JP2016115702A - Piezoelectric actuator, method for manufacturing the same, inkjet head, and inkjet printer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板側から、下部電極、圧電体層および上部電極をこの順で有する圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータの製造方法と、上記圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、上記インクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention includes a piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in this order from the substrate side, a method for manufacturing the piezoelectric actuator, an inkjet head including the piezoelectric actuator, and the inkjet head. The present invention relates to an inkjet printer.
従来から、用紙や布などの記録メディアに対して液体インクを吐出して、文字や図柄を印刷するインクジェットプリンタが知られている。記録メディアに対して、複数のチャネル(インク吐出部)を有するインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディア上に二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形など)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, ink jet printers that print characters and designs by discharging liquid ink onto a recording medium such as paper or cloth are known. By controlling ink ejection while moving an inkjet head having a plurality of channels (ink ejection sections) relative to the recording medium, a two-dimensional image can be output on the recording medium. Ink can be ejected by using an actuator (piezoelectric, electrostatic, thermal deformation, etc.) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years.
また、圧電式のアクチュエータには、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体(圧電薄膜)を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴量は大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度(小液滴で良い)で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。なお、圧電式のアクチュエータにおいて、圧電薄膜を用いるか、バルク状の圧電体を用いるかは、用途に応じて選択すればよい。印刷する画像の大きさ、印刷速度、装置の大きさなどにより、使用する圧電体を、バルク状のものと薄膜のものとで使い分けることができる。 In addition, piezoelectric actuators include those using a bulk piezoelectric body and those using a thin film piezoelectric body (piezoelectric thin film). Since the former has a large output, large droplets can be discharged, but it is large and expensive. On the other hand, since the latter has a small output, the amount of droplets cannot be increased, but is small and low in cost. In order to realize a small, low-cost printer with high resolution (small droplets may be sufficient), it can be said that it is suitable to configure an actuator using a piezoelectric thin film. In the piezoelectric actuator, whether to use a piezoelectric thin film or a bulk piezoelectric body may be selected depending on the application. Depending on the size of the image to be printed, the printing speed, the size of the apparatus, and the like, the piezoelectric material to be used can be properly used for the bulk type and the thin type.
図7は、圧電式のアクチュエータを利用した従来のインクジェットヘッド100の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるB−B’線矢視断面図とを併せて示したものである。このインクジェットヘッド100は、複数の圧力室101aを有する支持基板101を振動板102とノズルプレート103とで挟み込み、各圧力室101aの上方の振動板102上に、駆動素子104を形成して構成されている。ノズルプレート103には、各圧力室101a内のインクを外部に吐出するためのノズル孔103aが形成されている。
FIG. 7 is a plan view showing a schematic configuration of a
駆動素子104は、支持基板101側から、下部電極201、圧電体202、上部電極203をこの順で形成して構成されている。下部電極201は、全ての駆動素子104に共通の電極となっている。上部電極203は、幅の狭い引出部301aを介して接続端子部301と個別に接続されている。引出部301aおよび接続端子部301は、圧力室101aの上方から下部電極201に沿って引き出された圧電体202上に形成されている。下部電極201および接続端子部301は、電気配線を介して図示しない駆動回路と電気的に接続されている。
The
また、振動板102および下部電極201には、インク供給口105が貫通形成されている。図示しないインクタンクからのインクは、インク供給口105を通り、支持基板101に形成されたインク流路101bを介して圧力室101aに供給される。
In addition, an
駆動回路から下部電極201および上部電極203に電圧を印加すると、圧電体202が厚さ方向に垂直な方向に伸縮する。すると、圧電体202と振動板102との長さの違いにより、振動板102に曲率が生じ、振動板102が厚さ方向に変位(湾曲)する。このような振動板102の変位によって圧力室101a内に圧力が付与されることにより、圧力室101a内のインクがノズル孔103aを介して外部に液滴として吐出される。
When a voltage is applied to the
圧力室101aの上方の圧電体202は、下部電極201および上部電極203への電圧印加によって上記のように伸縮するが、引出部301aおよび接続端子部301の下地となる圧電体202は、下方の支持基板101に掘り込み部が形成されていないため、電圧印加時にほとんど変形せず、振動板102もほとんど振動しない。このため、幅の狭い引出部301aおよびその下方の圧電体202(特に圧力室101aとの境界付近)に応力が集中し、上記圧電体202とともに引出部301aが破損するおそれがある。このような応力集中を緩和するために、引出部301aの下方の支持基板101には、圧力室101aよりも幅の狭い掘り込み部(緩衝室)が形成されてもよい。
The
駆動素子に用いられる圧電体には、チタン酸バリウム(BaTiO3)やPZTと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Ti/Zr)O3)など、ペロブスカイト型の金属酸化物が広く用いられている。圧電体を圧電薄膜で構成する場合、基板上に例えばPZTを成膜によって形成する。PZTの成膜は、スパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、ゾルゲル法など、種々の方法を用いて行うことが可能である。なお、圧電材料の結晶化には高温が必要となるため、基板にはシリコン(Si)が良く用いられる。焼成法で別に作製したバルク状の圧電体を用いる場合、この圧電体を接着やネジ止めによって基板に固定してもよい。 Perovskite-type metal oxides such as barium titanate (BaTiO 3 ) and lead zirconate titanate (Pb (Ti / Zr) O 3 ) called PZT are widely used for piezoelectric elements used in driving elements. . When the piezoelectric body is composed of a piezoelectric thin film, for example, PZT is formed on the substrate by film formation. PZT can be formed by various methods such as sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition), and sol-gel. Note that silicon (Si) is often used for the substrate because high temperature is required for crystallization of the piezoelectric material. In the case of using a bulk piezoelectric body separately manufactured by a firing method, this piezoelectric body may be fixed to the substrate by adhesion or screwing.
インクジェットヘッドにおいて、高解像な描画を実現するには、駆動素子やチャネルの配置ピッチを狭くする必要がある。このとき、チャネルを多列化して、各列間でチャネルをずらすことで、みかけ上、ピッチを小さくすることもできる。600〜2400dpi(dot per inch)など、印刷機並みの高解像度を実現するためには、数〜数十の列数が必要となる。 In order to realize high-resolution drawing in an ink jet head, it is necessary to narrow the arrangement pitch of driving elements and channels. At this time, it is possible to apparently reduce the pitch by increasing the number of channels and shifting the channels between the columns. In order to realize a high resolution equivalent to that of a printing press such as 600 to 2400 dpi (dot per inch), several to several tens of columns are required.
