JP2013254966A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 - Google Patents
液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013254966A JP2013254966A JP2013148311A JP2013148311A JP2013254966A JP 2013254966 A JP2013254966 A JP 2013254966A JP 2013148311 A JP2013148311 A JP 2013148311A JP 2013148311 A JP2013148311 A JP 2013148311A JP 2013254966 A JP2013254966 A JP 2013254966A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- titanium oxide
- piezoelectric
- piezoelectric element
- piezoelectric layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 39
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 113
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 48
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910003446 platinum oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 13
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 21
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 32
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 16
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 10
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 9
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 5
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Coating Apparatus (AREA)
Abstract
【課題】クラックや膜剥がれ等の破壊を防止すると共に、圧電特性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供する。
【解決手段】ノズル開口２１に連通する圧力発生室１２と、第１電極６０と、該第１電極６０上に形成された圧電体層７０と、該圧電体層７０の前記第１電極６０とは反対側に形成された第２電極８０と、を備え、前記圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧電素子３００と、を具備し、前記第１電極６０は白金及び酸化チタンを含み、該酸化チタンのルチル構造の結晶形の部分を７６．５ｍｏｌ％以上とする。
【選択図】図２
【解決手段】ノズル開口２１に連通する圧力発生室１２と、第１電極６０と、該第１電極６０上に形成された圧電体層７０と、該圧電体層７０の前記第１電極６０とは反対側に形成された第２電極８０と、を備え、前記圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧電素子３００と、を具備し、前記第１電極６０は白金及び酸化チタンを含み、該酸化チタンのルチル構造の結晶形の部分を７６．５ｍｏｌ％以上とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに第１電極、圧電体層及び第２電極を具備する圧電素子に関する。
液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、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を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエータ装置として液体噴射ヘッドに搭載される。なお、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開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子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開口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。
また、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子は、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）
しかしながら、圧電素子は、その駆動により膜剥がれやクラックが発生する可能性があるという問題がある。また、消費電力抑制の要望から、小さな駆動電圧で重量の大きなインク滴を吐出できる液体噴射ヘッドが求められている。
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、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも同様に存在する。また、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、クラックや膜剥がれ等の破壊を防止すると共に、圧電特性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備し、前記第１電極は白金及び酸化チタンを含み、該酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、第１電極の酸化チタンの熱膨張による内部応力を低減すると共に、格子定数を白金や圧電体層と揃えて、クラックや膜剥がれが発生するのを防止することができる。また、酸化チタンの比誘電率を比較的高くすることができるため、圧電体層に大きな電圧を印加することができる。これにより、小さい駆動電圧で大きな圧電変位を得ることができる。
かかる態様では、第１電極の酸化チタンの熱膨張による内部応力を低減すると共に、格子定数を白金や圧電体層と揃えて、クラックや膜剥がれが発生するのを防止することができる。また、酸化チタンの比誘電率を比較的高くすることができるため、圧電体層に大きな電圧を印加することができる。これにより、小さい駆動電圧で大きな圧電変位を得ることができる。
ここで、前記第１電極が酸化イリジウムを含むことが好ましい。これによれば、圧電体層を形成する際の高温の熱処理により圧電体層を構成する成分が第１電極及びその下地側に拡散するのを防止することができる。
また、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、所望の圧電特性を有する圧電体層を容易に且つ高精度に形成することができる。
また、前記酸化チタンは、ルチル構造が９０ｍｏｌ％以上であることが好ましい。これによれば、さらに酸化チタンの熱膨張による応力集中を低減すると共に、格子定数を揃えて、且つ比誘電率を低くすることができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の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、耐久性及び吐出特性に優れた液体噴射装置を実現できる。
かかる態様では、耐久性及び吐出特性に優れた液体噴射装置を実現できる。
また、本発明の他の態様は、第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを具備し、前記第１電極は白金及び酸化チタンを含み、該酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、第１電極の酸化チタンの熱膨張による内部応力を低減すると共に、格子定数を白金や圧電体層と揃えて、クラックや膜剥がれが発生するのを防止することができる。また、酸化チタンの比誘電率を比較的高くすることができるため、圧電体層に大きな電圧を印加することができる。これにより、小さい駆動電圧で大きな圧電変位を得ることができる。
