JP3996594B2 - Piezoelectric element, inkjet head, and inkjet recording apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子、インクジェットヘッド、及びインクジェット式記録装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element, an ink jet head, and an ink jet recording apparatus .
圧電材料は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、又は電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。圧電材料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3,以下、PZTという)がある。ペロブスカイト型の正方晶系結晶構造のPZTでは、〈001〉軸方向(c軸方向)に最も大きな圧電変位を得ることができる。しかし、多くの圧電材料は結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸は様々な方向を向いていて、自発分極Psも様々に配列している。 Piezoelectric materials are materials that convert mechanical energy into electrical energy or convert electrical energy into mechanical energy. A typical example of the piezoelectric material is lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 , hereinafter referred to as PZT), which is an oxide having a perovskite crystal structure. In PZT having a perovskite tetragonal crystal structure, the largest piezoelectric displacement can be obtained in the <001> axial direction (c-axis direction). However, many piezoelectric materials are polycrystalline bodies composed of aggregates of crystal grains, and the crystal axes of the crystal grains are directed in various directions, and the spontaneous polarization Ps is also arranged in various ways.
ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、圧電素子も小型化が強く要求されるようになっている。そして、その要求を満たすために、圧電素子は、従来から多用されていた焼結体に比べて著しく体積の小さい薄膜の形態で使用されるようになりつつある。そのため、圧電素子の薄膜化の研究開発が盛んになってきている。 By the way, with the recent miniaturization of electronic devices, there is a strong demand for miniaturization of piezoelectric elements. And in order to satisfy | fill the request | requirement, the piezoelectric element is being used in the form of a thin film whose volume is remarkably small compared with the sintered compact conventionally used frequently. For this reason, research and development for thinning piezoelectric elements has become active.
例えば、PZTは自発分極Psが〈001〉軸方向を向いているので、圧電特性(圧電変位特性)が高いPZT薄膜を実現するためには、PZT薄膜を構成する結晶の〈001〉軸を基板の一方側の面に対して垂直な方向にする必要がある。そして、従来においては、これを実現するために、表面に結晶方位(001)面が出た、岩塩型結晶構造の酸化マグネシウム(MgO)からなる単結晶の基板上に、その一方側の面に対して垂直な方向に〈001〉軸が配向した、結晶性が良好なPZT薄膜を、600〜700℃の温度で且つPZTをターゲットとして用いたスパッタ法で直接形成していた(例えば特許文献1を参照)。この方法の特徴はMgO単結晶の基板を用いることであり、それによってはじめて圧電特性が高く、結晶方向に優先配向した圧電体薄膜を実現できる。 For example, since PZT has spontaneous polarization Ps oriented in the <001> axis direction, in order to realize a PZT thin film having high piezoelectric characteristics (piezoelectric displacement characteristics), the <001> axis of the crystal constituting the PZT thin film is used as the substrate. It is necessary to make the direction perpendicular to the surface on one side. Conventionally, in order to realize this, on a single crystal substrate made of magnesium oxide (MgO) having a rock salt type crystal structure with a crystal orientation (001) surface on the surface, on one surface thereof On the other hand, a PZT thin film having good crystallinity and oriented in the direction perpendicular to the <001> axis was directly formed by a sputtering method at a temperature of 600 to 700 ° C. and using PZT as a target (for example, Patent Document 1). See). A feature of this method is that a MgO single crystal substrate is used, and this makes it possible to realize a piezoelectric thin film having high piezoelectric characteristics and preferentially oriented in the crystal direction.
しかし、このMgO単結晶は非常に高価な材料であるため、上記方法は、圧電体薄膜を用いた圧電素子などの工業製品を大量生産するときには、コスト上の観点から好ましくない。 However, since this MgO single crystal is a very expensive material, the above method is not preferable from the viewpoint of cost when mass-producing industrial products such as piezoelectric elements using piezoelectric thin films.