一方、図8は、従来の他のインクジェットヘッド200の概略の構成を示す断面図である。このインクジェットヘッド200では、駆動素子104の上部電極203への電圧の印加を、バンプ401および引出配線402を介して行うようにしている。引出配線402は、支持基板101と流路基板403を介して対向配置される配線基板404を貫通してその表裏に形成されており、外部の駆動回路405と接続される。また、支持基板101は、ガラスプレート106を介してノズルプレート103と接合されている。
On the other hand, FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of another
上記のように、上部電極203に電圧を印加するための配線(引出配線402)を、支持基板101とは別の基板(配線基板404)に形成することにより、支持基板101上では、上記配線を設けるスペースが不要となるため、駆動素子104を高密度で配置することが可能となる。
As described above, by forming a wiring (lead wiring 402) for applying a voltage to the
このように、支持基板101と配線基板404とを対向配置して、駆動素子104を高密度に配置する構成は、例えば特許文献1でも開示されている。特許文献1では、配線基板404の基材として、支持基板101と同様のシリコンを用いることで、配線基板404の微細加工を可能として、加工精度を向上させている。
Thus, for example,
なお、配線基板404の基材には、余計な静電容量を持たさないよう、絶縁性のものが採用され、ガラスやポリイミドなどを使用する例もある。引出配線402は、こうした基材の片面、あるいは両面に形成される。
In addition, the base material of the
しかし、上記のように配線基板404を使用してインクジェットヘッド200を構成する場合、配線基板404の使用による部材費のアップや、組立工数が増えるなどにより、コストアップを招く。コストを抑えるためは、前述のように、駆動素子を形成した支持基板上に、配線を直接形成する構成が望ましい。
However, when the
支持基板上に駆動素子を駆動するための配線を直接形成する構成では、優れたインク吐出性能を実現するため、駆動素子の圧電体として、圧電特性が高く、誘電率も高い圧電体が成膜される。圧電体は絶縁体であるため、上部電極を引き出す配線を圧電体上に直接形成することができるが、圧電体の誘電率が高いため、配線部(配線と下部電極とで挟まれる部分)の静電容量も高くなってしまう。静電容量の増加は、駆動時の消費電力の増加や駆動信号の遅延を招くため、静電容量を小さくする必要がある。 In the configuration in which the wiring for driving the driving element is directly formed on the support substrate, a piezoelectric body having high piezoelectric characteristics and high dielectric constant is formed as the piezoelectric body of the driving element in order to achieve excellent ink ejection performance. Is done. Since the piezoelectric body is an insulator, it is possible to directly form a wiring for drawing out the upper electrode on the piezoelectric body. However, since the dielectric constant of the piezoelectric body is high, the wiring portion (the portion sandwiched between the wiring and the lower electrode) The capacitance will also increase. An increase in the capacitance causes an increase in power consumption during driving and a delay of the drive signal, so that the capacitance needs to be reduced.
なお、圧電体(絶縁体)の誘電率をεs、圧電体を挟む2枚の金属板(電極)間の距離をd(m)、金属板の面積をS(m2)、真空の誘電率をεo(=8.854×10-12F/m)、静電容量をC(F)としたとき、C=εo・εs・(S/d)である。したがって、面積Sおよび距離dが一定の場合、圧電体の誘電率εsが大きいと、静電容量Cも大きくなる。 The dielectric constant of the piezoelectric body (insulator) is εs, the distance between two metal plates (electrodes) sandwiching the piezoelectric body is d (m), the area of the metal plate is S (m 2 ), and the dielectric constant of vacuum Is εo (= 8.854 × 10 −12 F / m) and the capacitance is C (F), C = εo · εs · (S / d). Therefore, when the area S and the distance d are constant, the capacitance C increases as the dielectric constant εs of the piezoelectric body increases.
そこで、例えば特許文献2では、配線部において、圧電体と、上部電極または下部電極との間に低誘電性膜を形成することにより、配線部の静電容量を低減するようにしている。しかし、この構成では、低誘電性膜を設けることで、圧力室上方の上部電極と、配線部の上部電極(配線)とで段差が生じるため、上部電極が破断しやすくなり、歩留りが低下する。
Therefore, for example, in
この点、例えば特許文献3では、圧電体の結晶構造を制御することで、配線部の圧電体の誘電率を下げるようにしている。より具体的には、圧電体層において、圧電体が変位する変位領域には、圧電特性の良好なペロブスカイト型構造の圧電体を形成し、上部電極の引出配線の下部に位置する配線領域には、変位領域よりも誘電率の低いパイロクロア型構造の圧電体を、変位領域と面一で形成している。これにより、圧電体層上の上部電極の段差をなくして、上記段差に起因する配線の断線を低減し、歩留りの低下を防ぎつつ、配線領域の誘電率の低下により、静電容量を下げるようにしている。
In this regard, for example, in
ところが、特許文献3では、変位領域にペロブスカイト型構造の圧電体を成膜する際に、その下地として、上記圧電体の結晶構造を制御するための結晶制御層(例えばPLT;チタン酸ランタン鉛)を成膜する必要がある。このため、そのような結晶制御層の成膜、パターニング、エッチングなどの工程が追加で必要となる。追加された工程により、異物(コンタミ)などが残された場合、次工程の成膜で、良質な圧電特性を持った膜が得られなかったり、圧電体の結晶欠陥が増加する。結晶欠陥が駆動素子内に取り込まれると、駆動素子の信頼性の悪化につながる。
However, in
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、圧電体層において、変位領域では結晶欠陥の発生を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域では誘電率を小さくして静電容量を小さく抑えることができる圧電アクチュエータおよびその製造方法と、上記圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタとを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to reduce the dielectric constant in the wiring region while suppressing the generation of crystal defects in the displacement region and maintaining high piezoelectric characteristics. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator that can be reduced in size and suppress capacitance, and a manufacturing method thereof, and an inkjet head and an inkjet printer that include the piezoelectric actuator.
本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、基板と、第1の電極と、第2の電極と、圧電体層とを有する圧電アクチュエータであって、前記圧電体層は、前記第1の電極と前記第2の電極との電位差に応じて変位する変位領域を含む第1の領域と、厚さ方向に垂直な面内で前記第1の領域を囲むように位置する第2の領域とを有し、前記第2の領域は、前記変位領域上の前記第2の電極を引き出す配線の下地となる配線領域を含み、前記変位領域は、複数の結晶を含む多結晶膜を有しており、前記第2の領域において、少なくとも前記配線領域は、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜を有している。 A piezoelectric actuator according to one aspect of the present invention is a piezoelectric actuator having a substrate, a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer includes the first electrode and the first electrode. A first region including a displacement region that is displaced in accordance with a potential difference with the second electrode; and a second region positioned so as to surround the first region in a plane perpendicular to the thickness direction. The second region includes a wiring region serving as a base of a wiring for drawing out the second electrode on the displacement region, and the displacement region includes a polycrystalline film including a plurality of crystals, In the second region, at least the wiring region has a deteriorated film in which grain boundaries have disappeared due to integral deterioration of a plurality of crystals.
上記の構成によれば、圧電体層の少なくとも配線領域は、変質膜を有している。変質膜は、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した膜であり、粒界を持つ多結晶膜に比べて誘電率が低い。したがって、配線領域が変質膜を有していることにより、配線領域の誘電率を変位領域よりも小さくすることができる。しかも、従来のような、圧電体の結晶性を制御するための結晶制御層を設けることなく、配線領域の誘電率を小さくできるため、結晶制御層の成膜に起因する不都合、つまり、成膜時の異物混入に起因する結晶欠陥の増大や圧電特性の低下といった不都合は生じない。 According to the above configuration, at least the wiring region of the piezoelectric layer has the altered film. The altered film is a film in which grain boundaries have disappeared due to integral alteration of a plurality of crystals, and has a lower dielectric constant than a polycrystalline film having grain boundaries. Therefore, since the wiring region has the altered film, the dielectric constant of the wiring region can be made smaller than that of the displacement region. Moreover, since the dielectric constant of the wiring region can be reduced without providing a crystal control layer for controlling the crystallinity of the piezoelectric body as in the prior art, the disadvantage caused by the film formation of the crystal control layer, that is, film formation There are no inconveniences such as an increase in crystal defects and a decrease in piezoelectric properties due to contamination with foreign matters.
