JP2021022639A - 圧電素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置、及び、圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本発明の圧電素子は、特に用途が制限されることはなく、圧電アクチュエータ、圧電センサ、圧電スピーカなどの他の圧電装置にも適用可能である。
本実施形態における圧電素子100は、図1に示すように、基板101及び振動板を構成する振動板層102の上に、下部電極を構成する下部電極層103、圧電体膜104、上部電極を構成する上部電極層105、下部電極層103と圧電体膜104との間に介在しているシード層106が形成されている。
この比較例1のシード層106’は、その表層部分を含む層全域が結晶化されたPTからなる層で構成されている。このようなシード層106’を用いた場合、シード層106’は、(111)配向のPtからなる下部電極層103からの結晶情報を受けて、(111)配向の結晶構造をもつものとなりやすい。その結果、このシード層106’の上に形成(結晶成長)されるPZTからなる圧電体膜104’も、(111)配向の結晶構造となりやすい。そのため、圧電特性が良好な(100)配向のPZTからなる所望の圧電体膜104を得ることができない。
この比較例2のシード層106’’は、結晶化領域とアモルファス領域とが混在したPTからなる層で構成されている。このようなシード層106’’を用いた場合、シード層106’’中のアモルファス領域に対応するPZTの部分では、(111)配向のPtからなる下部電極層103からの結晶情報の伝達がシード層106’’のアモルファス領域によって阻害される。その結果、シード層106’’上の核形成((100)配向の元となるきっかけ)を元に、(100)配向の結晶構造が得られる。
圧電体膜104の形成(結晶成長)にあたっては、図4に示すように、PTからなるシード層106からの核形成108を元に、(100)配向のPZTが膜形成(結晶成長)される。このとき、シード層106が少なくとも圧電体膜104側の表層部分の全域にわたってアモルファス構造であることが重要となる。なお、シード層106が、圧電体膜104が形成される領域以外も含む場合は、圧電体膜104が形成される圧電体膜形成領における表層部分の全域にわたってアモルファス構造である。すなわち、シード層106の少なくとも圧電体膜104側の表層部分の全域がアモルファス構造であることで、(111)配向の下部電極層103からの結晶情報の伝達が全域にわたって阻害でき、シード層106上では全体が(100)配向した結晶構造をもつPZTの圧電体膜104を得ることができる。
1層目のPZTの脱脂温度が300[℃]未満である温度領域においては、PZTの(100)配向率が若干低く、420[℃]より大きい温度領域においては、PZTの(100)配向率が大幅に低くなることがわかる。また、PTからなるシード層106の断面状態を確認したところ、300[℃]未満の温度領域では、PZTとシード層106とが混在していて、明確なシード層106を確認することができなかった。また、450[℃]以上の温度領域では、シード層106を確認することはできるが、シード層106が結晶化されていた。
圧電素子100の下部電極層103及び上部電極層105は、電気的な抵抗が十分得られることが求められる。一方、圧電素子100が振動板層102を変位させるアクチュエータとして良好な機能を発揮するためには、連続的に駆動させ続けたときの変位等の低下が少ないことが求められる。これらが両立されるような下部電極層103及び上部電極層105を得ることが難しい場合には、下部電極層103及び上部電極層105を複数層構成としてもよい。
本構成例の圧電素子100は、電気的な抵抗が十分得られるような金属層からなる第一下部電極層103A及び第一上部電極層105Aと、連続的に駆動させ続けたときの変位等の低下を抑制するための導電性の酸化物電極層からなる第二下部電極層103B及び第二上部電極層105Bとを備えている。
本実施形態の液体吐出ヘッド110は、上述した圧電素子100が形成される基板101の裏面(圧電素子100とは反対側の面)に、圧力室111を形成するとともに、ノズル112aが形成されるノズル板112が接合されて構成される。液体吐出ヘッド110は、圧電素子100を駆動させて振動板層102を変位させることにより、圧力室111内に充填された液体に圧力を加え、ノズル112aから液体を吐出する。
ρ(hkl) = I(hkl)/ΣI(hkl)
なお、「ρ(hkl)」は、(hkl)面方位の配向度であり、「I(hkl)」は、任意の配向のピーク強度であり、「ΣI(hkl)」は各ピーク強度の総和である。
第一絶縁保護膜113は、コンタクトホール113aを有しており、上部電極層105と個別引き出し配線114とが導通した状態になっている。また、第一絶縁保護膜113は、コンタクトホール113bを有しており、下部電極層103と共通引き出し配線116とが導通した状態になっている。
図11は、液体吐出ヘッド110の要部を拡大した断面説明図である。
図12は、液体吐出ヘッド110のノズル配列方向に沿う要部の断面説明図である。
本実施例では、基板101として、6インチシリコンウェハ上に、振動板層102としてSiO2膜(膜厚:約1.0[μm])を形成した。このSiO2膜上に、スパッタ法により350[℃]でTi膜(膜厚:約20[nm])を成膜し、RTA(急速熱処理)により750[℃]で熱酸化した。引き続き、下部電極層103として、Pt膜(膜厚:約160[nm])をスパッタ法により約300[℃]で成膜した。Ti膜を熱酸化したTiO2膜は、SiO2膜からなる振動板層102とPt膜からなる下部電極層103との間の密着層としての役割を持つ。
図14は、本実施形態のインクジェット記録装置を示す斜視説明図である。
図15は、同インクジェット記録装置の機構部の側面説明図である。
図16は、本変形例のインクジェット記録装置の要部平面説明図である。
図17は、本変形例のインクジェット記録装置の要部側面説明図である。
