JP2013247216A - Piezoelectric element and ink jet head including the same - Google Patents

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三嘉 宮井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element reliability of which is enhanced by suppressing the peeling of a piezoelectric during continuous driving, even if the piezoelectric is deposited by sputtering, and to provide an ink jet head including the piezoelectric element.SOLUTION: A piezoelectric element 13 includes a piezoelectric 16a deposited on a diaphragm 15 by sputtering, a lower electrode 16c and an upper electrode 16b formed to sandwich the piezoelectric 16a in the thickness direction. A portion of the upper electrode 16b is formed on the piezoelectric 16a with an insulating film 18 interposed therebetween. The piezoelectric 16a is located directly under the insulating film 18, and has a first region R1 where the polarization direction during deposition by sputtering is maintained, and a second region R2 corresponding to the insulating film 18 non-forming region and having an inverted polarization direction.

Description

本発明は、振動板上に、スパッタ法によって成膜される圧電体と、下部電極および上部電極とを有する圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドとに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric element formed by sputtering on a diaphragm, a piezoelectric element having a lower electrode and an upper electrode, and an ink jet head provided with the piezoelectric element.

従来から、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をはじめとする圧電体が、アクチュエータやセンサなどに用いられている。アクチュエータとして機能する圧電素子は、下部電極、圧電体、上部電極、振動板などにより構成されている。圧電体を挟む下部電極と上部電極とに電圧を印加すると、圧電体が伸縮し、これによって振動板が振動(変位)する。   Conventionally, piezoelectric bodies including lead zirconate titanate (PZT) have been used for actuators and sensors. A piezoelectric element that functions as an actuator includes a lower electrode, a piezoelectric body, an upper electrode, a diaphragm, and the like. When a voltage is applied to the lower electrode and the upper electrode sandwiching the piezoelectric body, the piezoelectric body expands and contracts, and thereby the vibration plate vibrates (displaces).

近年では、微細化、高密度化のニーズにより、圧電素子の薄型化、小型化が求められている。特に、インクジェットヘッドのアクチュエータとして圧電素子を用いる場合には、印刷画像の高精細化のためにノズルを高密度に搭載する必要があるため、圧電素子の小型化は重要である。従来では、圧電体としてバルク材料が使われているが、圧電素子の薄型化、小型化を図るためには、圧電体を薄膜化することが有効である。この点、例えば特許文献1では、圧電体をスパッタ法等で薄膜形成し、フォトリソグラフィ法を用いて圧電体(圧電薄膜)をパターニングすることにより、薄型で小型の圧電素子を作製している。   In recent years, due to the need for miniaturization and higher density, piezoelectric elements have been required to be thinner and smaller. In particular, when a piezoelectric element is used as an actuator of an ink jet head, it is necessary to mount nozzles at high density in order to increase the definition of a printed image. Therefore, downsizing of the piezoelectric element is important. Conventionally, a bulk material has been used as the piezoelectric body. However, in order to reduce the thickness and size of the piezoelectric element, it is effective to reduce the thickness of the piezoelectric body. In this regard, for example, in Patent Document 1, a thin and small piezoelectric element is manufactured by forming a piezoelectric body into a thin film by sputtering or the like and patterning the piezoelectric body (piezoelectric thin film) by using a photolithography method.

ところで、スパッタ法で形成した圧電体においては、分極方向が下部電極から上部電極に向かう方向を向いているといった特徴がある。このため、上部電極をアドレス電極とし、下部電極を共通電極とした場合には、上部電極にマイナス電圧を印加して圧電素子を動作させることが可能となる。しかし、マイナス電圧を印加する駆動回路は、プラス電圧を印加する駆動回路よりも高価である。また、下部電極をアドレス電極とし、これにプラス電圧を印加して圧電素子を駆動する場合は、隣り合う2つの圧電体に対応する下部電極間にリーク電流が発生し、最悪の場合、意図しない圧力室からインクが吐出される電気的クロストークが発生する。   By the way, the piezoelectric body formed by the sputtering method has a characteristic that the polarization direction faces the direction from the lower electrode to the upper electrode. Therefore, when the upper electrode is an address electrode and the lower electrode is a common electrode, it is possible to operate the piezoelectric element by applying a negative voltage to the upper electrode. However, a drive circuit that applies a negative voltage is more expensive than a drive circuit that applies a positive voltage. In addition, when the lower electrode is used as an address electrode and a positive voltage is applied to the piezoelectric element to drive the piezoelectric element, a leakage current is generated between the lower electrodes corresponding to two adjacent piezoelectric bodies, and in the worst case, it is not intended. Electrical crosstalk occurs where ink is ejected from the pressure chamber.

そこで、特許文献1では、スパッタ法で成膜した圧電体の分極方向を反転させ、上部電極にプラス電圧を印加する構成とすることで、安価な駆動回路や電源を用いて圧電素子を動作できるようにし、また、リーク電流の発生を低減して電気的クロストークの改善を実現している。   Therefore, in Patent Document 1, a piezoelectric element can be operated using an inexpensive drive circuit or power source by reversing the polarization direction of a piezoelectric film formed by sputtering and applying a positive voltage to the upper electrode. In addition, the occurrence of leakage current is reduced to improve electrical crosstalk.

特開2009−218360号公報(請求項1、段落〔0006〕〜〔0014〕等参照)JP 2009-218360 A (refer to claim 1, paragraphs [0006] to [0014], etc.)

ところが、特許文献1のように、スパッタ法で圧電体を薄膜形成している場合には、圧電素子を連続駆動したときに、圧電体が剥離してしまうといった不具合が発生する場合があり、信頼性に問題がある。   However, when the piezoelectric material is formed into a thin film by sputtering as in Patent Document 1, there is a possibility that the piezoelectric material may be peeled off when the piezoelectric element is continuously driven. There is a problem with sex.

圧電体を薄膜化した場合、バルクとは異なる特性を示すものがあり、駆動安定性の低下がその一つである。圧電体を薄膜で形成する場合は、圧電体の結晶制御が非常に難しく、圧電体は下地の影響を大きく受けて結晶成長する。このとき、圧電体の結晶性が良好であると、圧電体の変位量が大きく、かつ、圧電特性のバラツキが小さくなり、良好なインクの射出特性が得られる。一方、圧電体の結晶性が悪いと、圧電体の変位量は小さくなり、かつ、圧電特性のバラツキも大きくなり、インクの射出特性が悪くなる。そのため、圧電体を薄膜で形成する場合は、圧電体の結晶性を良好にするための下地膜(圧電体と相性の良い下地膜)が必要となる。このような下地膜としては、例えば白金(Pt)やイリジウム(Ir)からなる下部電極が挙げられる。   When the piezoelectric body is thinned, there are some which show characteristics different from the bulk, and one of them is a decrease in driving stability. When the piezoelectric body is formed as a thin film, it is very difficult to control the crystal of the piezoelectric body, and the piezoelectric body is greatly influenced by the base and grows. At this time, if the crystallinity of the piezoelectric body is good, the amount of displacement of the piezoelectric body is large and the variation in piezoelectric characteristics is small, so that good ink ejection characteristics can be obtained. On the other hand, when the crystallinity of the piezoelectric body is poor, the displacement amount of the piezoelectric body becomes small, and the variation in the piezoelectric characteristics increases, resulting in poor ink ejection characteristics. Therefore, when the piezoelectric body is formed as a thin film, a base film (a base film having a good compatibility with the piezoelectric body) for improving the crystallinity of the piezoelectric body is required. Examples of such a base film include a lower electrode made of platinum (Pt) or iridium (Ir).

ところが、圧電体を薄膜で形成すると、圧電体の下地膜に対する密着性が悪いため、圧電素子を連続駆動した場合に、圧電体が下地膜から剥離してしまう。特許文献1では、スパッタ法で薄膜形成した圧電体の剥離を抑制するための対策については何ら講じられていない。   However, when the piezoelectric body is formed as a thin film, the adhesion of the piezoelectric body to the base film is poor, and therefore, when the piezoelectric element is continuously driven, the piezoelectric body is peeled from the base film. In Patent Document 1, no measures are taken for suppressing peeling of a piezoelectric body formed by sputtering.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、スパッタ法で圧電体が成膜されている場合でも、連続駆動時の圧電体の剥離を抑制することができ、これによって信頼性を向上させることができる圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドとを提供するものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to suppress the peeling of the piezoelectric body during continuous driving even when the piezoelectric body is formed by sputtering. Thus, a piezoelectric element capable of improving reliability and an ink jet head including the piezoelectric element are provided.

本発明の一側面による圧電素子は、振動板上に、スパッタ法によって成膜される圧電体と、前記圧電体を膜厚方向で挟むように形成される下部電極および上部電極とを有する圧電素子であって、前記上部電極の一部は、絶縁膜を介して前記圧電体上に形成されており、前記圧電体は、前記絶縁膜の直下に位置して、スパッタ法による成膜時の分極方向が維持された第1の領域と、前記絶縁膜の非形成領域と対応し、前記分極方向が反転された第2の領域とを有している。   A piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric body formed on a vibration plate by a sputtering method, and a lower electrode and an upper electrode formed so as to sandwich the piezoelectric body in a film thickness direction. And a part of the upper electrode is formed on the piezoelectric body through an insulating film, and the piezoelectric body is located immediately below the insulating film and is polarized during film formation by sputtering. A first region in which the direction is maintained, and a second region in which the polarization direction is reversed corresponding to a region where the insulating film is not formed.

上部電極の一部は、絶縁膜を介して圧電体上に形成されているので、上部電極と下部電極との間に抗電界以上の電圧を印加して分極処理を行うことにより、絶縁膜の直下に位置する圧電体の第1の領域では、スパッタ法による成膜時の分極方向をそのまま維持しつつ、第2の領域のみを分極反転させることができる。   Since a part of the upper electrode is formed on the piezoelectric body through the insulating film, the polarization process is performed by applying a voltage higher than the coercive electric field between the upper electrode and the lower electrode. In the first region of the piezoelectric body located immediately below, only the second region can be reversed in polarity while maintaining the polarization direction during film formation by sputtering.