したがって、上記構成によれば、圧電体層において、変位領域では結晶欠陥の発生を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域では誘電率を小さくして、静電容量を小さく抑えることができる。 Therefore, according to the above configuration, in the piezoelectric layer, the generation of crystal defects can be suppressed in the displacement region and high piezoelectric characteristics can be maintained, while the dielectric constant can be reduced and the capacitance can be suppressed in the wiring region.
上記の圧電アクチュエータは、前記基板側から、前記第1の電極としての下部電極、前記圧電体層、および前記第2の電極としての上部電極をこの順で有していてもよい。この場合、圧電体層をd31モードで駆動する構成において、上述の効果を得ることができる。なお、d31モードとは、圧電体層に対する電圧の印加方向と変位方向とが直交する駆動モードを指す。 The piezoelectric actuator may include a lower electrode as the first electrode, the piezoelectric layer, and an upper electrode as the second electrode in this order from the substrate side. In this case, the above-described effect can be obtained in the configuration in which the piezoelectric layer is driven in the d 31 mode. The d 31 mode refers to a drive mode in which the voltage application direction and the displacement direction are orthogonal to the piezoelectric layer.
前記変質膜は、非晶質構造を持っていてもよい。非晶質構造(アモルファス構造)であることで、粒界を持たない変質膜を確実に実現することができる。 The altered film may have an amorphous structure. By having an amorphous structure (amorphous structure), it is possible to reliably realize a deteriorated film having no grain boundary.
前記配線領域は、前記基板側から、複数の結晶を含む多結晶膜と、前記変質膜とをこの順で有していてもよい。配線領域の厚み方向において、一部(基板側)に多結晶膜が存在する場合でも、残りに(配線側に)変質膜が存在することで、配線領域の誘電率を変位領域よりも小さくすることができる。 The wiring region may include a polycrystalline film including a plurality of crystals and the altered film in this order from the substrate side. Even if there is a polycrystalline film on the part (substrate side) in the thickness direction of the wiring region, the remaining altered film (on the wiring side) makes the dielectric constant of the wiring region smaller than that of the displacement region. be able to.
前記変質膜の厚みは、前記基板側の前記多結晶膜の厚みよりも薄いことが望ましい。変質膜は、例えばレーザー光の照射により、複数の結晶を一体的に変質させる(例えば非晶質化させる)ことによって形成される。変質膜を厚くする場合は、多結晶膜の下層(電極、基板)がレーザー光の照射時の高熱により劣化することが懸念されるため、変質膜は多結晶膜よりも薄くすることが望ましい。 The thickness of the altered film is preferably thinner than the thickness of the polycrystalline film on the substrate side. The altered film is formed by, for example, altering a plurality of crystals integrally (for example, making them amorphous) by irradiation with laser light, for example. In the case where the altered film is thickened, there is a concern that the lower layer (electrode, substrate) of the polycrystalline film is deteriorated due to the high heat at the time of laser light irradiation. Therefore, the altered film is desirably thinner than the polycrystalline film.
前記第1の領域は、前記変位領域の外側に位置して、前記変位領域上の前記第2の電極を前記配線領域上に引き出す前記配線の下地となる中間領域をさらに含んでいてもよい。変質膜は、例えば配線領域にレーザー光を照射することによって形成される。変位領域と配線領域との間に中間領域が位置しており、配線領域の変質膜が変位領域と離れているため、変質膜の形成時に、レーザー光が意図せずに変位領域に照射されて、変位領域の圧電特性が低下するのを確実に回避することができる。 The first region may further include an intermediate region that is located outside the displacement region and serves as a base of the wiring that draws the second electrode on the displacement region onto the wiring region. The altered film is formed, for example, by irradiating the wiring region with laser light. An intermediate region is located between the displacement region and the wiring region, and the altered film in the wiring region is separated from the displacement region. Therefore, when the altered film is formed, laser light is unintentionally irradiated to the displaced region. Thus, it is possible to reliably avoid the deterioration of the piezoelectric characteristics in the displacement region.
本発明の他の側面に係るインクジェットヘッドは、上述した圧電アクチュエータと、インクを吐出するためのノズル孔を有するノズルプレートとを備え、前記圧電アクチュエータの前記基板において、前記圧電体層の前記変位領域に対応する位置には、前記インクを収容する圧力室が形成されており、前記ノズルプレートの前記ノズル孔は、前記圧力室と連通していてもよい。また、本発明のさらに他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる構成であってもよい。この場合、高性能で信頼性が高く、消費電力の増加や駆動信号の遅延も抑えたインクジェットヘッドまたはインクジェットプリンタを実現することができる。 An inkjet head according to another aspect of the present invention includes the above-described piezoelectric actuator and a nozzle plate having a nozzle hole for ejecting ink, and the displacement region of the piezoelectric layer in the substrate of the piezoelectric actuator. A pressure chamber that accommodates the ink may be formed at a position corresponding to, and the nozzle hole of the nozzle plate may communicate with the pressure chamber. In addition, an ink jet printer according to still another aspect of the present invention may be configured to include the above-described ink jet head and eject ink from the ink jet head toward a recording medium. In this case, it is possible to realize an ink jet head or an ink jet printer that has high performance and high reliability, and that suppresses an increase in power consumption and a delay in driving signals.
本発明のさらに他の側面に係る圧電アクチュエータの製造方法は、基板を含む基体上に、複数の結晶を含む多結晶膜を有する圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層に電圧を印加するための第1の電極を形成する工程と、前記圧電体層において、変位領域を含む第1の領域を厚さ方向に垂直な面内で囲むように位置する第2の領域のうち、少なくとも、前記変位領域上に形成される第2の電極を引き出す配線の下地となる配線領域を前記基板とは反対側から加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を、前記配線領域の厚さ方向の少なくとも一部に形成する工程と、前記圧電体層の前記変位領域上に、前記第2の電極を形成する工程と、前記変位領域上の前記第2の電極を引き出して、前記配線領域上に前記配線を形成する工程とを含んでいる。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator manufacturing method comprising: forming a piezoelectric layer having a polycrystalline film including a plurality of crystals on a substrate including a substrate; and applying a voltage to the piezoelectric layer. At least one of a step of forming a first electrode and a second region located in the piezoelectric layer so as to surround the first region including the displacement region in a plane perpendicular to the thickness direction. The wiring region serving as the base of the wiring for drawing the second electrode formed on the displacement region is heated from the side opposite to the substrate to integrally change the plurality of crystals contained in the polycrystalline film. A step of forming a denatured film in which the grain boundary has disappeared in at least part of the thickness direction of the wiring region; and a step of forming the second electrode on the displacement region of the piezoelectric layer; Pulling the second electrode over the displacement region And, and a step of forming the wiring on the wiring region.
