is filled with ink, and then driven. In accordance with a recording signal from the circuit 120, a voltage is applied between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the adhesion layer 56, the first electrode 60, the piezoelectric body. By bending and deforming the layer 70, the pressure in each pressure generation chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

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(SiO)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 elastic film 50 is formed by thermal oxidation or the like on the surface of a flow path forming substrate wafer 110 that is a silicon wafer. To do. When an insulator film (not shown) made of zirconium oxide or the like is provided on the elastic film 50 or the like, it can be formed by, for example, a reactive sputtering method or thermal oxidation.

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 adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like is sputtered on the elastic film 50 (silicon dioxide film) or on the insulator film when an insulator film is provided. It is formed by the method or thermal oxidation.

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 first electrode 60 made of platinum, iridium, iridium oxide, or a laminated structure thereof is formed on the entire surface of the adhesion layer 56 by sputtering, vapor deposition, or the like. . Next, as shown in FIG. 5B, patterning is performed simultaneously on the first electrode 60 so that the side surfaces of the adhesion layer 56 and the first electrode 60 are inclined using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask.

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 piezoelectric layer 70 is laminated on the first electrode 60. The method for manufacturing the piezoelectric layer 70 is not particularly limited. For example, a MOD (Metal film) that obtains a piezoelectric layer (piezoelectric film) made of a metal oxide by coating and drying a solution containing a metal complex and firing at a high temperature. The piezoelectric layer 70 can be manufactured by using a chemical solution method such as an —Organic Decomposition ”method or a sol-gel method. In addition, the piezoelectric layer 70 is manufactured by a vapor phase method, a liquid phase method, or a solid phase method such as a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like. be able to.

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 piezoelectric layer 70 is formed by the chemical solution method, first, as shown in FIG. 5C, a metal complex, specifically Bi, is formed on the first electrode 60. The piezoelectric precursor film 71 is formed by applying a piezoelectric film forming composition (precursor solution) made of a MOD solution or a sol containing a metal complex containing Fe, Ba and Ti using a spin coating method or the like. Form (application process).

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 piezoelectric layer 70 made of a complex oxide containing Mn, Co, and Cr, a precursor solution containing a metal complex containing Mn, Co, and Cr is further used. What is necessary is just to mix the mixing ratio of the metal complex which each contains Bi, Fe, Ba, and Ti, and the metal complex which has Mn, Co, and Cr mixed as needed so that each metal may become a desired molar ratio. As a metal complex containing Bi, Fe, Ba, Ti, Mn, Co, and Cr, for example, an alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex of each metal can be used. Examples of the metal complex containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate and bismuth acetate. Examples of the metal complex containing Fe include iron 2-ethylhexanoate, iron acetate, and tris (acetylacetonato) iron. Examples of the metal complex containing Ba include barium isopropoxide, barium 2-ethylhexanoate, barium acetylacetonate, and the like. Examples of the metal complex containing Ti include titanium isopropoxide, titanium 2-ethylhexanoate, titanium (di-i-propoxide) bis (acetylacetonate), and the like. Examples of the metal complex containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate and manganese acetate. Examples of the organometallic compound containing Co include cobalt 2-ethylhexanoate and cobalt (III) acetylacetonate. Examples of the organometallic compound containing Cr include chromium 2-ethylhexanoate. Of course, as the metal complex to be contained in the precursor solution, a metal complex containing Bi, Fe, Ba, Ti, or one kind of Mn, Co, or Cr contained as necessary may be used. A metal complex containing more than one species may be used. Examples of the solvent for the precursor solution include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octylic acid, and the like.

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、NO、CO、HO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 piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature (for example, 150 to 200 ° C.) and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.) and holding it for a certain time (degreasing process). The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the piezoelectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O, or the like. The atmosphere of the drying step or the degreasing step is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas. In addition, you may perform an application | coating process, a drying process, and a degreasing process in multiple times.

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 piezoelectric precursor film 71 is crystallized by heating to a predetermined temperature, for example, about 600 to 850 ° C., and holding it for a certain time, for example, 1 to 10 minutes. A piezoelectric film 72 made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba and Ti is formed (firing step). Also in this firing step, the atmosphere is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas. Examples of the heating device used in the drying step, the degreasing step, and the firing step include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp, a hot plate, and the like.

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 piezoelectric layer 70 composed of a plurality of piezoelectric films 72 As shown in FIG. 6B, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed. For example, when the film thickness of the coating solution per one time is about 0.1 μm, for example, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the ten piezoelectric films 72 is about 1.1 μm. In the present embodiment, the piezoelectric film 72 is provided by being laminated, but only one layer may be provided.

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 piezoelectric layer 70 is formed in this way, the second electrode 80 made of iridium and having a compressive stress of 0.4 GPa or more and 1.0 GPa or less with a film thickness of 30 nm or more and 50 nm or less is formed on the piezoelectric layer 70. Form. The method for forming the second electrode 80 is not particularly limited, but can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method, or the like.