図18は、同液体吐出ユニットの要部平面説明図である。
この液体吐出ユニットは、上述したインクジェット記録装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド404で構成されている。なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。
図19は、同液体吐出ユニットの正面説明図である。
この液体吐出ユニットは、液体供給部材である流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド404と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。また、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド404と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。
[第1態様]
第1態様は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含む圧電体(例えば圧電体膜104)を下部電極(例えば下部電極層103)と上部電極(例えば上部電極層105)との間に備えた圧電素子100であって、前記下部電極と前記圧電体との間に、鉛化合物を含むシード層106を有し、前記シード層は、少なくとも表層部分の全域にわたってアモルファス構造であることを特徴とするものである。
例えば、(111)配向の白金(Pt)層からなる下部電極上に、シード層を介して、圧電特性が良好な(100)配向のPZTを形成したい場合がある。この場合、シード層中に結晶化領域が存在すると、シード層上でPZTを結晶成長させる際に、PZTの結晶成長が下部電極の結晶特性の影響を受けて、適切に(100)配向した所望の結晶構造をもつPZTを得ることが難しい。
本態様においては、シード層が、少なくとも表層部分の全域にわたってアモルファス構造となっており、結晶化している領域が実質的に存在しない構造となっている。このようなシード層を備えることで、例えば、下部電極が、所望の結晶構造をもつPZTを結晶成長させることを妨げ得るものであっても、アモルファス構造のシード層が下部電極の影響を遮断して、PZTを所望の結晶構造へと結晶成長させることができる。よって、所望の結晶構造をもつPZTを結晶成長させることを妨げ得る下部電極上に、所望の結晶構造をもったPZTを備える圧電素子を提供することができる。
第2態様は、第1態様において、前記鉛化合物は、チタン酸鉛(PbTiO3)であることを特徴とするものである。
これによれば、アモルファス構造のシード層が下部電極の影響を遮断して、圧電体となるPZTを所望の結晶構造へと結晶成長させることができる。
第3態様は、第2態様において、前記チタン酸鉛の組成比率Pb/Tiは0.7以上1.5以下であることを特徴とするものである。
これによれば、圧電体を構成するPZTの配向率の低下を抑制することができる。
第4態様は、第2又は第3態様において、前記シード層の膜厚は、3[nm]以上15[nm]以下であることを特徴とするものである。
これによれば、圧電体を構成するPZTの配向率の低下を抑制することができる。
第5態様は、第1態様において、前記鉛化合物は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(ZrTi)O3)であることを特徴とするものである。
これによれば、アモルファス構造のシード層が下部電極の影響を遮断して、圧電体となるPZTを所望の結晶構造へと結晶成長させることができる。
第6態様は、第5態様において、前記チタン酸ジルコン酸鉛の組成比率Ti/(Zr+Ti)は0.3以上であることを特徴とするものである。
これによれば、圧電体を構成するPZTの配向率の低下を抑制することができる。
第7態様は、第1乃至第6態様のいずれかにおいて、前記下部電極は、白金層と酸化チタンを含む密着層とから構成されていることを特徴とするものである。
これによれば、金属材料の中で高い耐熱性と低い反応性を有する白金(Pt)を下部電極として用いる場合でも、密着層によって下地層(振動板層)との密着性を確保することができる。
第8態様は、第1乃至第7態様のいずれかにおいて、前記圧電体を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の組成比率Ti/(Zr+Ti)は0.4以上0.55以下であることを特徴とするものである。
これによれば、圧電体を構成するPZTの配向率の低下を抑制することができる。
第9態様は、第1乃至第8態様のいずれかにおいて、前記圧電体は、X線回折法でのθ−2θ測定による(100)配向の配向度(配向率)が99%以上であることを特徴とするものである。
これによれば、圧電特性が良好な圧電素子を得ることができる。
第10態様は、液体吐出ヘッド110であって、第1乃至第9態様のいずれかの圧電素子100を含むことを特徴とするものである。
本態様によれば、圧電特性が良好な圧電素子によって駆動する液体吐出ヘッドを提供することができる。
第11態様は、液体吐出ユニットであって、第10態様の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とするものである。
本態様によれば、圧電特性が良好な圧電素子によって駆動する液体吐出ユニットを提供することができる。
第12態様は、第11態様において、前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか1つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とするものである。
本態様によれば、圧電特性が良好な圧電素子によって駆動する種々の液体吐出ユニットを提供することができる。
第13態様は、液体を吐出する装置(例えばインクジェット記録装置)であって、第1乃至第9態様のいずれかの圧電素子、第10態様の液体吐出ヘッド、又は、第11若しくは第12態様の液体吐出ユニットの少なくともいずれかを備えていることを特徴とするものである。