上記の製法によれば、基板を含む基体上に、第1の電極、圧電体層、第2の電極が形成される。圧電体層において、変位領域を含む第1の領域を、厚さ方向に垂直な面内で囲むように位置する第2の領域のうち、少なくとも配線領域を基板とは反対側から加熱することにより、配線領域の厚さ方向の少なくとも一部に、粒界が消滅した変質膜が形成される。第2の電極は、圧電体層の変位領域上に形成され、第2の電極を引き出す配線は、変位領域上から配線領域上に引き出される。なお、第2の電極と配線とは、同時に形成されてもよいし、時間的に前後にずれて形成されてもよい。 According to the above manufacturing method, the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are formed on the base including the substrate. In the piezoelectric layer, by heating at least the wiring region from the side opposite to the substrate among the second regions positioned so as to surround the first region including the displacement region in a plane perpendicular to the thickness direction. The altered film in which the grain boundaries have disappeared is formed on at least a part of the wiring region in the thickness direction. The second electrode is formed on the displacement region of the piezoelectric layer, and the wiring that pulls out the second electrode is drawn from the displacement region to the wiring region. Note that the second electrode and the wiring may be formed at the same time, or may be formed so as to be shifted back and forth in time.
上記の変質膜は、上記配線領域を加熱して、複数の結晶を一体的に変質させることにより形成される。粒界が消滅した変質膜は、粒界を持つ多結晶膜に比べて誘電率が低いため、このような変質膜を配線領域に形成することで、配線領域の誘電率を変位領域よりも小さくすることができる。しかも、従来のような、圧電体の結晶性を制御するための結晶制御層を、圧電体層の下地として形成することなく、変位領域と誘電率の低い配線領域とを形成できるため、結晶制御層の成膜に起因する結晶欠陥の増大や圧電特性の低下は生じない。 The above-mentioned altered film is formed by heating the above-mentioned wiring region and altering a plurality of crystals integrally. An altered film with disappeared grain boundaries has a lower dielectric constant than a polycrystalline film with grain boundaries. By forming such an altered film in the wiring region, the dielectric constant of the wiring region is made smaller than that of the displacement region. can do. In addition, since the conventional crystal control layer for controlling the crystallinity of the piezoelectric material can be formed as a base region of the piezoelectric material layer, a displacement region and a wiring region having a low dielectric constant can be formed. There is no increase in crystal defects or deterioration in piezoelectric properties due to the layer formation.
したがって、圧電体層の変位領域では結晶欠陥の発生を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域では誘電率を小さくして、静電容量を小さく抑えることができる。 Therefore, in the displacement region of the piezoelectric layer, the generation of crystal defects can be suppressed and high piezoelectric characteristics can be maintained, and in the wiring region, the dielectric constant can be reduced to reduce the capacitance.
前記基板側から、前記第1の電極としての下部電極、前記圧電体層、および前記第2の電極としての上部電極をこの順で形成してもよい。この場合、圧電体層をd31モードで駆動する圧電アクチュータを実現できる。 From the substrate side, a lower electrode as the first electrode, the piezoelectric layer, and an upper electrode as the second electrode may be formed in this order. In this case, a piezoelectric actuator that drives the piezoelectric layer in the d 31 mode can be realized.
前記圧電体層の加熱を、レーザー光の照射によって行うことが望ましい。レーザー光の照射により、圧電体層(多結晶膜)を局所的に加熱して、つまり、圧電体層の厚み方向の一部(例えば表面側)を瞬間的に加熱して、変質膜を形成することができる。このような局所加熱により、圧電体層の下地となる基板や電極に余分な高熱がかからないようにできるため、これらの部材の劣化を防ぐことができる。 The piezoelectric layer is preferably heated by laser light irradiation. By laser irradiation, the piezoelectric layer (polycrystalline film) is locally heated, that is, a part of the piezoelectric layer in the thickness direction (for example, the surface side) is instantaneously heated to form a modified film. can do. Such local heating can prevent excessive heat from being applied to the substrate or the electrode serving as the base of the piezoelectric layer, so that deterioration of these members can be prevented.
前記変質膜を形成する工程では、前記変位領域と離れて位置する前記配線領域にレーザー光を照射することにより、前記変質膜を形成してもよい。この場合、レーザー照射によって配線領域に変質膜を形成する際に、レーザー光が意図せずに変位領域に照射されて、変位領域の圧電特性が低下するのを確実に回避することができる。 In the step of forming the deteriorated film, the deteriorated film may be formed by irradiating the wiring region located away from the displacement region with a laser beam. In this case, when the altered film is formed in the wiring region by laser irradiation, it is possible to reliably prevent the laser light from being unintentionally irradiated to the displacement region and the piezoelectric characteristics of the displacement region from being deteriorated.
前記レーザー光の波長は、前記圧電体層を透過するときの透過率が50%以下となる波長であることが望ましい。圧電体層が吸収する波長のレーザー光を照射することにより、圧電体層を確実に局所加熱できる。 The wavelength of the laser beam is preferably such that the transmittance when transmitting through the piezoelectric layer is 50% or less. By irradiating a laser beam having a wavelength that is absorbed by the piezoelectric layer, the piezoelectric layer can be reliably heated locally.
圧電体層の変位領域では、圧電体の結晶欠陥の発生を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域では、誘電率を小さくして静電容量を小さく抑えることができる。 In the displacement region of the piezoelectric layer, it is possible to suppress the generation of crystal defects in the piezoelectric material and maintain high piezoelectric characteristics, and in the wiring region, it is possible to reduce the dielectric constant and suppress the capacitance.
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。なお、本明細書において、数値範囲をA〜Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present specification, when the numerical range is expressed as A to B, the numerical value range includes the values of the lower limit A and the upper limit B.