このように、スパッタ法で成膜された圧電体が、分極方向の互いに異なる第1の領域と第2の領域とを有する構成では、圧電素子を駆動すべく、上部電極と下部電極との間に電圧を印加すると(電位差を付与すると)、第1の領域および第2の領域の一方で圧電体が膜厚方向に伸長し(膜厚方向に垂直な方向に収縮し)、他方で圧電体が膜厚方向に収縮する(膜厚方向に垂直な方向に伸長する)。これにより、一方の領域での圧電体の伸長または収縮によって圧電体のエッジにかかる剥離応力を、他方の領域での圧電体の収縮または伸長によって低減することができる。その結果、圧電素子を連続駆動した場合でも、スパッタ法で成膜された圧電体が下地の下部電極から剥離するのを抑制することができ、素子の信頼性を向上させることができる。   As described above, in the configuration in which the piezoelectric body formed by the sputtering method has the first region and the second region having different polarization directions, between the upper electrode and the lower electrode in order to drive the piezoelectric element. When a voltage is applied to (a potential difference is applied), one of the first region and the second region causes the piezoelectric body to expand in the film thickness direction (shrink in the direction perpendicular to the film thickness direction), and on the other hand Shrinks in the film thickness direction (extends in a direction perpendicular to the film thickness direction). Thereby, the peeling stress applied to the edge of the piezoelectric body due to the expansion or contraction of the piezoelectric body in one region can be reduced by the contraction or extension of the piezoelectric body in the other region. As a result, even when the piezoelectric element is continuously driven, it is possible to suppress the piezoelectric body formed by the sputtering method from being peeled off from the underlying lower electrode, and the reliability of the element can be improved.

上記構成において、前記第1の領域の分極方向が、前記下部電極から前記上部電極に向かう方向であり、前記第2の領域の分極方向が、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向であってもよい。   In the above configuration, the polarization direction of the first region is a direction from the lower electrode to the upper electrode, and the polarization direction of the second region is a direction from the upper electrode to the lower electrode. Also good.

この場合は、上部電極にプラス電圧を印加すると、圧電体の第2の領域が膜厚方向に伸長して振動板が振動する。したがって、上部電極にプラス電圧を印加して圧電体の第2の領域を素子の駆動に利用する場合に、圧電体の剥離を抑制することができる。   In this case, when a positive voltage is applied to the upper electrode, the second region of the piezoelectric body extends in the film thickness direction and the diaphragm vibrates. Therefore, when a positive voltage is applied to the upper electrode and the second region of the piezoelectric body is used for driving the element, the peeling of the piezoelectric body can be suppressed.

上記構成において、前記上部電極にプラス極性の電圧が印加されることが望ましい。この場合は、マイナス電圧を印加する駆動回路よりも安価な駆動回路を用いて、圧電素子を駆動することができる。   In the above configuration, it is desirable that a positive polarity voltage is applied to the upper electrode. In this case, the piezoelectric element can be driven using a drive circuit that is less expensive than a drive circuit that applies a negative voltage.

上記構成において、前記第1の領域は、前記第2の領域を囲むように位置していてもよい。この場合、圧電体のエッジを覆うように絶縁膜を形成することが容易となる。このように絶縁膜が圧電体のエッジを覆うことで、絶縁膜によって圧電体のエッジにかかる剥離応力が緩和されるので、圧電体の剥離をさらに抑制することができる。   In the above configuration, the first region may be positioned so as to surround the second region. In this case, it is easy to form an insulating film so as to cover the edge of the piezoelectric body. Since the insulating film covers the edge of the piezoelectric body in this way, the peeling stress applied to the edge of the piezoelectric body is relieved by the insulating film, so that peeling of the piezoelectric body can be further suppressed.

上記構成において、前記圧電体の厚さをdμmとしたとき、前記第2の領域は、前記圧電体の端面からd/2μm以上離れていることが望ましい。この場合、第2の領域の変位によって圧電体のエッジにかかる剥離応力を低減して、圧電体の剥離を抑えることができる。   In the above configuration, when the thickness of the piezoelectric body is d μm, it is desirable that the second region is separated from the end face of the piezoelectric body by d / 2 μm or more. In this case, the peeling stress applied to the edge of the piezoelectric body due to the displacement of the second region can be reduced, and the peeling of the piezoelectric body can be suppressed.

上記構成において、前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とすることが望ましい。この場合、薄膜の圧電体を、PZTを主成分とする材料を用いてスパッタ法で成膜できるとともに、良好な圧電特性を有する圧電体を成膜できる。   In the above configuration, the piezoelectric body is preferably composed mainly of lead zirconate titanate (PZT). In this case, a thin film piezoelectric body can be formed by sputtering using a material containing PZT as a main component, and a piezoelectric body having good piezoelectric characteristics can be formed.

上記構成において、前記圧電体の厚さが、2〜10μmであることが望ましい。圧電体の厚さが下限を下回って薄くなりすぎると、十分な変位量が得られず、圧電体の厚さが上限を上回って厚くなりすぎると、圧電体の膜が破損しやすくなる。   In the above configuration, the thickness of the piezoelectric body is preferably 2 to 10 μm. If the thickness of the piezoelectric body is too thin below the lower limit, a sufficient amount of displacement cannot be obtained, and if the thickness of the piezoelectric body is too thick above the upper limit, the film of the piezoelectric body tends to be damaged.

上記構成において、前記上部電極は、前記圧電体の形成領域の内側に形成されていることが望ましい。この場合、上部電極と下部電極との短絡を回避することができる。   The said structure WHEREIN: It is desirable for the said upper electrode to be formed inside the formation area of the said piezoelectric material. In this case, a short circuit between the upper electrode and the lower electrode can be avoided.

上記構成の圧電素子は、開口部を有する基板をさらに有しており、前記振動板は、前記開口部を覆うように前記基板上に形成されていてもよい。   The piezoelectric element having the above configuration may further include a substrate having an opening, and the diaphragm may be formed on the substrate so as to cover the opening.

この構成では、開口部内に気体や液体などの吐出媒体を充填することで、圧電素子をポンプ(インクジェットヘッドを含む)として用いることができる。また、超音波によって振動板を振動させてそのとき生じた電界を検出することで、圧電素子を超音波センサとして用いることもできる。   In this configuration, the piezoelectric element can be used as a pump (including an ink jet head) by filling the opening with a discharge medium such as gas or liquid. In addition, the piezoelectric element can be used as an ultrasonic sensor by vibrating the diaphragm with ultrasonic waves and detecting the electric field generated at that time.

本発明の一側面によるインクジェットヘッドは、上記構成の圧電素子を備え、前記圧電素子の前記振動板を振動させることにより、圧力室としての前記基板の開口部に収容されるインクを吐出させる構成である。   An ink jet head according to an aspect of the present invention includes a piezoelectric element having the above-described configuration, and ejects ink contained in an opening of the substrate as a pressure chamber by vibrating the diaphragm of the piezoelectric element. is there.

上記した圧電素子によれば、スパッタ法で圧電体を成膜した場合でも、連続駆動時の圧電体の剥離を抑制でき、素子の信頼性を向上させることができるので、薄型で耐久性に優れた、信頼性の高いインクジェットヘッドを実現することができる。   According to the above-described piezoelectric element, even when a piezoelectric body is formed by sputtering, peeling of the piezoelectric body during continuous driving can be suppressed, and the reliability of the element can be improved. In addition, a highly reliable inkjet head can be realized.

上記インクジェットヘッドにおいて、前記下部電極の形成領域の内側に前記圧力室の形成領域があり、前記圧力室の上方では、前記圧力室の形成領域の内側に前記圧電体の形成領域があり、前記圧電体の形成領域の内側に前記上部電極の形成領域があってもよい。   In the ink jet head, the pressure chamber forming region is inside the lower electrode forming region, and the piezoelectric material forming region is inside the pressure chamber forming region above the pressure chamber. The upper electrode forming region may be inside the body forming region.

このようなインクジェットヘッドでは、圧力室、圧電体および上部電極を高密度に配置して、高品位な画像印刷が可能で安定した印刷特性を有するインクジェットヘッドを実現することができる。   In such an ink jet head, the pressure chamber, the piezoelectric body, and the upper electrode are arranged at a high density, and an ink jet head capable of high-quality image printing and having stable printing characteristics can be realized.

上記の構成によれば、素子駆動時に、第1の領域および第2の領域のうちの一方の領域での圧電体の伸長または収縮によって圧電体のエッジにかかる剥離応力を、他方の領域での圧電体の収縮または伸長によって低減することができる。その結果、スパッタ法で成膜した圧電体を含む圧電素子を連続駆動した場合でも、圧電体が下地から剥離するのを抑制することができ、信頼性を向上させることができる。   According to the above configuration, when the element is driven, the peeling stress applied to the edge of the piezoelectric body due to the expansion or contraction of the piezoelectric body in one of the first region and the second region is reduced in the other region. It can be reduced by contraction or expansion of the piezoelectric body. As a result, even when a piezoelectric element including a piezoelectric body formed by sputtering is continuously driven, the piezoelectric body can be prevented from peeling from the base, and reliability can be improved.

本発明の実施の一形態に係るインクジェットヘッドの概略の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an inkjet head according to an embodiment of the present invention. 図1のP部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the P section of FIG. 上記インクジェットヘッドが有する圧電素子の平面図である。It is a top view of the piezoelectric element which the said inkjet head has. 上記圧電素子の一部の図示を省略した状態で、絶縁膜にハッチングを付して示した上記圧電素子の平面図である。FIG. 4 is a plan view of the piezoelectric element shown with hatching on an insulating film in a state where a part of the piezoelectric element is not shown. 上記圧電素子の一部の図示を省略した状態で、圧電体の第1の領域および第2の領域にハッチングを付して示した上記圧電素子の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric element shown with hatching in the first region and the second region of the piezoelectric body in a state where a part of the piezoelectric element is not shown. 実施例1のインクジェットヘッドの製造方法における各製造工程の一部を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a part of each manufacturing process in the method for manufacturing the inkjet head of Example 1. 上記製造方法における各製造工程の残りの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of remaining of each manufacturing process in the said manufacturing method. 上記製造方法における各製造工程のさらに残りの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part further remaining of each manufacturing process in the said manufacturing method. 上記製造方法における各製造工程のさらに残りの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part further remaining of each manufacturing process in the said manufacturing method. 上記製造方法における各製造工程のさらに残りの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part further remaining of each manufacturing process in the said manufacturing method.

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

〔1.インクジェットヘッドの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットヘッド1の概略の構成を示す断面図である。インクジェットヘッド1は、ヘッド基板10と配線基板20とを接着樹脂層30を介して接着して形成されている。配線基板20の上面(ヘッド基板10とは反対側の面)には、インクが貯留されるインク室41を構成する箱型形状のマニホールド40が、取付板50を介して設けられている。
[1. Configuration of inkjet head]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an inkjet head 1 according to the present embodiment. The inkjet head 1 is formed by bonding a head substrate 10 and a wiring substrate 20 via an adhesive resin layer 30. A box-shaped manifold 40 that constitutes an ink chamber 41 in which ink is stored is provided on the upper surface of the wiring substrate 20 (the surface opposite to the head substrate 10) via an attachment plate 50.