かかる態様では、第１電極の酸化チタンの熱膨張による内部応力を低減すると共に、格子定数を白金や圧電体層と揃えて、クラックや膜剥がれが発生するのを防止することができる。また、酸化チタンの比誘電率を比較的高くすることができるため、圧電体層に大きな電圧を印加することができる。これにより、小さい駆動電圧で大きな圧電変位を得ることができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（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の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
（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の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、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。
インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、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。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。
すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
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、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
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、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが例えば、約１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの第２電極８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子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、圧電素子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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子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。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
第１電極６０は、酸化チタン（ＴｉＯｘ）及び白金（Ｐｔ）を含むものである。本実施形態では、第１電極６０は、さらに、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）を有する。なお、酸化チタンは、詳しくは後述するが、例えば、第１電極６０と下地である絶縁体膜５５との密着力を向上させるための密着層として設けられている。また、白金は、熱処理により圧電体層７０を形成する際に、同時に高温の熱処理が行われても導電性を喪失しない材料として選定される。また、酸化イリジウムは、圧電体層７０を形成する際の高温の熱処理により圧電体層７０を構成する成分が第１電極６０及びその下地側に拡散するのを防止するためのものである。
このような第１電極６０は、酸化チタン、白金及び酸化イリジウム等の材料が、合金化又は混合化されたものである。合金化とは、金属元素と他の金属元素とが金属結合している状態を言い、混合化とは、金属元素と他の金属元素とが金属結合していない状態を言う。
ここで、本発明の第１電極６０の酸化チタン（ＴｉＯｘ）は、ルチル構造の結晶形の部分が、７６．５ｍｏｌ％以上である。ちなみに、酸化チタンのルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上とは、酸化チタンの結晶形の全体に対して、ルチル構造の部分が７６．５ｍｏｌ％以上であることを言う。したがって、第１電極６０に含まれるルチル構造以外のその他の構造であるアナターゼ構造やブルカイト構造の結晶形の部分は、２３．５ｍｏｌ％以下となっている。もちろん、酸化チタンは、結晶形以外に非晶質の部分を含むようにしてもよい。
なお、酸化チタンの結晶形の違いによる熱膨張係数、比誘電率及び格子定数を下記表１に示す。また、白金及び圧電体層７０（ＰＺＴ）の格子定数についても下記表１に示す。
表１に示すように、酸化チタンは、結晶形がアナターゼ構造の場合、格子定数がｃ軸方向に大きいため、この格子定数（9.514Å）では、白金の格子定数（3.9231Å）や、圧電体層７０の格子定数（4.05Å）との整合性が悪い。
これに対して、ルチル構造の酸化チタンは、ｃ軸方向の格子定数が2.959Åと、白金や圧電体層７０の格子定数に近く、整合性がよい。
また、アナターゼ構造の酸化チタンの熱膨張係数は、結晶軸（ａ軸、ｃ軸）方向によって２倍以上異なっており、アナターゼ構造周辺に大きな応力不均一性を与えてしまい、クラックの発生や膜剥がれが生じてしまう。
これに対して、ルチル構造の酸化チタンの熱膨張係数は、結晶軸（ａ軸、ｃ軸）方向に大きな差がなく、ルチル構造周辺の応力は均一となる。したがって、クラックの発生や膜剥がれなどを低減できる。
さらに、アナターゼ構造の酸化チタンは、ルチル構造の酸化チタンに比べて比誘電率が半分以下となっている。このため、圧電体層７０と第１電極６０との界面に存在する酸化チタンは、圧電体層７０を駆動する際に電圧が印加されるのに伴い、酸化チタン自身も電圧が印加される。このとき、酸化チタンの比誘電率が低いと、印加された電圧の多くが酸化チタンに集中し、圧電体層７０に所望の電圧を印加することができなくなる。これに対して、酸化チタンの比誘電率が高いと、酸化チタンに印加される電圧が低くなり、圧電体層７０に印加される電圧が大きくなり、少ない駆動電圧で大きな圧電変位量を得ることができる、良好なデバイスとすることができる。したがって、比誘電率から比較しても酸化チタンは、ルチル構造が好適である。
そして、第１電極６０に含まれる酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分が、７６．５ｍｏｌ％以上となっている。これは、酸化チタンの破壊に至る応力は、０．０７〜０．１ＧＰａであるため（文献；CRC Materials Science and Engineering Handbook, P.55より）、酸化チタンのルチル構造とアナターゼ構造との混合比（ｍｏｌ％）の変化と、熱膨張により発生する応力との関係を算出すると図３に示す結果となる。
すなわち、図３に示すように、酸化チタンは、アナターゼ構造の結晶形の部分が２３．５ｍｏｌ％よりも多くなると、引っ張り応力が０．０７ＧＰａよりも大きくなってしまう。このため、酸化チタンの破壊を防止するためには、引っ張り応力を０．０７ＧＰａ以下となるように、アナターゼ構造の結晶形の部分を２３．５ｍｏｌ％以下とする。したがって、酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分を７６．５ｍｏｌ％以上とすることで、熱膨張により発生する応力を低減させて、クラックや膜剥がれなどの破壊を防止することができる。もちろん、酸化チタンは、全てルチル構造の結晶形、すなわち、ルチル構造の結晶形の部分が１００ｍｏｌ％とすることで、より好適となる。なお、酸化チタンのルチル構造の結晶形が１００ｍｏｌ％とは、高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）を用いて測定した結果の１００ｍｏｌ％のことを言う。ここで、高分解能透過型電子顕微鏡を用いて酸化チタンの結晶形を測定しても、１０％以下の結晶形の測定は不可能である。したがって、ここで言う酸化チタンのルチル構造の結晶形の部分がルチル構造のみからなるとは、実質的にはルチル構造の結晶形の部分が９０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％のことを言う。
このような結晶形の酸化チタンを有する第１電極６０は、例えば、圧電体層７０を形成する前に、絶縁体膜５５上にチタン（Ｔｉ）からなる密着層と、白金（Ｐｔ）からなる白金層と、イリジウム（Ｉｒ）からなるイリジウム層とを順次積層形成した後、圧電体層７０を熱処理により形成する際に密着層、白金層及びイリジウム層が同時に加熱処理されることにより形成することができる。すなわち、密着層のチタンが、第１電極６０と絶縁体膜５５との境界部分に残留して酸化チタンとなると共に、圧電体層７０側（イリジウムが酸化することで形成された酸化イリジウムの拡散防止層側）に移動して熱酸化されて酸化チタンとなる。
なお、チタンからなる密着層の厚さを厚くし過ぎると、圧電体層７０を熱処理により形成した際に、チタンに酸化されない領域ができてしまう可能性があるため、酸化チタンを圧電体層７０の熱処理によって形成する場合には、５０ｎｍ以下とするのが好ましい。