〔インクジェットプリンタの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
[Configuration of inkjet printer]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an
インクジェットプリンタ1は、上記のインクジェットヘッド部2と、繰り出しロール3と、巻き取りロール4と、2つのバックロール5・5と、中間タンク6と、送液ポンプ7と、貯留タンク8と、定着機構9とを備えている。
The
インクジェットヘッド部2は、インクジェットヘッド21から記録媒体Pに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成(描画)を行うものであり、一方のバックロール5の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド21の詳細については後述する。
The ink
繰り出しロール3、巻き取りロール4および各バックロール5は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール3は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Pを、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール3は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Pを図1のX方向へ繰り出して搬送する。
The
巻き取りロール4は、繰り出しロール3より繰り出されて、インクジェットヘッド部2によってインクが吐出された記録媒体Pを周面に巻き取る。
The take-
各バックロール5は、繰り出しロール3と巻き取りロール4との間に配設されている。記録媒体Pの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール5は、繰り出しロール3によって繰り出された記録媒体Pを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール5は、インクジェットヘッド部2との対向位置から巻き取りロール4に向けて、記録媒体Pを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
Each
中間タンク6は、貯留タンク8より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク6は、複数のインクチューブ10と接続され、各インクジェットヘッド21におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド21にインクを供給する。
The
送液ポンプ7は、貯留タンク8に貯留されたインクを中間タンク6に供給するものであり、供給管11の途中に配設されている。貯留タンク8に貯留されたインクは、送液ポンプ7によって汲み上げられ、供給管11を介して中間タンク6に供給される。
The
定着機構9は、インクジェットヘッド部2によって記録媒体Pに吐出されたインクを当該記録媒体Pに定着させる。この定着機構9は、吐出されたインクを記録媒体Pに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにUV(紫外線)を照射することによりインクを硬化させるためのUVランプ等で構成されている。
The
上記の構成において、繰り出しロール3から繰り出される記録媒体Pは、バックロール5により、インクジェットヘッド部2との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部2から記録媒体Pに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Pに吐出されたインクは定着機構9によって定着され、インク定着後の記録媒体Pが巻き取りロール4によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ1では、インクジェットヘッド部2を静止させた状態で、記録媒体Pを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Pに画像が形成される。
In the above configuration, the recording medium P fed from the feeding
なお、インクジェットプリンタ1は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。
The
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2は、インクジェットヘッド21の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるA−A’線矢視断面図とを併せて示したものである。
[Configuration of inkjet head]
Next, the configuration of the
インクジェットヘッド21の圧電アクチュエータ21aは、複数の圧力室22a(開口部)を有する基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、圧電体層25、上部電極26をこの順で有している。基板22と熱酸化膜23とで、下部電極24が形成される基体が構成されている。そして、基板22の圧電体層25とは反対側にノズルプレート31が接合されて、インクジェットヘッド21が構成されている。ノズルプレート31には、圧力室22aと連通するノズル孔31aが形成されている。
The
基板22は、厚さが例えば100〜300μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。この基板22は、例えば厚さが300〜750μm程度の基板を準備し、その基板上に後述の圧電体層25を成膜後、研磨処理等により100〜300μmの厚みにしたものである。図2では、基板22をSOI基板で構成した場合を示している。SOI基板は、酸化シリコン(SiO2)かなるBox層41を介して2枚のSi基板42・43を接合したものである。基板22における圧力室22aの上壁、つまり、圧力室22aよりも圧電体層25側に位置するSi基板42は、従動膜となる振動板22bを構成しており、圧電体層25の駆動(伸縮)に伴って変位(振動)し、圧力室22a内のインクに圧力を付与する。
The
熱酸化膜23は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。
The thermal oxide film 23 is made of, for example, SiO 2 (silicon oxide) having a thickness of about 0.1 μm, and is formed for the purpose of protecting and insulating the
下部電極24は、複数の圧力室22aに共通して設けられるコモン電極(第1の電極)であり、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜23とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。なお、Ti層の代わりに酸化チタン(TiOx)からなる層を形成してもよい。
The
圧電体層25は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる強誘電体薄膜で構成されており、基板22のほぼ全面に形成されている。以下、圧電体層25にはPZTを用いた例で説明するが、これに限られずPZTにランタン(La)を添加したPLZTや、PZTにニオブ(Nb)を添加したPNZTでも良いし、その他の添加物を有する材料を用いてもよい。圧電体層25の膜厚は、例えば1μm以上10μm以下である。圧電体層25には、個々の圧力室22aに対応する形状の溝Gが形成されている。これにより、圧電体層25を基板22の全面に設ける場合でも、個々の圧力室22aに対応して圧電体層25を伸縮させることが可能となっている。なお、圧電体層25の詳細については後述する。
The
上部電極26は、各圧力室22aに対応して設けられる個別電極(第2の電極)であり、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電体層25とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。上部電極26は、下部電極24との間で圧電体層25を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Pt層の代わりに、金(Au)からなる層を形成してもよい。
The
下部電極24、圧電体層25および上部電極26は、圧力室22a内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子27(駆動素子)を構成している。この薄膜圧電素子27は、駆動回路(図示せず)から下部電極24および上部電極26に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。インクジェットヘッド21は、薄膜圧電素子27および圧力室22aを縦横に並べることにより形成される。
The
また、基板22(特にSi基板42)、熱酸化膜23、下部電極24および圧電体層25には、インク供給口28が形成されており、基板22にはインク流路29が形成されている。中間タンク6内のインクは、インク供給口28およびインク流路29を介して、圧力室22aに供給される。
In addition, an
上記の構成において、駆動回路から下部電極24および上部電極26に電圧を印加すると、圧電体層25が、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向(基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電体層25と振動板22bとの長さの違いにより、振動板22bに曲率が生じ、振動板22bが厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。
In the above configuration, when a voltage is applied from the drive circuit to the
したがって、圧力室22a内にインクを収容しておけば、上述した振動板22bの振動により、圧力室22a内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室22a内のインクがノズル孔31aからインク滴として外部に吐出される。
Therefore, if ink is accommodated in the
〔圧電体層の詳細〕
上記した圧電体層25は、第1の領域R1と、厚さ方向に垂直な面内で第1の領域R1を囲むように位置する第2の領域R2とを有している。
[Details of piezoelectric layer]
The
第1の領域は、変位領域R11と、中間領域R12とを含む。変位領域R11は、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて圧電体層25が変位する領域であり、個々の圧力室22aの形成領域に対応して位置している。この変位領域R11は、ペロブスカイト型構造を持つ複数の結晶(例えば柱状結晶)の集合体からなる多結晶膜25aで構成されている。
The first region includes a displacement area R 11, and an intermediate region R 12. Displacement area R 11 is a region where the
中間領域R12は、変位領域R11と同じ多結晶膜25aで構成されており、変位領域R11の外側に、つまり、厚さ方向に垂直な面内で、変位領域R11およびその外側の溝Gを囲むように位置している。溝Gは、圧力室22aの形状にほぼ沿うように圧電体層25に形成されており、これによって、変位領域R11の圧電体層25を変位させることが可能となっている。また、中間領域R12は、変位領域R11上の上部電極26を、第2の領域R2の配線領域R21上に引き出す配線51の下地ともなる。