ヘッド基板10は、Si(シリコン)基板からなるノズルプレート11と、ガラス基板からなる中間プレート12と、圧電素子13とをこの順で積層して構成されている。圧電素子13は、SOI(Silicon on Insulator)基板の支持層(Si基板)によって形成された圧力室プレート14と、SOI基板の活性層(Si基板)およびBOX層(SiO2(酸化シリコン))によって形成された振動板15と、アクチュエータ部16と有している。なお、活性層におけるBOX層とは反対側の面には、SiO2からなる熱酸化膜が形成されていてもよい。 The head substrate 10 is configured by laminating a nozzle plate 11 made of a Si (silicon) substrate, an intermediate plate 12 made of a glass substrate, and a piezoelectric element 13 in this order. The piezoelectric element 13 includes a pressure chamber plate 14 formed by a support layer (Si substrate) of an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and an active layer (Si substrate) and a BOX layer (SiO 2 (silicon oxide)) of the SOI substrate. The diaphragm 15 and the actuator unit 16 are formed. Note that a thermal oxide film made of SiO 2 may be formed on the surface of the active layer opposite to the BOX layer.

ノズルプレート11には、インクの吐出孔となるノズル11aが開口形成されている。中間プレート12には、圧力室プレート14に形成された圧力室14aの内部とノズルプレート11のノズル11aとを連通する連通路12aが貫通形成されているとともに、圧力室プレート14のインク流路を形成する貫通孔14bと圧力室14aとを連通するための連通路12bが形成されている。   The nozzle plate 11 is formed with a nozzle 11a serving as an ink ejection hole. The intermediate plate 12 is formed with a communication passage 12a through which the inside of the pressure chamber 14a formed in the pressure chamber plate 14 and the nozzle 11a of the nozzle plate 11 communicate with each other. A communication passage 12b is formed for communicating the through-hole 14b to be formed and the pressure chamber 14a.

圧電素子13の圧力室プレート14には、基板の開口部として形成されて、吐出媒体としてのインクを収容する圧力室14aと、インク室41からのインク流路を形成する貫通孔14bとが形成されている。なお、圧力室14aは、圧力室プレート14に複数形成されていてもよい。この場合、上記したノズル11aおよびアクチュエータ部16(特に後述する圧電体16a、上部電極16b)は、複数の圧力室14aのそれぞれに対応して設けられることになる。圧力室14aの上壁は、振動板15によって構成されており、下壁は中間プレート12によって構成されている。   The pressure chamber plate 14 of the piezoelectric element 13 is formed with a pressure chamber 14 a that is formed as an opening of the substrate and accommodates ink as an ejection medium, and a through hole 14 b that forms an ink flow path from the ink chamber 41. Has been. A plurality of pressure chambers 14 a may be formed on the pressure chamber plate 14. In this case, the nozzle 11a and the actuator unit 16 (particularly, a piezoelectric body 16a and an upper electrode 16b described later) are provided corresponding to each of the plurality of pressure chambers 14a. The upper wall of the pressure chamber 14 a is constituted by the diaphragm 15, and the lower wall is constituted by the intermediate plate 12.

振動板15は、圧力室14aを配線基板20側から覆うように圧力室プレート14上に設けられ、振動によって圧力室14a内のインクをノズル11aを介して外部に吐出させる。この振動板15には、接着樹脂層30を貫通する貫通孔31と圧力室プレート14の貫通孔14bとを連通する連通路15aが形成されている。   The vibration plate 15 is provided on the pressure chamber plate 14 so as to cover the pressure chamber 14a from the wiring board 20 side, and discharges ink in the pressure chamber 14a to the outside through the nozzle 11a by vibration. The diaphragm 15 is formed with a communication passage 15 a that communicates the through hole 31 that penetrates the adhesive resin layer 30 and the through hole 14 b of the pressure chamber plate 14.

アクチュエータ部16は、圧電体16aと、圧電体16aを膜厚方向(上下方向)で挟むように形成される上部電極16bおよび下部電極16cとを有している。上部電極16bと下部電極16cとの間に電圧を印加することで、圧電体16aが変形(伸長または収縮)し、これによって振動板15が振動する。圧電体16aは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT;Pb(Zr,Ti)O3)を主成分とする材料を用いてスパッタ法によって成膜されている。 The actuator unit 16 includes a piezoelectric body 16a, and an upper electrode 16b and a lower electrode 16c formed so as to sandwich the piezoelectric body 16a in the film thickness direction (vertical direction). By applying a voltage between the upper electrode 16b and the lower electrode 16c, the piezoelectric body 16a is deformed (elongated or contracted), and thereby the diaphragm 15 vibrates. The piezoelectric body 16a is formed by sputtering using a material mainly composed of lead zirconate titanate (PZT; Pb (Zr, Ti) O 3 ).

下部電極16cは、振動板15の表面に形成されている。下部電極16cの形成領域は、圧力室14aの形成領域よりも大きい。なお、下部電極16cの下層に、例えばチタン(Ti)や酸化チタン(TiOx)からなる密着層を設ける構成としてもよい。   The lower electrode 16 c is formed on the surface of the diaphragm 15. The formation region of the lower electrode 16c is larger than the formation region of the pressure chamber 14a. Note that an adhesive layer made of, for example, titanium (Ti) or titanium oxide (TiOx) may be provided below the lower electrode 16c.

圧電体16aおよび上部電極16bは、圧力室14aと1対1に対応するように下部電極16c上に積層されている。圧電体16aは、圧力室14aの上方から圧力室14aの側壁上方にわたって(圧力室14aとその側壁との境界をまたぐように)下部電極16c上に設けられている。   The piezoelectric body 16a and the upper electrode 16b are stacked on the lower electrode 16c so as to correspond to the pressure chamber 14a on a one-to-one basis. The piezoelectric body 16a is provided on the lower electrode 16c from above the pressure chamber 14a to above the side wall of the pressure chamber 14a (so as to straddle the boundary between the pressure chamber 14a and the side wall).

上部電極16bは、圧電体16aの形成領域の内側に形成されているとともに、圧力室14aの上方から圧力室14aの側壁上方にわたって圧電体16a上に形成されている。圧力室14aの外側の上部電極16b上には、例えば金スタッドバンプからなる第1のバンプ17が、配線基板20に向けて突出形成されている。第1のバンプ17は、上部電極16bと電気的に接続されている。   The upper electrode 16b is formed on the inner side of the formation region of the piezoelectric body 16a and is formed on the piezoelectric body 16a from above the pressure chamber 14a to above the side wall of the pressure chamber 14a. On the upper electrode 16b outside the pressure chamber 14a, a first bump 17 made of, for example, a gold stud bump is formed to project toward the wiring board 20. The first bump 17 is electrically connected to the upper electrode 16b.

配線基板20は、Si基板からなる基板本体21の上面に、SiO2からなる配線保護層22を介して形成される上部配線23を有している。この上部配線23は、配線基板20の端部において、駆動回路が実装されたFPC(フレキシブルプリント回路基板)とACF(異方性導電フィルム)によって電気的に接続されている。上部配線23は、SiO2からなる配線保護層26で覆われている。 The wiring board 20 has an upper wiring 23 formed on the upper surface of a substrate body 21 made of a Si substrate via a wiring protective layer 22 made of SiO 2 . The upper wiring 23 is electrically connected to an end portion of the wiring board 20 by an FPC (flexible printed circuit board) on which a driving circuit is mounted and an ACF (anisotropic conductive film). The upper wiring 23 is covered with a wiring protective layer 26 made of SiO 2 .

また、上部配線23の一部は、基板本体21に形成された貫通孔21aを介して基板本体21の下面に臨んでおり、該基板本体21の下面にSiO2からなる配線保護層22を介して形成された下部配線27と導通している。下部配線27上には、SiO2からなる配線保護層28が形成されているが、配線保護層28の開口部28aを介して下部配線27の一部が露出している。開口部28aの位置で露出した下部配線27には、第2のバンプ29がヘッド基板10に向けて突出形成されている。第2のバンプ29は、例えばはんだバンプで構成され、下部配線27と電気的に接続されている。また、第2のバンプ29と上記した第1のバンプ17とは、ヘッド基板10と配線基板20との間で電気的に接続されている。 A part of the upper wiring 23 faces the lower surface of the substrate body 21 through a through hole 21a formed in the substrate body 21, and the lower surface of the substrate body 21 is interposed with a wiring protective layer 22 made of SiO 2. The lower wiring 27 formed in this manner is electrically connected. A wiring protective layer 28 made of SiO 2 is formed on the lower wiring 27, but a part of the lower wiring 27 is exposed through the opening 28 a of the wiring protective layer 28. A second bump 29 is formed on the lower wiring 27 exposed at the position of the opening 28 a so as to protrude toward the head substrate 10. The second bump 29 is formed of, for example, a solder bump and is electrically connected to the lower wiring 27. Further, the second bump 29 and the first bump 17 described above are electrically connected between the head substrate 10 and the wiring substrate 20.

また、配線基板20には、インク供給路21bが形成されている。インク供給路21bは、配線基板20の上面に開口しており、その開口部26aからインク室41内のインクを流入させて貫通孔31に導く。   In addition, an ink supply path 21 b is formed in the wiring board 20. The ink supply path 21 b is opened on the upper surface of the wiring board 20, and the ink in the ink chamber 41 flows from the opening 26 a and is guided to the through hole 31.

接着樹脂層30は、ヘッド基板10と配線基板20とを接着するための接着層であり、例えば熱硬化性の感光性接着樹脂シートで構成されている。このような感光性接着樹脂シートを用いることにより、接着樹脂層30の不要部分を露光、現像処理によって容易に除去することができ、所望パターンの層形成が容易となる。   The adhesive resin layer 30 is an adhesive layer for adhering the head substrate 10 and the wiring substrate 20, and is composed of, for example, a thermosetting photosensitive adhesive resin sheet. By using such a photosensitive adhesive resin sheet, an unnecessary portion of the adhesive resin layer 30 can be easily removed by exposure and development processing, and a desired pattern layer can be easily formed.

接着樹脂層30は、ヘッド基板10と配線基板20との間に、接着樹脂層30の厚み分の間隔を確保すべく、配線基板20の配線保護層28の表面(下面)に予め貼着され、その後、ヘッド基板10と接着される。   The adhesive resin layer 30 is attached in advance to the surface (lower surface) of the wiring protective layer 28 of the wiring substrate 20 in order to ensure a gap corresponding to the thickness of the adhesive resin layer 30 between the head substrate 10 and the wiring substrate 20. Thereafter, it is bonded to the head substrate 10.

また、接着樹脂層30を貫通する貫通孔31の一端(上端)は、上記した配線基板20のインク供給路21bと連通している。一方、貫通孔31の他端(下端)は、ヘッド基板10の振動板15に形成された連通路15aと連通している。したがって、インク室41内のインクは、図1の破線A1で示すように、開口部26a、インク供給路21b、貫通孔31、連通路15a、貫通孔14b、連通路12bを順に介して圧力室14aに供給される。   One end (upper end) of the through hole 31 that penetrates the adhesive resin layer 30 communicates with the ink supply path 21 b of the wiring board 20 described above. On the other hand, the other end (lower end) of the through hole 31 communicates with a communication path 15 a formed in the vibration plate 15 of the head substrate 10. Accordingly, the ink in the ink chamber 41 passes through the opening 26a, the ink supply path 21b, the through hole 31, the communication path 15a, the through hole 14b, and the communication path 12b in this order, as indicated by a broken line A1 in FIG. 14a.