ここで、一般的に、ブルカイト構造の酸化チタンは、６５０℃以上でルチル構造に転移する。また、アナターゼ構造の酸化チタンは、９００℃以上でルチル構造に転移する。したがって、圧電体層７０の熱処理が、例えば、６００〜８００℃の場合、ルチル構造、アナターゼ構造、ブルカイト構造の３種類の結晶構造が混在したものとなる。そして、圧電体層７０の熱処理によって、同時に加熱してルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上の酸化チタンを形成するためには、熱処理前に形成するチタンからなる密着層を、例えば、高レートのスパッタリング法により疎に形成することで、比較的低温で酸化され易く、且つルチル構造で形成することができる。
もちろん、第１電極６０に含まれる酸化チタンは、圧電体層７０の熱処理によってチタンを加熱して形成する方法に限定されず、例えば、第１電極６０を形成する際に、酸化チタンを直接積層形成するようにしてもよい。このような酸化チタンは、例えば、ＲＦスパッタリング法により直接形成することができる。
また、チタンからなる密着層の熱処理は、圧電体層７０の熱処理とは別に行ってもよい。すなわち、密着層、白金層及びイリジウム層等を積層形成した後、圧電体層７０を形成する前にこれらの各層を加熱することで酸化チタン及び白金を含む第１電極６０を形成するようにしてもよい。
また、圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ3）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。
さらに、圧電素子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、絶縁体膜５５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。
このような圧電素子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及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部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。このリザーバ部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リザーバ１００を構成している。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子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。
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。
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、各圧電素子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。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子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等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
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（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ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、リザーバ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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部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、リザーバ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、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層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。
（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１では、第１電極６０が、白金、酸化チタン及び酸化イリジウムが合金化又は混合化されたものを例示したが、各材料が主成分となる層が積層された構成であってもよい。このような第１電極６０としては、例えば、絶縁体膜５５側から、酸化チタンを主成分とする密着層と、白金を主成分とする白金層と、酸化イリジウムを主成分とする拡散防止層と、酸化チタンを主成分とする結晶種層とが積層された構成のものなどが挙げられる。このような構成の場合、例えば、上述した酸化チタンの比誘電率については、圧電体層７０側に設けられた結晶種層が大きく影響するものである。
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１では、第１電極６０が、白金、酸化チタン及び酸化イリジウムが合金化又は混合化されたものを例示したが、各材料が主成分となる層が積層された構成であってもよい。このような第１電極６０としては、例えば、絶縁体膜５５側から、酸化チタンを主成分とする密着層と、白金を主成分とする白金層と、酸化イリジウムを主成分とする拡散防止層と、酸化チタンを主成分とする結晶種層とが積層された構成のものなどが挙げられる。このような構成の場合、例えば、上述した酸化チタンの比誘電率については、圧電体層７０側に設けられた結晶種層が大きく影響するものである。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面の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、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態１では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。
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４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。
図４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に軸方向移動自在に設けられている。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。
そして、駆動モータ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。
なお、上述した実施形態１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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。
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素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
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 リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子。
また、前記酸化チタンは、ルチル構造が９０ｍｏｌ％以上であることが好ましい。これによれば、さらに酸化チタンの熱膨張による応力集中を低減すると共に、格子定数を揃えて、且つ比誘電率を低くすることができる。また、前記液体噴射ヘッドは、第１電極と、前記第１電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極とを有する圧電素子を具備し、前記第１電極は白金、及び酸化チタンを含み、前記酸化チタンに含まれるアナターゼ構造の割合は、２３．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。これによれば、白金、圧電体層、及び酸化チタン間の格子定数の値が近くなり、整合性がよくなる。
Claims (6)
- ノズル開口に連通する圧力発生室と、
第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備し、
前記第１電極は白金及び酸化チタンを含み、
該酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上であることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記第１電極が酸化イリジウムを含むことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
- 前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
- 前記酸化チタンは、ルチル構造が９０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載の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。
- 第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを具備し、
前記第１電極は白金及び酸化チタンを含み、
該酸化チタンは、ルチル構造の結晶形の部分が７６．５ｍｏｌ％以上であることを特徴とする圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013148311A JP2013254966A (ja) | 2013-07-17 | 2013-07-17 | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013148311A JP2013254966A (ja) | 2013-07-17 | 2013-07-17 | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008194037A Division JP5320886B2 (ja) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013254966A true JP2013254966A (ja) | 2013-12-19 |
Family
ID=49952190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013148311A Pending JP2013254966A (ja) | 2013-07-17 | 2013-07-17 | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013254966A (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03252315A (ja) * | 1990-02-27 | 1991-11-11 | Osaka Titanium Co Ltd | 高純度酸化チタンの製造方法 |
| JPH06318745A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-11-15 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪膜型素子 |
| JP2005012200A (ja) * | 2003-06-20 | 2005-01-13 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪膜型素子及び製造方法 |
-
2013
- 2013-07-17 JP JP2013148311A patent/JP2013254966A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03252315A (ja) * | 1990-02-27 | 1991-11-11 | Osaka Titanium Co Ltd | 高純度酸化チタンの製造方法 |
| JPH06318745A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-11-15 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪膜型素子 |
| JP2005012200A (ja) * | 2003-06-20 | 2005-01-13 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪膜型素子及び製造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5320886B2 (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 | |
| JP2008091877A (ja) | 圧電素子、アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP2007073931A (ja) | アクチュエータ装置の製造方法及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP5320873B2 (ja) | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子 | |
| JP2010021375A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 | |
| JP2010114417A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置 | |
| JP2010201830A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 | |
| JP2012076387A (ja) | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電アクチュエーター | |
| JP5578311B2 (ja) | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法 | |
| JP2010241021A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター | |
| JP2010143084A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置 | |
| US20060261708A1 (en) | Piezoelectric element, liquid-jet head using piezoelectric element and liquid-jet apparatus | |
| JP2010143205A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置 | |
| JP5344143B2 (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 | |
| JP5561463B2 (ja) | 液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP5540654B2 (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 | |
| JP2012178506A (ja) | 圧電素子の製造方法 | |
| JP2010173197A (ja) | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び液体噴射ヘッドの製造方法 | |
| JP2012199446A (ja) | 圧電素子の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP2012011615A (ja) | 液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置 | |
| JP5429482B2 (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP2009061729A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP2007042949A (ja) | 圧電素子の製造方法及び圧電素子並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 | |
| JP5670017B2 (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエータ装置 | |
| JP2013254966A (ja) | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140924 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141119 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20150108 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20150113 |