The intermediate region R 12 is constituted by the same
第2の領域R2は、配線領域R21と、残余領域R22とを含む。配線領域R21は、圧電体層25において、変位領域R11上の上部電極26を圧力室22aの外側に引き出す配線51の下地となる領域である。上記の配線51は、上部電極26よりも幅の狭い引出部52と、引出部52と駆動回路(図示せず)とを電気的に接続するための接続端子部53とを含んでおり、個々の上部電極26に対応して形成されている。
The second region R2 includes a wiring region R 21, and a remaining region R 22. The wiring region R 21 is a region serving as a base of the
配線領域R21は、基板22側から、変位領域R11と同じ多結晶膜25aと、変質膜25bとをこの順で有している。変質膜25bは、複数の結晶(例えば柱状結晶)の一体的な変質によって粒界が消滅した膜であり、例えば非晶質構造(アモルファス構造)の膜である。なお、変質とは、一般的に、物質の性質が変わることを言うが、ここでは、粒界を持つ複数の結晶の結晶構造を一体的に変化させることで膜質を変化させることを指す。このような変質は、後述するように、所定波長のレーザー光を多結晶構造の膜に照射して加熱し、照射部分を溶融、固化させることによって実現できる。
The wiring region R 21 has, from the
図3は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により観察される多結晶膜25aおよび変質膜25bの水平断面を模式的に示している。同図のように、多結晶膜25aにおいては、結晶と結晶との間に粒界が存在しているが、変質膜25bにおいては、多結晶膜25aで見られたような粒界のない非晶質構造となっている。
FIG. 3 schematically shows horizontal cross sections of the
残余領域R22は、第2の領域R2において、配線領域R21以外の領域であるが、層構成は配線領域R21と同じである。つまり、残余領域R22においても、基板22側から、多結晶膜25aと、変質膜25bとをこの順で有している。残余領域R22は、その上に配線51が形成されていないため、表面が露出している。
The remaining region R 22 is a region other than the wiring region R 21 in the
なお、後述する本実施形態の効果(配線領域R21の誘電率の低減効果)を得るにあたっては、残余領域R22は、変質膜25bを有していなくてもよいが(多結晶膜25aのみで構成されてもよいが)、配線51をパターニング形成するときの自由度(配線51の形成位置の選択自由度)を増大させるために、残余領域R22を含む第2の領域R2の全体に変質膜25bが形成されていることが望ましい。
Incidentally, when the obtaining the effect of this embodiment described below (the effect of reducing the dielectric constant of the wiring area R 21), the remaining area R 22 may or may not have a deteriorated film 25b (
配線領域R21の変質膜25bは、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した膜である。非晶質構造の変質膜25bは、規則的な結晶構造を持つ多結晶膜25aよりも誘電率が低いため、配線領域R21がこのような変質膜25bを有していることで、配線領域R21の誘電率を、多結晶膜25aを有する変位領域R11よりも小さくすることができる。しかも、従来のような結晶制御層を成膜することなく、変位領域R11と配線領域R21とを形成し、かつ、配線領域R21の誘電率を変位領域R11よりも小さくできるため、結晶制御層の成膜に起因する結晶欠陥の増大や圧電特性の低下は生じない。したがって、本実施形態の構成によれば、圧電体層25において、変位領域R11では結晶欠陥の発生を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域R21では誘電率を小さくして、配線部(配線51、配線領域R21、下部電極24)の静電容量を小さく抑えることができる。
Alteration film 25b of the wiring region R 21 is a film grain boundaries disappeared by integral alteration of a plurality of crystals. Since the altered film 25b having an amorphous structure has a lower dielectric constant than the
また、変質膜25bは、粒界を持たない非晶質構造であるため、粒界が消滅した変質膜25bを確実に実現することができる。 Further, since the altered film 25b has an amorphous structure having no grain boundary, the altered film 25b in which the grain boundary disappears can be reliably realized.
また、配線領域R21は、基板22側から、多結晶膜25aと変質膜25bとをこの順で有している。配線領域R21の厚み方向の一部に多結晶膜25aが存在しても、残りに変質膜25が存在することにより、配線領域R21の誘電率を変位領域R11よりも小さくすることができる。
Further, the wiring region R 21 has a
ここで、配線領域R21において、レーザー光の照射によって変質膜25bを厚く形成すると、下地の多結晶膜25aの下層(下部電極24、基板22)がレーザー光の照射時の高熱により劣化することが懸念される。このため、変質膜25bの厚みは、下地の多結晶膜25aの厚みよりも薄いことが望ましい。
Here, in the wiring region R 21 , if the altered film 25 b is formed thick by laser light irradiation, the lower layer (
なお、変質膜25bを薄くしすぎると、配線領域R21の誘電率を小さくする効果が低減し、静電容量を小さく抑える効果が低減する。変質膜25の形成によって配線領域R21の誘電率を確実に小さくするためには、変質膜25bの厚さは5nm以上であることが望ましく、20nm以上であることがより望ましい。
Incidentally, alteration the film 25b too thin, reduces the effect of reducing the dielectric constant of the wiring area R 21, the effect to reduce the capacitance is reduced. To ensure that smaller the dielectric constant of the wiring region R 21 by the formation of the degraded
また、配線領域R21において、厚み方向の全体を変質膜25bで構成してもよい。この場合、配線領域R21の誘電率を変位領域R11よりも確実に小さくして、静電容量を確実に小さくできる。厚み方向の全体に変質膜25bを形成する場合、上述のようにレーザー光の照射時の高熱による下層の劣化が懸念されるが、静電容量の低減効果を重視するときは有効な構成となる。 Further, in the wiring region R 21, it may constitute the entire thickness direction alteration film 25b. In this case, the dielectric constant of the wiring region R 21 can be reliably made smaller than that of the displacement region R 11 , and the capacitance can be reliably reduced. In the case where the altered film 25b is formed in the entire thickness direction, there is a concern about deterioration of the lower layer due to high heat during laser light irradiation as described above, but this configuration is effective when emphasizing the effect of reducing capacitance. .
また、本実施形態では、第2の領域R2の配線領域R21と、第1の領域R1の変位領域R11との間に、中間領域R12が位置しており、これによって、配線領域R21と変位領域R11とが離れている(図2参照)。変質膜25bは、後述するように、配線領域R21にレーザー光を照射することによって形成されるが、変質膜25bの形成位置が変位領域R11と離れているため、変質膜25bの形成時に、レーザー光が意図せずに変位領域R11に照射されて、変位領域R11の圧電特性が低下するのを確実に回避することができる。
In the present embodiment, the intermediate region R 12 is located between the wiring region R 21 of the
なお、本実施形態では、圧電体層25の膜厚は、溝Gの部分を除いて、第1の領域R1から第2の領域R2にかけて一定である。このため、変位領域R11上の上部電極26から、中間領域R12を介して変質膜25b上に配線51を引き出した場合でも、上部電極26および配線51に段差が生じることはない。
In the present embodiment, the film thickness of the
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、上述したインクジェットヘッド21の製造方法について説明する。図4および図5は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。
[Inkjet head manufacturing method]
Next, a method for manufacturing the above-described
(1)基板準備工程、熱酸化膜形成工程
まず、基板22を用意する。基板22としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜であるBox層41を介して2枚のSi基板42・43が接合されたSOI構造のものを用いている。そして、基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板42・43の表面にSiO2からなる熱酸化膜23a・23bをそれぞれ形成する。
(1) Substrate preparation step and thermal oxide film formation step First, the
(2)下部電極形成工程、圧電体層形成工程
次に、基板22を含む基体上に下部電極24を形成する。つまり、基板22上の一方の熱酸化膜23a上に、TiO2(例えば厚さ0.02μm)およびPt(例えば厚さ0.1μm)の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極24を形成する。続いて、基板22を600℃程度に再加熱し、PZTからなる圧電体層25(例えば厚さ1〜5μm)をスパッタ法で下部電極24上に形成する。なお、圧電体層25は、複数の結晶の集合体からなる多結晶膜25aである。