上記のインクジェットヘッド1では、ヘッド基板10側の第1のバンプ17と、配線基板20側の第2のバンプ29とが電気的に接続されているので、配線基板20の駆動回路からの駆動電圧(駆動信号)は、上部配線23、下部配線27、第2のバンプ29および第1のバンプ17を順に介して、アクチュエータ部16の上部電極16bに供給される。なお、このときの電気の流れを図1の破線Bで示す。このように、アクチュエータ部16の下部電極16cに対して上部電極16bに駆動電圧が供給されると、圧電体16aが圧電効果によって変形(伸長または収縮)して振動板15が振動する。これにより、圧力室14a内のインクに対して吐出のための圧力が付与され、圧力室14a内のインクが連通路12aを通ってノズル11aから微小液滴として吐出される(図1の破線A2参照)。   In the inkjet head 1 described above, the first bump 17 on the head substrate 10 side and the second bump 29 on the wiring substrate 20 side are electrically connected, so that the drive voltage from the drive circuit of the wiring substrate 20 is (Drive signal) is supplied to the upper electrode 16b of the actuator section 16 through the upper wiring 23, the lower wiring 27, the second bump 29, and the first bump 17 in this order. The flow of electricity at this time is indicated by a broken line B in FIG. Thus, when a drive voltage is supplied to the upper electrode 16b with respect to the lower electrode 16c of the actuator section 16, the piezoelectric body 16a is deformed (elongated or contracted) by the piezoelectric effect, and the diaphragm 15 vibrates. As a result, pressure for ejection is applied to the ink in the pressure chamber 14a, and the ink in the pressure chamber 14a is ejected as fine droplets from the nozzle 11a through the communication path 12a (broken line A2 in FIG. 1). reference).

〔2.圧電素子の詳細について〕
次に、上記した圧電素子13の詳細について説明する。図2は、図1のP部を拡大して示す断面図である。本実施形態では、アクチュエータ部16における上部電極16bの一部は、絶縁膜18を介して圧電体16a上に形成されている。この絶縁膜18は、圧電体16aのエッジ(端部)16eを覆うように、圧電体16a上および下部電極16c上に形成されている。そして、圧電体16aは、絶縁膜18の直下に位置する第1の領域R1と、絶縁膜18の非形成領域と対応した(絶縁膜18で覆われずに上部電極16bと直接接触した)第2の領域R2とを有している。第1の領域R1は、スパッタ法による成膜時の分極方向が維持された領域であり、第2の領域R2は、スパッタ法による成膜時の分極方向が反転された領域である。
[2. Details of piezoelectric element)
Next, details of the piezoelectric element 13 will be described. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion P in FIG. In the present embodiment, a part of the upper electrode 16 b in the actuator unit 16 is formed on the piezoelectric body 16 a via the insulating film 18. The insulating film 18 is formed on the piezoelectric body 16a and the lower electrode 16c so as to cover the edge (end) 16e of the piezoelectric body 16a. The piezoelectric body 16a corresponds to the first region R1 located immediately below the insulating film 18 and the non-formation region of the insulating film 18 (which is not covered with the insulating film 18 and is in direct contact with the upper electrode 16b). 2 regions R2. The first region R1 is a region in which the polarization direction during film formation by sputtering is maintained, and the second region R2 is a region in which the polarization direction during film formation by sputtering is reversed.

ここで、スパッタ法による圧電体16aの成膜では、圧電体16aの分極方向は、通常、下部電極16cから上部電極16bに向かう方向となる。本実施形態では、圧電体16aの第2の領域R2のみ、分極方向を反転させることにより、第1の領域R1の分極方向をスパッタ成膜時の分極方向である、下部電極16cから上部電極16bに向かう方向とし、第2の領域R2の分極方向を上部電極16bから下部電極16cに向かう方向としている。   Here, in the film formation of the piezoelectric body 16a by the sputtering method, the polarization direction of the piezoelectric body 16a is usually the direction from the lower electrode 16c to the upper electrode 16b. In the present embodiment, only the second region R2 of the piezoelectric body 16a is inverted in polarization direction, so that the polarization direction of the first region R1 is the polarization direction at the time of sputtering film formation, from the lower electrode 16c to the upper electrode 16b. The polarization direction of the second region R2 is the direction from the upper electrode 16b to the lower electrode 16c.

このように圧電体16aの第1の領域R1と第2の領域R2とで分極方向を異ならせることができるのは、上部電極16bの一部を、絶縁膜18を介して圧電体16a上に形成していることによる。つまり、上部電極16bと下部電極16cとの間に抗電界(分極反転する電界の閾値)以上の電圧を印加して分極処理を行うと、圧電体16aの第2の領域R2では、上記の抗電界によって分極反転が起こるが、第1の領域R1では、上部電極16bとの間に絶縁膜18が介在しているために、圧電体16aにかかる電界が抗電界以下となり、分極反転は起こらない。したがって、絶縁膜18を設けることにより、第2の領域R2のみが分極反転するような分極処理を行うことができ、これによって、圧電体16aにおいて分極方向の互いに異なる第1の領域R1および第2の領域R2を併存させることができる。   In this way, the polarization direction of the first region R1 and the second region R2 of the piezoelectric body 16a can be made different because a part of the upper electrode 16b is placed on the piezoelectric body 16a via the insulating film 18. By forming. That is, when the polarization process is performed by applying a voltage higher than the coercive electric field (threshold of the electric field for polarization inversion) between the upper electrode 16b and the lower electrode 16c, in the second region R2 of the piezoelectric body 16a, the above-described anti-electric field Although the polarization inversion occurs due to the electric field, since the insulating film 18 is interposed between the first region R1 and the upper electrode 16b, the electric field applied to the piezoelectric body 16a becomes equal to or lower than the coercive electric field, and the polarization inversion does not occur. . Therefore, by providing the insulating film 18, it is possible to perform a polarization process in which only the second region R2 undergoes polarization inversion, whereby the first region R1 and the second region having different polarization directions in the piezoelectric body 16a. Region R2 can coexist.

図3は、圧電素子13の平面図であり、図4は、図3の平面図において、上部電極16bおよび第1のバンプ17の図示を省略した状態で、絶縁膜18に便宜的にハッチングを付して示したものであり、図5は、図3の平面図において、上部電極16bおよび第1のバンプ17の図示を省略した状態で、圧電体16aの第1の領域R1および第2の領域R2に便宜的にハッチングを付して示したものである。これらの図面からも、絶縁膜18は、圧電体16aのエッジ16eを覆うように形成されていることがわかる。   3 is a plan view of the piezoelectric element 13, and FIG. 4 is a plan view of FIG. 3, in which the upper electrode 16b and the first bump 17 are not shown, and the insulating film 18 is hatched for convenience. FIG. 5 shows the first region R1 and the second region of the piezoelectric body 16a with the upper electrode 16b and the first bump 17 omitted in the plan view of FIG. The region R2 is hatched for convenience. Also from these drawings, it can be seen that the insulating film 18 is formed so as to cover the edge 16e of the piezoelectric body 16a.

また、絶縁膜18は、圧力室14aの形成領域の内側に開口部18aを有しており、圧力室14aの形成領域の外側に開口部18bを有している。上部電極16bは、開口部18aの内側で圧電体16aの第2の領域R2と直接接触している。また、第1のバンプ17は、開口部18bの内側で圧電体16aと接触する上部電極16b上に設けられている。   The insulating film 18 has an opening 18a inside the formation region of the pressure chamber 14a, and has an opening 18b outside the formation region of the pressure chamber 14a. The upper electrode 16b is in direct contact with the second region R2 of the piezoelectric body 16a inside the opening 18a. The first bump 17 is provided on the upper electrode 16b that contacts the piezoelectric body 16a inside the opening 18b.

また、図5に示すように、圧電体16aの第1の領域R1は、(膜厚方向に垂直な面に沿って)第2の領域R2を囲むように位置している。つまり、圧電体16aの第2の領域R2の外側に第1の領域R1が位置しており、第1の領域R1のエッジが圧電体16aのエッジ16eとなっている。   Further, as shown in FIG. 5, the first region R1 of the piezoelectric body 16a is positioned so as to surround the second region R2 (along a plane perpendicular to the film thickness direction). That is, the first region R1 is located outside the second region R2 of the piezoelectric body 16a, and the edge of the first region R1 is the edge 16e of the piezoelectric body 16a.

〔3.インクジェットヘッドの製造方法について〕
以下、上記構成の圧電素子13を含むインクジェットヘッド1の製造方法について、実施例1および2として説明する。また、実施例1および2との比較のため、比較例1についても併せて説明する。
[3. Inkjet head manufacturing method)
Hereinafter, a method for manufacturing the inkjet head 1 including the piezoelectric element 13 having the above-described configuration will be described as Examples 1 and 2. For comparison with Examples 1 and 2, Comparative Example 1 will also be described.

(実施例1)
図6〜図10は、実施例1のインクジェットヘッド1の製造方法における各製造工程を示す断面図である。なお、これらの図面における断面は、図3のA−A’線矢視断面にそれぞれ対応するものとする。また、以下で示す各層の厚さ等の数値は一例に過ぎず、記載した数値に限定されるわけではない。
Example 1
6-10 is sectional drawing which shows each manufacturing process in the manufacturing method of the inkjet head 1 of Example 1. FIG. In addition, the cross section in these drawings shall each respond | correspond to the AA 'line arrow cross section of FIG. Moreover, the numerical values such as the thickness of each layer shown below are merely examples, and are not limited to the numerical values described.

まず、図6(a)に示すように、SiO2からなる熱酸化膜19a(厚さ0.1μm)が両面に形成されたSOI基板(活性層(厚さ5μm)/BOX層(厚さ0.2μm)/支持層(厚さ600μm))を用意する。このとき、SOI基板の支持層によって圧力室プレート14が構成され、SOI基板のBOX層15bおよび活性層15cによって振動板15が構成されている。 First, as shown in FIG. 6A, an SOI substrate (active layer (thickness 5 μm) / BOX layer (thickness 0) having a thermal oxide film 19a (thickness 0.1 μm) made of SiO 2 formed on both sides, as shown in FIG. .2 μm) / support layer (thickness 600 μm)). At this time, the pressure chamber plate 14 is constituted by the support layer of the SOI substrate, and the diaphragm 15 is constituted by the BOX layer 15b and the active layer 15c of the SOI substrate.