これに対して、シリコンなどの安価な基板上にPZTなどのペロブスカイト型圧電材料の(001)面又は(100)面結晶配向膜を形成する方法として、以下のようなものが知られている。すなわち、例えば特許文献2には、(111)面に配向したPt電極上に、PZT又はランタンを含有したPZTの前駆体溶液を塗布し、この前駆体溶液を結晶化させる前にまず450〜550℃で熱分解させ、その後550〜800℃で加熱処理して結晶化させること(ゾル−ゲル法)により、PZTの(100)面結晶配向膜を生成できることが示されている。
On the other hand, as a method for forming a (001) plane or (100) plane crystal orientation film of a perovskite type piezoelectric material such as PZT on an inexpensive substrate such as silicon, the following is known. That is, for example, in
しかし、このゾル−ゲル法で圧電素子を量産すると、有機物を取り除く工程や非晶質の圧電体前駆体薄膜を高温加熱して結晶化させる工程において結晶変化することで、クラックや下部電極と圧電体薄膜との膜剥離が生じ易いという問題がある。 However, when mass-producing piezoelectric elements by this sol-gel method, the crystal changes in the process of removing organic matter and the process of crystallizing the amorphous piezoelectric precursor thin film at a high temperature, so that cracks and lower electrodes and piezoelectric There is a problem that film peeling from the body thin film is likely to occur.
これに対して、安価な基板上に結晶配向膜を作る方法として、ゾル−ゲル法を必要としない方法、例えばスパッタ法で作る方法が知られている(例えば特許文献3を参照)。以下、この方法による結晶配向膜の形成の工程について説明する。まず、基板上に、Co、Ni、Mn、Fe又はCuを含むPt又はIrなどの貴金属合金からなる電極薄膜を下地電極としてスパッタ法で形成する。次に、その電極薄膜上にPZTをスパッタ法で形成することにより、(001)結晶配向したPZT薄膜を得ることができる。
以上のようにして得られる圧電体薄膜は圧電定数が高く、印加する電圧が小さくても大きな圧電変位が発生するので、様々な分野のアクチュエーターとして用いられることが期待されている。また、この圧電体薄膜に大きな電圧を印加することにより、さらに大きな圧電変位を発生させることもできる。 The piezoelectric thin film obtained as described above has a high piezoelectric constant, and a large piezoelectric displacement occurs even when the applied voltage is small. Therefore, it is expected to be used as an actuator in various fields. Further, a larger voltage can be generated by applying a large voltage to the piezoelectric thin film.
しかし、上述の、PZT薄膜をスパッタ法で形成したアクチュエーターに高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で電圧を長時間印加すると、変位量が減少するとともに電極薄膜が黒色に変色し、その結果、アクチュエーターが劣化するという問題があった。これは、電極薄膜とPZT薄膜との界面でPZT薄膜の過剰Pbが水分と反応することが原因と考えられる。 However, when a voltage is applied for a long time in an atmosphere of high temperature and high humidity (temperature of 50 ° C. and humidity of 50%) to the actuator in which the PZT thin film is formed by the sputtering method, the amount of displacement decreases and the electrode thin film turns black. As a result, there is a problem that the actuator deteriorates. This is presumably because excess Pb of the PZT thin film reacts with moisture at the interface between the electrode thin film and the PZT thin film.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子並びにそれを備えたインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element with low cost, high piezoelectric characteristics, and high moisture resistance, an inkjet head including the piezoelectric element, and inkjet recording. To provide an apparatus.