本態様によれば、圧電特性が良好な圧電素子によって駆動する液体を吐出する装置を提供することができる。
第14態様は、チタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電体を下部電極と上部電極との間に備えた圧電素子の製造方法であって、前記下部電極上に、直接または他の層を介して、少なくとも表層部分の全域にわたってアモルファス構造である鉛化合物を含むシード層を形成し、前記シード層上で前記チタン酸ジルコン酸鉛の結晶を成長させて前記圧電体を形成することを特徴とするものである。
本態様においては、シード層が、少なくとも表層部分の全域にわたってアモルファス構造となっており、結晶化している領域が実質的に存在しない構造となっている。このようなシード層を設けることで、例えば、下部電極が、所望の結晶構造をもつPZTを結晶成長させることを妨げ得るものであっても、アモルファス構造のシード層が下部電極の影響を遮断して、PZTを所望の結晶構造へと結晶成長させることができる。よって、所望の結晶構造をもつPZTを結晶成長させることを妨げ得る下部電極上に、所望の結晶構造をもったPZTを備える圧電素子を製造することができる。
20 :アクチュエータ基板
30 :振動領域
94 :記録ヘッド
100 :圧電素子
101 :基板
102 :振動板層
103 :下部電極層
103A :第一下部電極層
103B :第二下部電極層
104,104’,104’’:圧電体膜
105 :上部電極層
105A :第一上部電極層
105B :第二上部電極層
106,106’,106’’:シード層
110 :液体吐出ヘッド
111 :圧力室
112 :ノズル板
112a :ノズル
113 :第一絶縁保護膜
114 :個別引き出し配線
115 :第二絶縁保護膜
116 :共通引き出し配線
403 :キャリッジ
404 :液体吐出ヘッド
440 :液体吐出ユニット
441 :ヘッドタンク
Claims (14)
- チタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電体を下部電極と上部電極との間に備えた圧電素子であって、
前記下部電極と前記圧電体との間に、鉛を含むシード層を有し、
前記シード層は、少なくとも前記圧電体側の表層部分の全域にわたってアモルファス構造であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子において、
前記シード層は、チタン酸鉛であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項2に記載の圧電素子において、
前記チタン酸鉛の組成比率Pb/Tiは0.7以上1.5以下であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項2又は3に記載の圧電素子において、
前記シード層の膜厚は、3[nm]以上15[nm]以下であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子において、
前記シード層は、チタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項5に記載の圧電素子において、
前記チタン酸ジルコン酸鉛の組成比率Ti/(Zr+Ti)は0.3以上であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電素子において、
前記下部電極は、白金層と酸化チタンを含む密着層とから構成されていることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電素子において、
前記圧電体を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の組成比率Ti/(Zr+Ti)は0.4以上0.55以下であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の圧電素子において、
前記圧電体は、X線回折法でのθ−2θ測定による(100)配向の配向度が99%以上であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の圧電素子を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項10に記載の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とする液体吐出ユニット。
- 請求項11に記載の液体吐出ユニットにおいて、
前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか1つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする液体吐出ユニット。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の圧電素子、請求項10に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項11若しくは12に記載の液体吐出ユニットの少なくともいずれかを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
- チタン酸ジルコン酸鉛を含む圧電体を下部電極と上部電極との間に備えた圧電素子の製造方法であって、
前記下部電極上に、直接または他の層を介して、少なくとも前記圧電体側の表層部分の全域にわたってアモルファス構造である、鉛を含むシード層を形成し、
前記シード層上で前記チタン酸ジルコン酸鉛の結晶を成長させて前記圧電体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
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