そして、活性層15c側の熱酸化膜19aの表面に、スパッタ法によってチタン(Ti)を厚さ20nmで形成し、その後、酸素雰囲気中でTiを酸化して、酸化チタン(TiOx)からなる密着層19bを形成する。密着層19bは、その下地となる熱酸化膜19aと下部電極16cとの密着性を向上させるための膜である。密着層19bが薄すぎると密着性が悪くなり、厚すぎると下部電極16cを構成する白金(Pt)の結晶性が悪くなってしまうため、密着層19bの厚みは5nm〜40nm程度が好ましい。なお、密着層19bは、Tiのままであってもよく、この場合でも、熱酸化膜19aと下部電極16cとの密着性を向上させることができる。   Then, titanium (Ti) is formed to a thickness of 20 nm on the surface of the thermal oxide film 19a on the active layer 15c side by sputtering, and thereafter, Ti is oxidized in an oxygen atmosphere to form an adhesion made of titanium oxide (TiOx). Layer 19b is formed. The adhesion layer 19b is a film for improving adhesion between the thermal oxide film 19a serving as the base and the lower electrode 16c. If the adhesion layer 19b is too thin, the adhesion is deteriorated, and if it is too thick, the crystallinity of platinum (Pt) constituting the lower electrode 16c is deteriorated. Therefore, the thickness of the adhesion layer 19b is preferably about 5 nm to 40 nm. Note that the adhesion layer 19b may remain Ti, and even in this case, the adhesion between the thermal oxide film 19a and the lower electrode 16c can be improved.

続いて、図6(b)に示すように、スパッタ法によってPtからなる下部電極16c(厚さ100nm)を形成する。Ptは、圧電体16aに電圧を印加するための電極としての役割と、圧電体16aを構成するPZTの結晶性を向上させるための配向制御膜としての役割とを併せ持つ。下部電極16cを厚くすると、抵抗が低くなって好ましいが、厚くしすぎると、表面の平滑性が悪くなり、上に形成するPZTの結晶性が悪くなる。基板面に対してPtが<111>方向に配向する場合が好適であり、このとき、PZTは<100>方向に配向しやすく、良好な結晶性が得られる。その他の下部電極16cの材料としては、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrOx)、ルテニウム酸ストロンチウム(SRO;SrRuO3)等を用いることができる。 Subsequently, as shown in FIG. 6B, a lower electrode 16c (thickness: 100 nm) made of Pt is formed by sputtering. Pt has both a role as an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body 16a and a role as an orientation control film for improving the crystallinity of PZT constituting the piezoelectric body 16a. If the lower electrode 16c is made thicker, the resistance becomes lower, which is preferable. However, if the lower electrode 16c is made too thick, the smoothness of the surface becomes worse and the crystallinity of PZT formed thereon becomes worse. Pt is preferably oriented in the <111> direction with respect to the substrate surface. At this time, PZT is easily oriented in the <100> direction, and good crystallinity is obtained. As other materials for the lower electrode 16c, iridium (Ir), iridium oxide (IrOx), strontium ruthenate (SRO; SrRuO 3 ), or the like can be used.

次に、図6(c)に示すように、下部電極16c上に、圧電体16aを構成するPZTを、スパッタ法によって600℃の温度で成膜する。薄膜の圧電体16aは、薄いほど剥離しづらくなるが、厚さが2μm未満となって薄くなりすぎると、振動板15を変位させる力が低下するため、ある程度の厚みが必要となる。一方、圧電体16aの厚さが10μmを超えて厚くなりすぎると、圧電体16a自体が破損しやすくなり、クラックが生じやすくなる。したがって、圧電体16aの厚さは、2〜10μmであることが好ましい。この場合、振動板15の変位を大きくとることができ、かつ、圧電体16aの耐久性を向上させることができる。本実施例では、圧電体16aの厚さを5μmとした。なお、圧電体16aとしてのPZTは、ペロブスカイト構造を採り、<100>配向となることが、良好な圧電特性が得られる点で好ましい。   Next, as shown in FIG. 6C, PZT constituting the piezoelectric body 16a is formed on the lower electrode 16c at a temperature of 600 ° C. by sputtering. The thinner the piezoelectric body 16a is, the more difficult it is to peel off. However, if the thickness is less than 2 μm and becomes too thin, the force for displacing the diaphragm 15 is reduced, so that a certain thickness is required. On the other hand, if the thickness of the piezoelectric body 16a exceeds 10 μm and becomes too thick, the piezoelectric body 16a itself tends to be damaged, and cracks are likely to occur. Therefore, the thickness of the piezoelectric body 16a is preferably 2 to 10 μm. In this case, the displacement of the diaphragm 15 can be increased, and the durability of the piezoelectric body 16a can be improved. In this embodiment, the thickness of the piezoelectric body 16a is 5 μm. In addition, it is preferable that PZT as the piezoelectric body 16a adopts a perovskite structure and has a <100> orientation from the viewpoint of obtaining good piezoelectric characteristics.

さらに、PZTの組成や結晶配向性などを安定的に再現性良く成膜する方法としては、チタン酸ランタン酸鉛(PLT)などのペロブスカイト構造を持つ絶縁性酸化物からなるバッファ層を予め下部電極16cの上に形成しておき、そのバッファ層上にPZTを形成する手法などがある。このような手法を本実施例に適用すると効果的である。   Furthermore, as a method of stably forming a PZT composition and crystal orientation with good reproducibility, a buffer layer made of an insulating oxide having a perovskite structure such as lead lanthanum titanate (PLT) is previously formed on the lower electrode. There is a method of forming PZT on the buffer layer formed on 16c. It is effective to apply such a method to this embodiment.

圧電体16aは、PZTを主成分としていればよく、PZTにランタン(La)等の添加物が含まれていてもよい。なお、PZTが主成分であるとは、圧電体16a中でPZTの占める割合が80%以上であることを意味する。このように、圧電体16aがPZTを主成分としていることにより、スパッタ法によって薄膜の圧電体16aを成膜することができる。また、PZTは良好な圧電特性を示す材料として非常に有効である。さらに、成膜された圧電体16aに対して、後述するフォトリソグラフィ法での加工ができるため、薄くて微細なパターンを得ることができる。   The piezoelectric body 16a only needs to contain PZT as a main component, and an additive such as lanthanum (La) may be included in PZT. The phrase “PZT is a main component” means that the proportion of PZT in the piezoelectric body 16a is 80% or more. Thus, since the piezoelectric body 16a has PZT as a main component, the thin film piezoelectric body 16a can be formed by sputtering. PZT is very effective as a material exhibiting good piezoelectric characteristics. Further, since the formed piezoelectric body 16a can be processed by a photolithography method described later, a thin and fine pattern can be obtained.

次に、図7(a)に示すように、圧力室プレート14を、化学機械研磨法(CMP;Chemical Mechanical Polishing )によって、厚さ200μmとなるまで研磨する。   Next, as shown in FIG. 7A, the pressure chamber plate 14 is polished to a thickness of 200 μm by chemical mechanical polishing (CMP).

なお、本実施例では、圧力室プレート14(SOI基板の支持層)の設計上の厚さを200μmとしている。このとき、支持層の厚さが元々200μmのSOI基板上にPZTを成膜すると、成膜時の温度によって基板に反りが発生し、面内均一性が低下する。そこで、基板の反りが小さい状態でPZTを成膜すべく、上記のように厚さ600μmの支持層を有するSOI基板上にPZTを成膜し、成膜後に支持層を研磨して所望の厚さに調整している。   In this embodiment, the design thickness of the pressure chamber plate 14 (support layer of the SOI substrate) is 200 μm. At this time, if PZT is formed on an SOI substrate whose support layer originally has a thickness of 200 μm, the substrate is warped due to the temperature at the time of film formation, and the in-plane uniformity is reduced. Therefore, in order to form a PZT film with a small warpage of the substrate, the PZT film is formed on the SOI substrate having the support layer having a thickness of 600 μm as described above, and the support layer is polished after the film formation to obtain a desired thickness. It has been adjusted.

次に、図7(b)に示すように、圧電体16a上にレジストを塗布し、露光、現像を行って、圧電体16aをエッチングでパターニングするためのレジストパターン61を形成する。そして、レジストパターン61をマスクとして、塩素系またはフッ素系ガスを使ったICP(Inductively Coupled Plasma;誘導結合型プラズマ)ドライエッチングにより、図7(c)に示すように、圧電体16aとして、直径200μmの円形部を有するPZTパターンを形成する。なお、このときのエッチングは、フッ硝酸系溶液を使ったウェットエッチングであってもよい。   Next, as shown in FIG. 7B, a resist is applied on the piezoelectric body 16a, and exposure and development are performed to form a resist pattern 61 for patterning the piezoelectric body 16a by etching. Then, using the resist pattern 61 as a mask, ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching using chlorine-based or fluorine-based gas is used to form a piezoelectric body 16a having a diameter of 200 μm as shown in FIG. 7C. A PZT pattern having a circular portion is formed. The etching at this time may be wet etching using a hydrofluoric acid solution.

続いて、図8(a)に示すように、パターニングされた圧電体16aを覆うように、下部電極16c上に、絶縁膜18を構成する窒化シリコン(SiNx)をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition )法によって厚さ50nmで形成する。このとき、SiNxの厚さを適切に設定することにより、後述する分極処理の際に、圧電体16aの第1の領域R1および第2の領域R2にかかる電界密度に差異を持たせて、それぞれの領域での分極方向を互いに異ならせることができる。また、圧電素子13の駆動時に、第1の領域R1の圧電体16aを、圧電体16aの剥離応力を低減する方向に動作させることが可能になる。   Subsequently, as shown in FIG. 8A, silicon nitride (SiNx) constituting the insulating film 18 is formed on the lower electrode 16c by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) so as to cover the patterned piezoelectric body 16a. To form a thickness of 50 nm. At this time, by appropriately setting the thickness of SiNx, the electric field density applied to the first region R1 and the second region R2 of the piezoelectric body 16a during the polarization process described later is made different, The polarization directions in the regions can be made different from each other. Further, when the piezoelectric element 13 is driven, the piezoelectric body 16a in the first region R1 can be operated in a direction to reduce the peeling stress of the piezoelectric body 16a.

絶縁膜18としてのSiNxの膜厚設定に関しては、膜質的には20nm〜1000nm程度が好ましい。絶縁膜18が薄すぎると、十分な均一性が得られず、厚すぎると膜が破損しやすくなる。さらに好適な膜厚の範囲に関しては、PZT膜の結晶性、厚み、誘電率、抗電界特性や、振動板15のサイズや駆動条件等、設計条件、プロセス条件により大きく依存するため、用途等に合わせて最適化テストをして設定するのが望ましい。   Regarding the film thickness setting of SiNx as the insulating film 18, the film quality is preferably about 20 nm to 1000 nm. If the insulating film 18 is too thin, sufficient uniformity cannot be obtained, and if it is too thick, the film is easily damaged. Further, the preferred film thickness range depends greatly on the design conditions and process conditions such as the crystallinity, thickness, dielectric constant, coercive electric field characteristics of the PZT film, the size and driving conditions of the diaphragm 15, and so on depending on the application. It is desirable to set by performing an optimization test together.