(2) Lower Electrode Formation Step, Piezoelectric Layer Formation Step Next, the
(3)レーザー照射工程
圧電体層25において、変位領域R11と離れて位置する第2の領域R2を基板22とは反対側からレーザー照射によって加熱して、多結晶膜25aに含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜25bを第2の領域R2に形成する。これにより、圧電体層25の配線領域R21の厚さ方向の少なくとも一部に変質膜25bが形成される。つまり、成膜後の圧電体層25は、配向性を持った柱状結晶構造(多結晶膜25a)になっているが、レーザー照射された部分は、アモルファス状の粒界を持たない変質膜25bに変化する。なお、配線領域R21の厚さ方向において変質膜25bが形成されていない部分は、多結晶膜25aのままである。この工程では、第2の領域R2の少なくとも配線領域R21を基板22とは反対側から加熱してそこに変質膜25bを形成すればよく、残余領域R22の加熱は必ずしも行う必要はない。
(3) In the laser irradiation
(4)上部電極形成工程
次に、上部電極26となるTi(例えば厚さ0.02μm)およびAu(例えば厚さ0.3μm)の各層を、蒸着法またはスパッタ法で成膜する。
(4) Upper electrode formation process Next, each layer of Ti (for example, thickness 0.02 micrometer) and Au (for example, thickness 0.3 micrometer) used as the
(5)上部電極および配線の個別パターンの形成工程
圧電体層25の多結晶膜25aを含む変位領域R11上に、上部電極26の個別パターンを形成するとともに、変位領域R11上の上部電極26を引き出して、中間領域R12上および配線領域R21上に配線51の個別パターンを形成する。
(5) over the displacement area R 11 containing
より詳しくは、上部電極26上に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂材料の不要な部分を除去し、各圧力室22aに対応する個別の上部電極26の形状と、この個別の上部電極26を下層の圧電体層25に沿って引き出す配線51の形状とを転写する。そして、感光性樹脂材料をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて不要な部分のメタル層(上部電極26)を除去し、個別の上部電極26および配線51のパターンを形成する。
More specifically, a photosensitive resin material is applied onto the
(6)圧電体層のパターン形成工程
次に、圧電体層25上に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂材料の不要な部分を除去し、圧電体層25のパターン形状を転写する。そして、感光性樹脂材料をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて不要な部分の圧電体層25を除去する。これにより、変位領域R11の圧電体層25の周囲に溝Gが形成され、変位領域R11の圧電体層25のパターンが形成される。
(6) Piezoelectric layer pattern forming step Next, a photosensitive resin material is applied onto the
(7)基板研磨工程
次に、基板22の裏面の熱酸化膜23bを除去して研磨を行い、所望の厚みに調整する。
(7) Substrate Polishing Step Next, the
(8)圧力室、インク流路形成工程
基板22の裏面に感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂材料の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室22aおよびインク流路29の形状を転写する。そして、感光性樹脂材料をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板22の除去加工を行い、圧力室22a等を形成して圧電アクチュエータ21aとする。このとき、基板22の圧電体層25側からも同様の加工を行って、インク供給口28を形成する。
(8) Pressure chamber and ink flow path forming step A photosensitive resin material is applied to the back surface of the
(9)ノズルプレート接合工程
その後、圧電アクチュエータ21aの基板22と、ノズル孔31aを有するノズルプレート31とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド21が完成する。なお、ノズル孔31aに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、基板22と中間ガラス、および中間ガラスとノズルプレート31とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに3者(基板22、中間ガラス、ノズルプレート31)を接合することができる。
(9) Nozzle plate joining process Then, the board |
このように、圧電体層25の少なくとも配線領域R21を加熱して、粒界が消滅した変質膜25bを形成することにより、配線領域R21の誘電率を変位領域R11よりも小さくすることができる。しかも、従来のように圧電体層25の下地として結晶制御層を形成する必要がないため、結晶制御層の成膜に起因する結晶欠陥の増大や圧電特性の低下は生じない。したがって、圧電体層25の変位領域R11では結晶欠陥を抑えて高い圧電特性を保ちつつ、配線領域R21では誘電率を小さくして、静電容量を小さく抑えた圧電アクチュエータ21aを実現することができる。
In this way, by heating at least the wiring region R 21 of the
また、圧電体層25の加熱を、レーザー光の照射によって行うため、レーザー光によって圧電体層25の厚み方向の一部を瞬間的に加熱して、変質膜25bを形成することができる。このような局所加熱により、構成部材である基板22や下部電極24に余分な高熱がかからないようにできるため、これらの部材の劣化を防ぐことができる。
Further, since the
また、配線領域R21において、変位領域R11と離れた位置の圧電体層25にレーザー光を照射することによって、変質膜25bを形成するため、変質膜25bの形成時にレーザー光が変位領域R11にも照射されるのを確実に回避できる。その結果、レーザー光の意図しない照射によって、変位領域R11の圧電特性が低下するのを確実に回避することができる。
Further, in the wiring region R 21 , the modified film 25 b is formed by irradiating the
ここで、図6は、圧電体層25の構成材料であるPZTの分光透過率を示すグラフである。圧電体層25の局所加熱に用いるレーザー光としては、PZTを透過せず、PZTに吸収されてその表面を加熱できる波長であればよい。なお、圧電体層25を透過する波長のレーザー光を照射すると、レーザー光が圧電体層25を透過して下地(下部電極24、基板22)を破損させてしまうおそれがある。この観点では、用いるレーザー光の波長は、圧電体層25を透過するときの透過率が50%以下となる波長であることが望ましい。したがって、PZTを加熱する場合は、図6より、400nm以下の波長のレーザー光を用いることが望ましく、360nm以下の波長のレーザー光を用いることがより望ましい。なお、オーブンやホットプレートは、瞬間的な局所加熱が難しいため、レーザー光を用いるほうがよい。
Here, FIG. 6 is a graph showing the spectral transmittance of PZT which is a constituent material of the
〔実施例〕
次に、変質膜25bを形成する具体的な実施例について説明する。
〔Example〕
Next, a specific example of forming the altered film 25b will be described.
図4および図5で示した方法で、基板22上に、下部電極24および圧電体層25を順に形成した後、圧電体層25の配線領域R21にレーザー光を照射して変質膜25bを形成し、その後、上部電極26および配線51を形成して、圧電アクチュエータ21aを製造した。このとき、Siからなる振動板22b(Si基板32)の厚みを5μmとし、Ptを含む下部電極24の厚みを0.1μmとし、PZTからなる圧電体層25の厚みを5μmとし、Auを含む上部電極の厚みを0.3μmとした。
The
下部電極24上にスパッタ法で成膜される圧電体層25は、下部電極24から上側に伸びる柱状の結晶が集まった多結晶膜25a(粒径:数十nm〜1μm程度、結晶配向:<100>方向)を有しており、また、圧電体層25の配線領域R21には、アモルファスの状態のPZT、すなわち、粒界のない領域(変質膜25b)が形成されていることが、SEM画像等から確認された。なお、変質膜25bの厚みは、20nmであった。
The
ここで、変質膜25bは、PZTの多結晶膜25aを局所加熱(表面のみを加熱)することにより形成されるが、このときの局所加熱は、HOYA製のYAGレーザー照射機(LR−3100SUV)を用い、パルスレーザーを照射して行った。レーザー光の波長は266nmであり、パルス幅は5nsecであり、光量は0.1mJであった。PZTの融点は、一般的には1300〜1600℃と言われているが、上記のレーザー光を用いることにより、局所加熱によってPZT表面を確実に融解し、固化させて、PZT表面の粒界を無くすことができた。
Here, the altered film 25b is formed by locally heating the
PZT透過率の高い波長(吸収の少ない波長)での加工は、光のほとんどがPZTを透過して、PZTの表面にかかる熱が非常に小さくなるので好適ではない。PZTの局所加熱に使用できるレーザー光の波長は、上述のように400nm以下であることが望ましい。このようなレーザー光の例としては、以下のものが挙げられる。
(1)YAGレーザー(固体レーザーの一種で、波長1064nmを基本波とするレーザー)
YAG第3高調波:波長355nm(YAG基本波を3分の1の波長に変換したもの)
YAG第4高調波:波長266nm(YAG基本波を4分の1の波長に変換したもの)
YAG第5高調波:波長213nm(YAG基本波を5分の1の波長に変換したもの)
(2)エキシマレーザー(気体レーザーの一種で、使う媒質により波長が異なる)
媒質N2 :波長337nm
媒質XeCl:波長308nm
媒質KrF :波長248nm
媒質KrCl:波長222nm
媒質ArF :波長193nm
Processing at a wavelength with a high PZT transmittance (a wavelength with little absorption) is not preferable because most of the light passes through the PZT and the heat applied to the surface of the PZT becomes very small. The wavelength of laser light that can be used for local heating of PZT is desirably 400 nm or less as described above. Examples of such laser light include the following.