上記課題を解決するために、本発明の圧電素子は、第1電極膜と、該第1電極膜上に形成された第1圧電体膜と該第1圧電体膜上に形成され且つ上記第1圧電体膜により結晶配向性を制御される第2圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第2圧電体膜上に形成された第2電極膜とを備えた圧電素子であって、上記第1及び第2圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、上記第1圧電体膜のPb含有量が上記第2圧電体膜のPb含有量よりも少なく、上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第1圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が20以上60以下であることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, a piezoelectric element of the present invention includes a first electrode film, a first piezoelectric film formed on the first electrode film, the first piezoelectric film, and the first piezoelectric film. 1. A piezoelectric element comprising: a piezoelectric laminated film comprising a second piezoelectric film whose crystal orientation is controlled by one piezoelectric film; and a second electrode film formed on the second piezoelectric film. The first and second piezoelectric films are aggregates of columnar particles whose crystal growth direction is directed from one side to the other side in the thickness direction of the piezoelectric multilayer film, and the first piezoelectric film contains Pb. The amount is less than the Pb content of the second piezoelectric film, the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is larger than the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the first piezoelectric film, and the second The ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the piezoelectric film is 20 or more and 60 or less. It is an.
これにより、第1圧電体膜のPb含有量が第2圧電体膜のPb含有量よりも少ないので、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても、第1電極膜と第1圧電体膜との界面で第1圧電体膜の過剰Pbが水分と反応することを原因とする、圧電素子の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を提供できる。 As a result, the Pb content of the first piezoelectric film is less than the Pb content of the second piezoelectric film, so that even when a voltage is applied to the piezoelectric element in a high-temperature and high-humidity atmosphere, The deterioration of the piezoelectric element due to the excess Pb of the first piezoelectric film reacting with moisture at the interface with the one piezoelectric film does not occur. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric element with low cost, high piezoelectric characteristics, and high moisture resistance.
また、本発明のその他の圧電素子は、第1電極膜と、該第1電極膜上に形成された配向制御膜と、該配向制御膜上に形成された第1圧電体膜と該第1圧電体膜上に形成され且つ上記第1圧電体膜により結晶配向性を制御される第2圧電体膜とからなる圧電体積層膜と、該第2圧電体膜上に形成された第2電極膜とを備えた圧電素子であって、上記第1及び第2圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、上記第1圧電体膜のPb含有量が上記第2圧電体膜のPb含有量よりも少なく、上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第1圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が20以上60以下であることを特徴とするものである。 Another piezoelectric element of the present invention includes a first electrode film, an alignment control film formed on the first electrode film, a first piezoelectric film formed on the alignment control film, and the first A piezoelectric laminate film formed on the piezoelectric film and comprising a second piezoelectric film whose crystal orientation is controlled by the first piezoelectric film, and a second electrode formed on the second piezoelectric film The first and second piezoelectric films are aggregates of columnar particles whose crystal growth direction is directed from one side to the other side in the thickness direction of the piezoelectric multilayer film. The Pb content of the first piezoelectric film is less than the Pb content of the second piezoelectric film, and the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is smaller than that of the columnar particles of the first piezoelectric film. The ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is 2 which is larger than the average sectional diameter. It is characterized in that at 60 or less.
これにより、第1圧電体膜のPb含有量が第2圧電体膜のPb含有量よりも少ないので、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても、配向制御膜と第1圧電体膜との界面で第1圧電体膜の過剰Pbが第1電極膜及び配向制御膜を透過して浸入した水分と反応することを原因とする、圧電素子の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を提供できる。 As a result, the Pb content of the first piezoelectric film is less than the Pb content of the second piezoelectric film, so that even if a voltage is applied to the piezoelectric element in a high-temperature and high-humidity atmosphere, Deterioration of the piezoelectric element caused by excess Pb of the first piezoelectric film at the interface with the piezoelectric film reacting with moisture that permeates through the first electrode film and the orientation control film does not occur. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric element with low cost, high piezoelectric characteristics, and high moisture resistance.
また、第1電極膜上に配向制御膜を形成することにより、第1圧電体膜の結晶配向性を向上させることができ、さらに、第2圧電体膜の結晶配向性も向上させることができる。そのため、圧電特性がより高い圧電素子を提供できる。 In addition, by forming the orientation control film on the first electrode film, the crystal orientation of the first piezoelectric film can be improved, and further, the crystal orientation of the second piezoelectric film can be improved. . Therefore, a piezoelectric element with higher piezoelectric characteristics can be provided.