なお、本実施例では、絶縁膜18をSiNxで構成しているが、その他、無機系絶縁膜や有機系絶縁膜などの各種絶縁膜を用いることができる。特に、成膜均一性に優れ、かつ、微細加工可能な材料が絶縁膜18として好適である。   In this embodiment, the insulating film 18 is made of SiNx, but various other insulating films such as an inorganic insulating film and an organic insulating film can be used. In particular, a material that is excellent in film formation uniformity and that can be finely processed is suitable as the insulating film 18.

次に、図8(b)に示すように、絶縁膜18上にレジストを塗布し、露光、現像を行って、絶縁膜18をエッチングでパターニングするためのレジストパターン62を形成する。そして、レジストパターン62をマスクとして、ICPドライエッチングにより、図8(c)に示すように、絶縁膜18として、圧電体16aのエッジ16eを覆い、かつ、直径186μmの開口部18aを有するSiNxパターンを形成する。開口部18aの開口径は、圧電体16aの第2の領域R2(図2参照)の大きさに対応する。つまり、第2の領域R2は、絶縁膜18の非形成領域(開口部18a)と対応して位置する。   Next, as shown in FIG. 8B, a resist is applied on the insulating film 18, exposed and developed, and a resist pattern 62 for patterning the insulating film 18 by etching is formed. Then, using the resist pattern 62 as a mask, by ICP dry etching, as shown in FIG. 8C, the insulating film 18 covers the edge 16e of the piezoelectric body 16a and has an opening 18a having a diameter of 186 μm. Form. The opening diameter of the opening 18a corresponds to the size of the second region R2 (see FIG. 2) of the piezoelectric body 16a. That is, the second region R2 is positioned corresponding to the non-formation region (opening 18a) of the insulating film 18.

続いて、図9(a)に示すように、絶縁膜18と、開口部18aに露出した圧電体16aとを覆うように、上部電極16bを形成する。より具体的には、まず。Tiをスパッタ法で成膜して、厚さ20nmのTi層を形成し、続けて金(Au)をスパッタ法で成膜して、厚さ300nmのAu層を形成し、これらのTi層およびAu層からなる上部電極16bを形成する。上部電極16bのTi層は、Au層と圧電体16a(PZT)とを密着させるための密着層として機能し、Au層は電極として機能する。なお、上部電極16bを構成する材料としては、上記のTiやAuに限定されるわけではなく、その他にも、Pt、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、Ir、IrOx、SROなどの材料を用いることができる。   Subsequently, as shown in FIG. 9A, the upper electrode 16b is formed so as to cover the insulating film 18 and the piezoelectric body 16a exposed to the opening 18a. More specifically, first. Ti is formed by sputtering to form a 20 nm thick Ti layer, and then gold (Au) is formed by sputtering to form a 300 nm thick Au layer. An upper electrode 16b made of an Au layer is formed. The Ti layer of the upper electrode 16b functions as an adhesion layer for closely bonding the Au layer and the piezoelectric body 16a (PZT), and the Au layer functions as an electrode. The material constituting the upper electrode 16b is not limited to the above-described Ti or Au, but other than that, Pt, chromium (Cr), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag) , Ir, IrOx, SRO, and the like can be used.

次に、図9(b)に示すように、上部電極16b上にレジストを塗布し、露光、現像を行って、圧電体16aの可動部上の上部電極16bをエッチングで残すためのレジストパターン63を形成する。そして、レジストパターン63をマスクとして、ドライエッチングにより、図9(c)に示すように、直径196μmの円形部を有する上部電極16bのパターンを形成する。   Next, as shown in FIG. 9B, a resist is applied on the upper electrode 16b, exposed and developed, and a resist pattern 63 for leaving the upper electrode 16b on the movable portion of the piezoelectric body 16a by etching. Form. Then, the pattern of the upper electrode 16b having a circular portion with a diameter of 196 μm is formed by dry etching using the resist pattern 63 as a mask, as shown in FIG. 9C.

続いて、図10(a)に示すように、圧力室プレート14の裏面、すなわち、圧電体16aの形成側とは反対側の面にレジストを塗布し、露光、現像を行って、レジストパターン64を形成する。このレジストパターン64が、ダイヤフラムの可動部のパターン(圧力室14a)に対応する。本実施例では、上記のレジストパターン64を、直径230μmの開口部64aを有する穴パターンとした。   Subsequently, as shown in FIG. 10A, a resist is applied to the back surface of the pressure chamber plate 14, that is, the surface opposite to the formation side of the piezoelectric body 16a, and exposure and development are performed. Form. This resist pattern 64 corresponds to the pattern of the movable part of the diaphragm (pressure chamber 14a). In this embodiment, the resist pattern 64 is a hole pattern having an opening 64a having a diameter of 230 μm.

そして、図10(b)に示すように、レジストパターン64をマスクとして、圧力室プレート14をICP装置のボッシュプロセスで深堀加工し、直径230μmの圧力室14aを形成した。このような構成の圧電素子13では、下部電極16cの形成領域S1の内側に圧力室14aの形成領域S2があり、圧力室14aの形成領域S2の内側に圧電体16aの形成領域S3があり、圧電体16aの形成領域S3の内側に上部電極16bの形成領域S4がある。   Then, as shown in FIG. 10B, using the resist pattern 64 as a mask, the pressure chamber plate 14 was deep drilled by the Bosch process of the ICP apparatus to form a pressure chamber 14a having a diameter of 230 μm. In the piezoelectric element 13 having such a configuration, the formation region S2 of the pressure chamber 14a is formed inside the formation region S1 of the lower electrode 16c, and the formation region S3 of the piezoelectric body 16a is formed inside the formation region S2 of the pressure chamber 14a. There is a formation region S4 of the upper electrode 16b inside the formation region S3 of the piezoelectric body 16a.

その後、図1で示したように、圧力室プレート14と中間プレート12とを陽極接合によって貼り合わせ、中間プレート12とノズルプレート11とを陽極接合によって貼り合わせることで、ヘッド基板10が完成する。   Thereafter, as shown in FIG. 1, the pressure chamber plate 14 and the intermediate plate 12 are bonded together by anodic bonding, and the intermediate plate 12 and the nozzle plate 11 are bonded together by anodic bonding, whereby the head substrate 10 is completed.

本実施例では、上述のようにしてヘッド基板10を完成させた後(陽極接合の後)、圧電体16aに対して分極処理を行った。具体的には、圧電素子13の上部電極16bの電位が+50V、下部電極16cの電位がGND(接地電位)となるように電圧を印加して分極処理を行った。その結果、図2で示したように、絶縁膜18で覆われた圧電体16aの第1の領域R1では、スパッタ成膜時の分極方向がそのまま維持され(分極方向は下部電極16cから上部電極16bに向かう方向)、絶縁膜18で覆われていない圧電体16aの第2の領域R2では、スパッタ成膜時の分極方向が反転する(分極方向は上部電極16bから下部電極16cに向かう方向)。   In this example, after the head substrate 10 was completed as described above (after anodic bonding), the piezoelectric body 16a was subjected to polarization treatment. Specifically, the polarization process was performed by applying a voltage such that the potential of the upper electrode 16b of the piezoelectric element 13 was +50 V and the potential of the lower electrode 16c was GND (ground potential). As a result, as shown in FIG. 2, in the first region R1 of the piezoelectric body 16a covered with the insulating film 18, the polarization direction at the time of sputtering film formation is maintained as it is (the polarization direction changes from the lower electrode 16c to the upper electrode). In the second region R2 of the piezoelectric body 16a that is not covered with the insulating film 18, the polarization direction during sputtering film formation is reversed (the polarization direction is the direction from the upper electrode 16b to the lower electrode 16c). .

なお、本実施例において、ヘッド基板10を完成させた後に分極処理を行っているのは、ヘッド基板10の完成前、すなわち、陽極接合の前に分極処理を行うと、その後の陽極接合時の高温によって分極状態が変化して圧電特性が低下するおそれがあるためである。例えば接着剤によって各プレートを接合するなど、陽極接合を用いずにヘッド基板10を完成させることができるのであれば、分極処理はヘッド基板10の完成前に行ってもよい。   In this embodiment, the polarization process is performed after the head substrate 10 is completed. The polarization process is performed before the completion of the head substrate 10, that is, before the anodic bonding. This is because there is a possibility that the polarization state is changed by high temperature and the piezoelectric characteristics are deteriorated. For example, if the head substrate 10 can be completed without using anodic bonding, such as bonding each plate with an adhesive, the polarization treatment may be performed before the head substrate 10 is completed.

最後に、分極処理済みのヘッド基板10と配線基板20とを接着樹脂層30を介して貼り合わせ、配線基板20の上面に、インク室41を構成するマニホールド40を、取付板50を介して取り付けることで、インクジェットヘッド1が完成する(図1参照)。   Finally, the polarization-treated head substrate 10 and the wiring substrate 20 are bonded together via the adhesive resin layer 30, and the manifold 40 constituting the ink chamber 41 is attached to the upper surface of the wiring substrate 20 via the mounting plate 50. Thus, the inkjet head 1 is completed (see FIG. 1).

(実施例2)
実施例2では、絶縁膜18の開口部18aの直径(開口径)を調整して、圧電体16aの第1の領域R1の幅を、圧電体16aの厚さ(5μm)の半分の2.5μmにした以外は、実施例1と同様である。すなわち、実施例2では、圧電体16aの厚さをdμmとしたときに、第2の領域R2が圧電体16aの端面16s(図2参照)からd/2μm離れるように、第1の領域R1の幅を設定した。
(Example 2)
In Example 2, the diameter (opening diameter) of the opening 18a of the insulating film 18 is adjusted so that the width of the first region R1 of the piezoelectric body 16a is half the thickness (5 μm) of the piezoelectric body 16a. Except for 5 μm, it is the same as Example 1. That is, in Example 2, when the thickness of the piezoelectric body 16a is d μm, the first area R1 is set so that the second area R2 is separated from the end face 16s (see FIG. 2) of the piezoelectric body 16a by d / 2 μm. The width of was set.

(比較例1)
比較例1では、絶縁膜18を形成せずに圧電体16aに対して上記と同様の分極処理を行った以外は、実施例1と同様である。絶縁膜18を形成せずに分極処理を行っているため、圧電体16aの分極方向は、圧電体16aの全域にわたってスパッタ成膜時とは逆方向(上部電極16bから下部電極16cに向かう方向)である。なお、比較例1のインクジェットヘッドでは、上部電極16aの直径を、実施例1の絶縁膜18の開口部18aの直径と同じ186μmとした。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the piezoelectric body 16a is subjected to the same polarization treatment without forming the insulating film 18. Since the polarization process is performed without forming the insulating film 18, the polarization direction of the piezoelectric body 16a is opposite to the direction of sputtering deposition over the entire area of the piezoelectric body 16a (the direction from the upper electrode 16b to the lower electrode 16c). It is. In the inkjet head of Comparative Example 1, the diameter of the upper electrode 16a was set to 186 μm, which is the same as the diameter of the opening 18a of the insulating film 18 of Example 1.