(1) YAG laser (a type of solid-state laser with a fundamental wavelength of 1064 nm)
YAG third harmonic: Wavelength 355 nm (YAG fundamental wave converted to 1/3 wavelength)
YAG fourth harmonic: wavelength 266 nm (YAG fundamental wave converted to a quarter wavelength)
YAG fifth harmonic: Wavelength 213 nm (YAG fundamental wave converted to 1/5 wavelength)
(2) Excimer laser (a type of gas laser with different wavelengths depending on the medium used)
Medium N 2 : wavelength 337 nm
Medium XeCl: wavelength 308 nm
Medium KrF: wavelength 248 nm
Medium KrCl:
Medium ArF: wavelength 193 nm
また、PZT表面に十分な熱が加わるように照射光量を上げると、PZT表面だけでなく、その下地(下部電極24、振動板22b等)および照射エリア周辺が、加熱の影響を受けて、素子性能が劣化する場合がある。このため、照射光量についても適切に設定する必要がある。
Further, when the amount of irradiation light is increased so that sufficient heat is applied to the PZT surface, not only the PZT surface but also the base (the
このようにして作製した圧電アクチュエータ21aでは、配線領域R21に変質膜25bを持たない構成に比べて、配線領域R21を含む配線部の静電容量を1/10以下に低減できることがわかった。
In the
以上では、基板22側から、第1の電極としての下部電極24、圧電体層25、第2の電極としての上部電極26をこの順で形成して圧電アクチュエータ21aを構成した例について説明した。このような圧電アクチュエータ21aでは、圧電体層25はd31モードで駆動される。つまり、圧電体層25に対する電圧の印加方向(例えば基板22の厚さ方向)と、圧電体層21の変位方向(例えば基板22の厚さ方向に垂直な方向)とが直交する。しかし、本実施形態で説明した構成や製造方法は、d31モード以外の駆動モードで駆動される圧電アクチュエータ21aにも適用可能である。例えば、円環状の圧電体層の外側および内側に電極を形成し、圧電体層の滑り変形(せん断変形)を利用する駆動モード(d15モード)で圧電体層を駆動する圧電アクチュエータにも、圧電体層において配線の下地となる領域に変質膜を形成する本実施形態の構成を適用することができ、これによって、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
The example in which the
本発明の圧電アクチュエータは、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに利用可能である。 The piezoelectric actuator of the present invention can be used for an inkjet head and an inkjet printer.
1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
21a 圧電アクチュエータ
22 基板
22a 圧力室
24 下部電極(第1の電極)
25 圧電体層
25a 多結晶膜
25b 変質膜
26 上部電極(第2の電極)
31 ノズルプレート
31a ノズル孔
51 配線
P 記録媒体
R1 第1の領域
R2 第2の領域
R11 変位領域
R12 中間領域
R21 配線領域
DESCRIPTION OF
25
31
Claims (13)
前記圧電体層は、
前記第1の電極と前記第2の電極との電位差に応じて変位する変位領域を含む第1の領域と、
厚さ方向に垂直な面内で前記第1の領域を囲むように位置する第2の領域とを有し、
前記第2の領域は、前記変位領域上の前記第2の電極を引き出す配線の下地となる配線領域を含み、
前記変位領域は、複数の結晶を含む多結晶膜を有しており、
前記第2の領域において、少なくとも前記配線領域は、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜を有していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator having a substrate, a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is
A first region including a displacement region that is displaced according to a potential difference between the first electrode and the second electrode;
A second region positioned so as to surround the first region in a plane perpendicular to the thickness direction,
The second region includes a wiring region serving as a base of a wiring for drawing out the second electrode on the displacement region,
The displacement region has a polycrystalline film including a plurality of crystals,
In the second region, at least the wiring region has a modified film in which grain boundaries disappear due to integral modification of a plurality of crystals.
インクを吐出するためのノズル孔を有するノズルプレートとを備え、
前記圧電アクチュエータの前記基板において、前記圧電体層の前記変位領域に対応する位置には、前記インクを収容する圧力室が形成されており、
前記ノズルプレートの前記ノズル孔は、前記圧力室と連通していることを特徴とするインクジェットヘッド。 A piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6,
A nozzle plate having nozzle holes for discharging ink,
In the substrate of the piezoelectric actuator, a pressure chamber containing the ink is formed at a position corresponding to the displacement region of the piezoelectric layer,
The inkjet head according to claim 1, wherein the nozzle hole of the nozzle plate communicates with the pressure chamber.
前記圧電体層に電圧を印加するための第1の電極を形成する工程と、
前記圧電体層において、変位領域を含む第1の領域を厚さ方向に垂直な面内で囲むように位置する第2の領域のうち、少なくとも、前記変位領域上に形成される第2の電極を引き出す配線の下地となる配線領域を前記基板とは反対側から加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を、前記配線領域の厚さ方向の少なくとも一部に形成する工程と、
前記圧電体層の前記変位領域上に、前記第2の電極を形成する工程と、
前記変位領域上の前記第2の電極を引き出して、前記配線領域上に前記配線を形成する工程とを含んでいることを特徴とする圧電アクチュータの製造方法。 Forming a piezoelectric layer having a polycrystalline film including a plurality of crystals on a substrate including a substrate;
Forming a first electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer;
In the piezoelectric layer, a second electrode formed on at least the displacement region of the second region located so as to surround the first region including the displacement region in a plane perpendicular to the thickness direction. By heating the wiring region that is the base of the wiring that draws out from the side opposite to the substrate, the plurality of crystals contained in the polycrystalline film are integrally altered, thereby the altered film in which the grain boundaries disappeared, Forming at least part of the thickness direction of the wiring region;
Forming the second electrode on the displacement region of the piezoelectric layer;
Extracting the second electrode on the displacement region, and forming the wiring on the wiring region. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, comprising:
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