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/m、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 second electrode 80, specifically, the sputtering method, the pressure during film formation, the output power density, the film forming temperature, the target (Ir) and the piezoelectric layer The second electrode 80 manufactured in the step of forming the second electrode 80 on the piezoelectric layer 70 by adjusting the conditions such as the distance to the 70 and the thickness of the second electrode 80 to be formed. Internal stress can be adjusted. For example, the deposition conditions are as follows: Ar pressure during deposition is 0.50 to 1.0 Pa, output power density is 0.3 to 2.0 kW / m 2 , deposition temperature is 20 to 300 ° C., target (Ir ) And the piezoelectric layer 70 can be 100 to 120 mm or the like. Here, since the internal stress of the second electrode 80 manufactured according to each film formation condition and thickness of the second electrode 80 changes, it is necessary to adjust the balance between the film formation conditions and thickness. In any case, the second electrode 80 formed on the piezoelectric layer 70 has a thickness in the range of 30 nm to 50 nm and a compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa. By performing the subsequent steps, it is possible to finally manufacture an ink jet recording head or the like in which the rupture of the piezoelectric actuator 300 is suppressed and the displacement amount is improved. Then, by determining the internal stress of the second electrode 80 at the stage of manufacturing the second electrode 80 that is in the process of manufacturing the ink jet recording head or the like, the piezoelectric actuator such as the ink jet recording head that is finally manufactured is obtained. Since it is possible to determine the difficulty of breaking and the amount of displacement characteristics, the yield can be improved. For example, when the second electrode is made of platinum instead of iridium, even if the film forming conditions and the film thickness are adjusted, the electrode having a compressive stress of 0.4 GPa or more and 1.0 GPa or less is formed. hard.

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 second electrode 80 is formed in this way, as shown in FIG. 7A, the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 are simultaneously patterned in a region facing each pressure generating chamber 12 to obtain the first A piezoelectric actuator 300 having the electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 is formed. The patterning of the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 can be performed collectively by dry etching via a resist (not shown) formed in a predetermined shape. Thereafter, post-annealing may be performed in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C. as necessary. Thereby, a good interface between the piezoelectric layer 70 and the first electrode 60 or the second electrode 80 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 70 can be improved.

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 lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, and then a mask pattern made of, for example, a resist or the like. Patterning is performed for each piezoelectric actuator 300 via (not shown).

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 protective substrate wafer 130 which is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is disposed on the side of the piezoelectric actuator 300 of the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive 35. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

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 mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.

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 substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52, whereby the piezoelectric actuator 300 is formed. Corresponding pressure generating chambers 12, communication portions 13, ink supply passages 14, communication passages 15 and the like are formed.

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 substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. Then, after removing the mask film 52 on the surface opposite to the protective substrate wafer 130 of the flow path forming substrate wafer 110, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed therein is bonded, and the protective substrate wafer 130 is also formed. The compliance substrate 40 is bonded to the substrate, and the flow path forming substrate wafer 110 or the like is divided into a single chip size flow path forming substrate 10 or the like as shown in FIG. To do.

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 first electrode 60.

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 piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Ba, Fe, Mn, and Ti was formed on the first electrode 60. The method is as follows. First, each n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, barium 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, manganese 2-ethylhexanoate and titanium 2-ethylhexanoate in molar ratio, Bi: The precursor solution was prepared by mixing so that Ba: Fe: Mn: Ti = 0.75: 0.25: 0.7125: 0.0375: 0.25.

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 first electrode 60 are formed, and after rotating at 500 rpm for 5 seconds, the substrate is rotated at 3000 rpm for 20 seconds to perform spin coating. Thus, a piezoelectric precursor film was formed (application process). Next, the substrate was placed on a hot plate and dried at 180 ° C. for 3 minutes (drying step). Next, the substrate was placed on a hot plate and degreased at 350 ° C. for 3 minutes (degreasing step). After repeating this coating step, drying step, and degreasing step three times, firing was performed at 750 ° C. for 5 minutes in an oxygen atmosphere (RTA) (Rapid Thermal Annealing) apparatus (firing step). Next, the above process was repeated four times, and a total of 1000 nm thick piezoelectric layer 70 was formed by a total of 12 coatings.

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/m、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 second electrode 80 on the piezoelectric layer 70 by a DC sputtering method, thereby forming the piezoelectric actuator 300. The film formation conditions of the iridium film are as follows: Ar pressure at the time of film formation 0.9 Pa, output power density 1.5 kW / m 2 , film formation temperature 20 ° C., distance between target (Ir) and piezoelectric layer 70: 110 mm.

(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/m、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 second electrode 80, a 50 nm-thick platinum film is formed by depositing an Ar pressure of 0.3 Pa, an output power density of 0.4 kW / m 2 , and a deposition temperature of 330. The same operation as in Example 1 was performed except that the film was formed under the film forming condition of ° C.