〔4.耐久性試験について〕
次に、実施例1、2および比較例1のインクジェットヘッド(圧電素子)の耐久性試験を行った。この耐久性試験では、上部電極16bを信号線、下部電極16cをGNDとし、上部電極16aに印加する電圧の駆動波形を、50kHz、0〜25Vの台形波とし、その台形波の立上り時間を1μs、立下り時間を1μsとして、圧電素子を連続駆動した。
[4. Durability test)
Next, durability tests of the inkjet heads (piezoelectric elements) of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were performed. In this durability test, the upper electrode 16b is a signal line, the lower electrode 16c is GND, the drive waveform of the voltage applied to the upper electrode 16a is a trapezoidal wave of 50 kHz, 0 to 25 V, and the rise time of the trapezoidal wave is 1 μs. The piezoelectric element was continuously driven with a fall time of 1 μs.

その結果、比較例1のインクジェットヘッドでは、連続駆動時間が300時間を越えたところでPZTの剥離が発生した。これに対して、実施例1および2のインクジェットヘッドでは、1000時間まで連続駆動させたが、PZTの剥離は発生しなかった。   As a result, in the inkjet head of Comparative Example 1, PZT peeling occurred when the continuous driving time exceeded 300 hours. In contrast, the inkjet heads of Examples 1 and 2 were continuously driven up to 1000 hours, but PZT peeling did not occur.

また、表1は、実施例1、2および比較例1のインクジェットヘッド(圧電素子)における各パラメータ、振動板の最大振幅および圧電体の剥離応力(シミュレーション値)を示している。なお、振動板の最大振幅および圧電体の剥離応力については、比較例1の値を100としたときの相対値で示している。   Table 1 shows parameters of the inkjet heads (piezoelectric elements) in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the maximum amplitude of the diaphragm, and the peeling stress (simulation value) of the piezoelectric body. The maximum amplitude of the diaphragm and the peeling stress of the piezoelectric body are shown as relative values when the value of Comparative Example 1 is 100.

Figure 2013247216
Figure 2013247216

実施例1、2および比較例1では、振動板の最大振幅は、測定値(絶対値)でどれもおよそ600nmであり、差異はほとんどなかった。また、圧電体のエッジにかかる剥離応力については、実施例1では、比較例1よりも24.3%減となっており、比較例1に比べて剥離応力がかなり低減されていることがわかる。また、実施例2についても、比較例1よりも1割近く剥離応力が低減されていることがわかる。このように、実施例1および2では、比較例1よりも剥離応力が低減されている結果、上記のようにPZTの剥離が発生しづらくなっているものと考えられる。   In Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the maximum amplitude of the diaphragm was approximately 600 nm in measured value (absolute value), and there was almost no difference. In addition, the peeling stress applied to the edge of the piezoelectric body is 24.3% lower than that in Comparative Example 1 in Example 1, and it can be seen that the peeling stress is considerably reduced as compared with Comparative Example 1. . Moreover, also about Example 2, it turns out that peeling stress is reduced about 10% rather than the comparative example 1. FIG. Thus, in Examples 1 and 2, it is considered that PZT peeling is less likely to occur as described above as a result of the reduction in peeling stress compared to Comparative Example 1.

また、表1より、実施例1および2では、振動板の最大振幅の低下はほとんどないと考えられる。したがって、実施例1および2の構成によれば、振動板の最大振幅(圧電体の圧電特性に対応)をほとんど低下させることなく、剥離応力を低減して、PZTの剥離を抑制することができると言える。   Further, from Table 1, in Examples 1 and 2, it is considered that there is almost no decrease in the maximum amplitude of the diaphragm. Therefore, according to the configurations of the first and second embodiments, the peeling stress can be reduced and the peeling of PZT can be suppressed without substantially reducing the maximum amplitude of the diaphragm (corresponding to the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body). It can be said.

以上のように、本実施形態では、上部電極16bの一部が、絶縁膜18を介して圧電体16a上に形成されているので、分極処理の際に、絶縁膜18の直下に位置する圧電体16aの第1の領域R1では、スパッタ法による成膜時の分極方向をそのまま維持しつつ、第2の領域R2のみを分極反転させることができる。そして、圧電素子13を駆動すべく、上部電極16bにプラス電圧を印加すると、第2の領域R2で圧電体16aが膜厚方向に伸長し(膜厚方向に垂直な方向に収縮し)、第1の領域R1で圧電体16aが膜厚方向に収縮する(膜厚方向に垂直な方向に伸長する)。これにより、第2の領域R2での圧電体16aの変位によって圧電体16aのエッジ16eにかかる剥離応力を、第1の領域R1での圧電体16aの逆方向の変位によって低減することができる。その結果、圧電素子13を連続駆動した場合でも、スパッタ法で成膜された圧電体16aが下部電極16cから剥離するのを抑制することができ、信頼性を向上させることができる。   As described above, in this embodiment, a part of the upper electrode 16b is formed on the piezoelectric body 16a with the insulating film 18 interposed therebetween. Therefore, the piezoelectric element positioned directly below the insulating film 18 during the polarization process. In the first region R1 of the body 16a, only the second region R2 can be inverted in polarization while maintaining the polarization direction during film formation by sputtering. When a positive voltage is applied to the upper electrode 16b to drive the piezoelectric element 13, the piezoelectric body 16a expands in the film thickness direction (contracts in a direction perpendicular to the film thickness direction) in the second region R2, and the first region The piezoelectric body 16a contracts in the film thickness direction in one region R1 (extends in a direction perpendicular to the film thickness direction). Thereby, the peeling stress applied to the edge 16e of the piezoelectric body 16a due to the displacement of the piezoelectric body 16a in the second region R2 can be reduced by the reverse displacement of the piezoelectric body 16a in the first region R1. As a result, even when the piezoelectric element 13 is continuously driven, the piezoelectric body 16a formed by sputtering can be prevented from peeling from the lower electrode 16c, and the reliability can be improved.

また、本実施形態では、圧電体16aの第1の領域R1の分極方向が、スパッタ成膜時の方向、すなわち、下部電極16cから上部電極16bに向かう方向であり、第2の領域R2の分極方向が、上部電極16bから下部電極16cに向かう方向である。このように各領域の分極方向を設定することにより、上部電極16bにプラス電圧を印加して、圧電体16aの第2の領域R2を膜厚方向に伸長させて振動板15を振動させ、圧電素子13を駆動することができる。したがって、上部電極16bにプラス電圧を印加して、圧電体16aの第2の領域R2を素子の駆動に利用する場合に、圧電体16aの剥離を抑制することができる。   In the present embodiment, the polarization direction of the first region R1 of the piezoelectric body 16a is the direction during sputtering film formation, that is, the direction from the lower electrode 16c to the upper electrode 16b, and the polarization of the second region R2 The direction is a direction from the upper electrode 16b toward the lower electrode 16c. In this way, by setting the polarization direction of each region, a positive voltage is applied to the upper electrode 16b, the second region R2 of the piezoelectric body 16a is extended in the film thickness direction, and the diaphragm 15 is vibrated. The element 13 can be driven. Therefore, when a positive voltage is applied to the upper electrode 16b and the second region R2 of the piezoelectric body 16a is used for driving the element, peeling of the piezoelectric body 16a can be suppressed.

また、プラス電圧を印加する駆動回路は、マイナス電圧を印加する駆動回路よりも安価であるので、上部電極16bにプラス極性の電圧を印加する構成とすることで、そのような安価な駆動回路を用いて、圧電素子13を駆動することができる。   In addition, since the drive circuit that applies a positive voltage is less expensive than the drive circuit that applies a negative voltage, such a low-cost drive circuit can be obtained by applying a positive polarity voltage to the upper electrode 16b. By using this, the piezoelectric element 13 can be driven.

なお、コスト面を考えなければ、上部電極16bにマイナス電圧を印加して圧電素子13を駆動する構成とすることもできる。この場合、図2に示した分極方向の設定では、圧電体16aの第2の領域R2が膜厚方向に収縮し(膜厚方向に垂直な方向に伸長し)、第1の領域R1が膜厚方向に伸長する(膜厚方向に垂直な方向に収縮する)。したがって、この場合でも、第2の領域R2での圧電体16aの変位によって圧電体16aのエッジ16eにかかる剥離応力を、第1の領域R1での圧電体16aの逆方向の変位によって低減することができ、連続駆動時における圧電体16aの剥離を抑制することができる。   If the cost is not considered, the piezoelectric element 13 can be driven by applying a negative voltage to the upper electrode 16b. In this case, in the setting of the polarization direction shown in FIG. 2, the second region R2 of the piezoelectric body 16a contracts in the film thickness direction (extends in the direction perpendicular to the film thickness direction), and the first region R1 becomes the film. Elongates in the thickness direction (shrinks in a direction perpendicular to the film thickness direction). Accordingly, even in this case, the peeling stress applied to the edge 16e of the piezoelectric body 16a due to the displacement of the piezoelectric body 16a in the second region R2 is reduced by the reverse displacement of the piezoelectric body 16a in the first region R1. It is possible to suppress the peeling of the piezoelectric body 16a during continuous driving.

また、図5で示したように、圧電体16aの第1の領域R1は、第2の領域R2を囲むように位置しており、第2の領域R2に対して第1の領域R1が外側に位置するので、圧電体16aのエッジ16eを覆うように絶縁膜18を形成することが容易にできる。このように絶縁膜18を形成することで、絶縁膜18によって圧電体16aのエッジ16eにかかる剥離応力を緩和することができるので、圧電体16aの剥離をさらに抑制することができる。   As shown in FIG. 5, the first region R1 of the piezoelectric body 16a is positioned so as to surround the second region R2, and the first region R1 is located outside the second region R2. Therefore, the insulating film 18 can be easily formed so as to cover the edge 16e of the piezoelectric body 16a. By forming the insulating film 18 in this way, the peeling stress applied to the edge 16e of the piezoelectric body 16a can be relieved by the insulating film 18, so that the peeling of the piezoelectric body 16a can be further suppressed.

なお、絶縁膜18のパターニング形状を変更して、圧電体16aの第1の領域R1を囲むように第2の領域R2を位置させるようにしてもよい。この場合は、圧電体16aの第1の領域R1の変位を素子の駆動に利用することができる。ただし、この場合は、第1の領域R1が第2の領域R2の内側に位置するため、圧電体16aのエッジ16eを覆うように絶縁膜18を形成することはできなくなるが、第1の領域R1と第2の領域R2とで圧電体16aの変位の方向が逆であることによって、圧電体16aの剥離応力を低減でき、圧電体16aの剥離を抑制できることに変わりはない。   Note that the patterning shape of the insulating film 18 may be changed so that the second region R2 is positioned so as to surround the first region R1 of the piezoelectric body 16a. In this case, the displacement of the first region R1 of the piezoelectric body 16a can be used for driving the element. However, in this case, since the first region R1 is located inside the second region R2, the insulating film 18 cannot be formed so as to cover the edge 16e of the piezoelectric body 16a, but the first region Since the direction of displacement of the piezoelectric body 16a is opposite between R1 and the second region R2, the peeling stress of the piezoelectric body 16a can be reduced, and the peeling of the piezoelectric body 16a can be suppressed.

また、実施例1および2の結果から、圧電体16aの厚さをdμmとしたとき、第2の領域R2は、圧電体16aの端面16sからd/2μm以上離れていることが望ましいと言える。第2の領域R2と端面16sとの距離がd/2μmよりも短くなると、第2の領域R2が変位したときに、圧電体16aのエッジ16eにかかる剥離応力が大きくなり、また、第1の領域R1の幅が小さくなるために第1の領域R1によって剥離応力を低減する効果が小さくなり、その結果、圧電体16aが剥離しやすくなると考えられる。したがって、第2の領域R2を端面16sからd/2μm以上離すことにより、圧電体16aのエッジ16eにかかる剥離応力を低減して、圧電体16aの剥離を抑えることができる。   From the results of Examples 1 and 2, it can be said that when the thickness of the piezoelectric body 16a is d μm, it is desirable that the second region R2 be separated from the end face 16s of the piezoelectric body 16a by d / 2 μm or more. When the distance between the second region R2 and the end face 16s is shorter than d / 2 μm, when the second region R2 is displaced, the peeling stress applied to the edge 16e of the piezoelectric body 16a increases, and the first Since the width of the region R1 is reduced, the effect of reducing the peeling stress is reduced by the first region R1, and as a result, the piezoelectric body 16a is considered to be easily peeled off. Therefore, by separating the second region R2 from the end surface 16s by d / 2 μm or more, the peeling stress applied to the edge 16e of the piezoelectric body 16a can be reduced, and the peeling of the piezoelectric body 16a can be suppressed.

また、圧電体16aのエッジ16eを覆うように絶縁膜18を形成した場合でも、圧電体16aの端面16sには所望の厚みで絶縁膜18が付着しにくく、エッジ部分で絶縁膜18のカバーリング欠陥が発生しやすい。このため、上部電極16bが圧電体16aの形成領域S3よりも大きく形成されると、圧電体16aのエッジ付近で上部電極16bと下部電極16cとが短絡する可能性がある。   Even when the insulating film 18 is formed so as to cover the edge 16e of the piezoelectric body 16a, the insulating film 18 hardly adheres to the end face 16s of the piezoelectric body 16a with a desired thickness, and the insulating film 18 is covered at the edge portion. Defects are likely to occur. For this reason, if the upper electrode 16b is formed larger than the formation region S3 of the piezoelectric body 16a, the upper electrode 16b and the lower electrode 16c may be short-circuited near the edge of the piezoelectric body 16a.

この点、本実施形態では、図10(b)で示したように、上部電極16bは、圧電体16aの形成領域S3の内側に形成されており、圧電体16aのエッジ16eを跨がないので、上部電極16bと下部電極16cとの短絡を回避することができる。   In this respect, in this embodiment, as shown in FIG. 10B, the upper electrode 16b is formed inside the formation region S3 of the piezoelectric body 16a and does not straddle the edge 16e of the piezoelectric body 16a. Short circuit between the upper electrode 16b and the lower electrode 16c can be avoided.

また、本実施形態のインクジェットヘッド1は、薄膜の圧電体16aを有する上述した圧電素子13を備え、圧電素子13の振動板15を振動させることにより、圧力室14aに収容されるインクを吐出させるので、薄型で耐久性に優れた、信頼性の高いインクジェットヘッド1を実現することができる。   The inkjet head 1 of the present embodiment includes the above-described piezoelectric element 13 having a thin film piezoelectric body 16a, and ejects ink stored in the pressure chamber 14a by vibrating the vibration plate 15 of the piezoelectric element 13. Therefore, it is possible to realize a thin and highly reliable inkjet head 1 with excellent durability.

また、インクジェットヘッド1において、図10(b)で示したように、下部電極16cの形成領域S1の内側に圧力室14aの形成領域S2があり、圧力室14aの上方では、圧力室14aの形成領域S2の内側に圧電体16aの形成領域S3があり、圧電体16aの形成領域S3の内側に上部電極16bの形成領域S4があるので、圧力室14a、圧電体16aおよび上部電極16bを高密度に配置した構成を容易に実現することができ、これによって、高品位な画像印刷が可能で安定した印刷特性を有するインクジェットヘッド1を実現することができる。   Further, in the inkjet head 1, as shown in FIG. 10B, there is a formation region S2 of the pressure chamber 14a inside the formation region S1 of the lower electrode 16c, and the formation of the pressure chamber 14a is above the pressure chamber 14a. The formation area S3 of the piezoelectric body 16a is inside the area S2, and the formation area S4 of the upper electrode 16b is inside the formation area S3 of the piezoelectric body 16a. Therefore, the pressure chamber 14a, the piezoelectric body 16a, and the upper electrode 16b Thus, the inkjet head 1 can be realized with high quality image printing and stable printing characteristics.

以上では、圧電素子13をインクジェットヘッド1に適用した場合について説明したが、本実施形態の圧電素子13は、超音波センサにも適用することができる。つまり、振動板15が開口部(圧力室14a)を覆うように基板(Si基板、圧力室プレート14)上に設けられる構成では、開口部内に気体や液体(例えばインク)などの吐出媒体を充填することで、圧電素子13をポンプ(例えばインクジェットヘッド1)として用いることができる。それに加えて、音波や超音波によって振動板15を振動させてそのときの圧電体16aの変位に応じた電界を上部電極16bおよび下部電極16cを介して検出することもでき、この場合は、圧電素子13を超音波センサとして用いることができる。   Although the case where the piezoelectric element 13 is applied to the inkjet head 1 has been described above, the piezoelectric element 13 of the present embodiment can also be applied to an ultrasonic sensor. That is, in the configuration in which the diaphragm 15 is provided on the substrate (Si substrate, pressure chamber plate 14) so as to cover the opening (pressure chamber 14a), the opening is filled with a discharge medium such as gas or liquid (for example, ink). By doing so, the piezoelectric element 13 can be used as a pump (for example, the inkjet head 1). In addition, the vibration plate 15 can be vibrated by sound waves or ultrasonic waves, and an electric field corresponding to the displacement of the piezoelectric body 16a at that time can be detected via the upper electrode 16b and the lower electrode 16c. The element 13 can be used as an ultrasonic sensor.

本発明の圧電素子は、例えばインクジェットヘッドや超音波センサに利用可能である。   The piezoelectric element of the present invention can be used for, for example, an inkjet head or an ultrasonic sensor.

1 インクジェットヘッド
13 圧電素子
14 圧力室プレート(基板)
14a 圧力室(開口部)
15 振動板
16a 圧電体
16b 上部電極
16c 下部電極
16e エッジ
16s 端面
18 絶縁膜
R1 第1の領域
R2 第2の領域
1 Inkjet head 13 Piezoelectric element 14 Pressure chamber plate (substrate)
14a Pressure chamber (opening)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Diaphragm 16a Piezoelectric body 16b Upper electrode 16c Lower electrode 16e Edge 16s End surface 18 Insulating film R1 1st area | region R2 2nd area | region

Claims (12)

振動板上に、スパッタ法によって成膜される圧電体と、前記圧電体を膜厚方向で挟むように形成される下部電極および上部電極とを有する圧電素子であって、
前記上部電極の一部は、絶縁膜を介して前記圧電体上に形成されており、
前記圧電体は、前記絶縁膜の直下に位置して、スパッタ法による成膜時の分極方向が維持された第1の領域と、前記絶縁膜の非形成領域と対応し、前記分極方向が反転された第2の領域とを有していることを特徴とする圧電素子。
A piezoelectric element having a piezoelectric body formed on a vibration plate by a sputtering method, and a lower electrode and an upper electrode formed so as to sandwich the piezoelectric body in a film thickness direction,
A part of the upper electrode is formed on the piezoelectric body via an insulating film,
The piezoelectric body is located immediately below the insulating film, corresponds to a first region where the polarization direction during film formation by sputtering is maintained, and a region where the insulating film is not formed, and the polarization direction is reversed. And a second region.
前記第1の領域の分極方向が、前記下部電極から前記上部電極に向かう方向であり、
前記第2の領域の分極方向が、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向であることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
The polarization direction of the first region is a direction from the lower electrode toward the upper electrode;
2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the polarization direction of the second region is a direction from the upper electrode toward the lower electrode.
前記上部電極にプラス極性の電圧が印加されることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein a positive polarity voltage is applied to the upper electrode. 前記第1の領域は、前記第2の領域を囲むように位置していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first region is positioned so as to surround the second region. 前記絶縁膜は、前記圧電体のエッジを覆うように形成されていることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 4, wherein the insulating film is formed so as to cover an edge of the piezoelectric body. 前記圧電体の厚さをdμmとしたとき、
前記第2の領域は、前記圧電体の端面からd/2μm以上離れていることを特徴とする請求項4または5に記載の圧電素子。
When the thickness of the piezoelectric body is d μm,
6. The piezoelectric element according to claim 4, wherein the second region is separated from the end face of the piezoelectric body by d / 2 μm or more.
前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body contains lead zirconate titanate as a main component. 前記圧電体の厚さが、2〜10μmであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body has a thickness of 2 to 10 μm. 前記上部電極は、前記圧電体の形成領域の内側に形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the upper electrode is formed inside a region where the piezoelectric body is formed. 開口部を有する基板をさらに有しており、
前記振動板は、前記開口部を覆うように前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の圧電素子。
A substrate having an opening;
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the diaphragm is formed on the substrate so as to cover the opening.
請求項10に記載の圧電素子を備え、前記圧電素子の前記振動板を振動させることにより、圧力室としての前記基板の開口部に収容されるインクを吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。   An ink jet head comprising the piezoelectric element according to claim 10, wherein ink accommodated in an opening of the substrate as a pressure chamber is ejected by vibrating the diaphragm of the piezoelectric element. 前記下部電極の形成領域の内側に前記圧力室の形成領域があり、
前記圧力室の上方では、
前記圧力室の形成領域の内側に前記圧電体の形成領域があり、
前記圧電体の形成領域の内側に前記上部電極の形成領域があることを特徴とする請求項11に記載のインクジェットヘッド。
There is a formation region of the pressure chamber inside the formation region of the lower electrode,
Above the pressure chamber,
There is a formation region of the piezoelectric body inside the formation region of the pressure chamber,
The inkjet head according to claim 11, wherein the upper electrode formation region is inside the piezoelectric material formation region.
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