(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・E・T ・ΔW)/[3・I・(1−υ)・t
:単結晶シリコン基板のヤング率=130GPa
: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
υ:単結晶シリコン基板のポアソン比=0.28
: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 first electrode 60, and the piezoelectric layer 70 were formed before the second electrode 80 was formed. The amount W1 and the warpage amount W2 of the single crystal silicon substrate after forming the second electrode 80 were measured with a stress measuring device (manufactured by KLA-Tencor). Then, the internal stress σ of the second electrode 80 in each of the piezoelectric actuators 300 of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 is obtained from the difference ΔW between these warpage amounts using the following equation derived from the Stoney equation. It was. The results are shown in Table 1. Further, Table 1 also shows the direction (tensile stress or compressive stress) of the obtained internal stress σ of the second electrode 80.
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 piezoelectric actuator 300 was provided. The pressure generating chamber 12 corresponding to the piezoelectric actuator 300 was formed by performing anisotropic etching (wet etching). The width of the pressure generating chamber 12 was set to 57.5 μm. By forming the pressure generating chamber 12 in this way, the silicon oxide film, the titanium oxide film, the first electrode 60 and the piezoelectric layer 70 are bent so that the pressure generating chamber 12 side is convex. ) Was measured with an optical interference shape measuring instrument (manufactured by Nippon Beco Co., Ltd., Wyko NT9300DMEMS). The amount of deflection is the maximum value of the difference between the position of the silicon oxide film in the state where the pressure generation chamber 12 is not formed and the position of the silicon oxide film after the pressure generation chamber 12 is formed. The results are shown in Table 1.

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 piezoelectric actuators 300 of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2, 45 pressure generating chambers 12 were formed in the corresponding regions. The piezoelectric actuator 300 was broken when the pressure generating chamber 12 was formed. Table 1 shows the number of piezoelectric actuators that are not broken / 45. The breakage of the piezoelectric actuator 300 is a breakage caused by bending toward the pressure generating chamber 12 side.

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.

Figure 2013187207
Figure 2013187207

(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、V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、V=17.5V、V=−5V、V=45Vとした。
(Test Example 3)
By performing the same operation as in Test Example 1, ten piezoelectric actuators 300 each having the pressure generation chamber 12 were prepared for each Example 1 and Comparative Example 1, and the first electrode 60 was set to a reference potential (in FIG. 9). 9), a durability test was performed in which the driving waveform 200 shown in FIG. 9 was continuously applied 6 billion times to the second electrode 80. The resonance frequency (Fa) of the piezoelectric actuator when this driving waveform 200 was applied was 2.5 MHz. In the drive waveform 200 shown in FIG. 9, the voltage above the reference potential (Gnd) is a positive voltage, and the voltage below the reference potential (Gnd) is a negative voltage. V 1 is a voltage (intermediate voltage) applied in the standby state. In Test Example 3, V 1 = 17.5 V, V 2 = −5 V, and V 3 = 45 V were set.

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 V 6 billion times, none of the piezoelectric actuators were broken in Example 1. On the other hand, in Comparative Example 1, two piezoelectric actuators were broken when 3 billion times were applied, and all 10 piezoelectric actuators were broken when 6 billion times were applied. The breakage of the piezoelectric actuator 300 is a breakage caused by bending toward the pressure generating chamber 12 side.

(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、V=15V、ΔV=35で固定し、Vを0Vから−7Vまで1Vおきに変化させることによりV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 pressure generating chamber 12 corresponding to each of the piezoelectric actuators 300 of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. Then, the displacement amount when the drive waveform 200 shown in FIG. 9 was applied to the second electrode 80 with the first electrode 60 as a reference potential was determined for each piezoelectric actuator 300. The resonance frequency (Fa) of the piezoelectric actuator when this driving waveform 200 was applied was 2.5 MHz. The amount of displacement was measured at room temperature (25 ° C.) using a laser Doppler displacement meter manufactured by Graphtec. In Test Example 4, V 1 is fixed at 15V and ΔV = 35, and V 2 is changed from 0V to −7V every 1V to change V 3 from 35V to 28V. Asked. The results are shown in Table 2.

この結果、表2に示すように、どの電圧V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 second electrode 80 is made of iridium, the film thickness is 30 nm to 50 nm, and the piezoelectric actuator 300 according to the present invention has a compressive stress of 0.4 GPa to 1.0 GPa. It was confirmed that the breakage of the piezoelectric actuator caused by the deflection can be suppressed and the displacement amount can be remarkably improved.

Figure 2013187207
Figure 2013187207

(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 piezoelectric layer 70 was formed at room temperature (25 ° C.). An X-ray diffraction pattern was determined. As a result, in all of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, a peak due to the perovskite structure and a peak derived from the substrate were observed, and no heterogeneous phase was confirmed.

(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 path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.

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 recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting the ink supply means, and the recording head units 1A and 1B. Is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.

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 motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.

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)

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。
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.
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請求項1に記載する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。   A liquid ejecting head comprising: a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid; and the piezoelectric actuator according to claim 1 for causing a pressure change in the pressure generating chamber. 請求項2に記載する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。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 2. 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。
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.
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、請求項4に記載する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。   5. A method of manufacturing a liquid ejecting head comprising a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening and a piezoelectric actuator that causes a pressure change in the pressure generation chamber, wherein the piezoelectric actuator is manufactured by the piezoelectric actuator manufacturing method according to claim 4. A method of manufacturing a liquid ejecting head, comprising a step of manufacturing an actuator.
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