上記第1圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が40nm以上70nm以下であり且つ長さが5nm以上100nm以下であることが望ましい。 The columnar particles of the first piezoelectric film preferably have an average cross-sectional diameter of 40 nm to 70 nm and a length of 5 nm to 100 nm.
これにより、第1圧電体膜は第2圧電体膜の結晶配向性を確実に制御できる。 Thereby, the first piezoelectric film can surely control the crystal orientation of the second piezoelectric film.
上記第2圧電体膜の柱状粒子は、平均断面径が60nm以上200nm以下であり且つ長さが2500nm以上5000nm以下であることが望ましい。 The columnar particles of the second piezoelectric film preferably have an average cross-sectional diameter of 60 nm to 200 nm and a length of 2500 nm to 5000 nm.
ところで、第2圧電体膜の柱状粒子の長さが2500nmよりも小さい場合は、第1及び第2電極膜間に電圧を印加したときにおける圧電体積層膜にかかる電界が大きくなるので、クラックが発生する可能性が高くなる。 By the way, when the length of the columnar particles of the second piezoelectric film is smaller than 2500 nm, an electric field applied to the piezoelectric laminated film when a voltage is applied between the first and second electrode films is increased, so that cracks are not generated. It is more likely to occur.
ここで、本発明によれば、第2圧電体膜の柱状粒子の長さが2500nm以上であるので、クラックが発生することを防止できる。 Here, according to the present invention, since the length of the columnar particles of the second piezoelectric film is 2500 nm or more, occurrence of cracks can be prevented.
上記第1及び第2圧電体膜は少なくともPb、Zr及びTiを含んでいて、化学組成比がPb:Zr:Ti=(1+a):b:1−bで表され、上記第1及び第2圧電体膜の上記bの値が0.50以上0.60以下の同じ値であり、上記第1圧電体膜の上記aの値が−0.05以上0.05以下であり、上記第2圧電体膜の上記aの値が0以上0.1以下であることが望ましい。 The first and second piezoelectric films contain at least Pb, Zr, and Ti, the chemical composition ratio is represented by Pb: Zr: Ti = (1 + a): b: 1-b, and the first and second The value of b of the piezoelectric film is the same value of 0.50 to 0.60, the value of a of the first piezoelectric film is −0.05 to 0.05, and the second The value a of the piezoelectric film is preferably 0 or more and 0.1 or less.
これにより、圧電素子の耐湿性を確実に向上させることができる。 Thereby, the moisture resistance of a piezoelectric element can be improved reliably.
上記第1及び第2圧電体膜は、(001)面に優先配向していることが望ましい。 The first and second piezoelectric films are preferably preferentially oriented in the (001) plane.
上記第1電極膜は、Pt、Ir、Pd及びRuから選ばれた少なくとも1種の貴金属、又は該貴金属とTi、Co、Ni、Al、Fe、Mn、Cu、Mg、Ca、Sr及びBaから選ばれた少なくとも1種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が20nm以上30nm以下の柱状粒子の集合体であることが望ましい。 The first electrode film includes at least one noble metal selected from Pt, Ir, Pd and Ru, or the noble metal and Ti, Co, Ni, Al, Fe, Mn, Cu, Mg, Ca, Sr and Ba. It is preferably an aggregate of columnar particles made of an alloy with at least one selected metal or oxide thereof and having an average cross-sectional diameter of 20 nm to 30 nm.
これにより、第1電極膜は第1圧電体膜の配向制御膜としての機能を活性化させることができるので、第1圧電体膜は第2圧電体膜の結晶配向性を確実に制御できる。 As a result, the first electrode film can activate the function of the first piezoelectric film as the orientation control film, so that the first piezoelectric film can reliably control the crystal orientation of the second piezoelectric film.
上記配向制御膜は、チタン酸ランタン鉛からなることが望ましい。 The alignment control film is preferably made of lead lanthanum titanate.
これにより、圧電体積層膜を(001)面に確実に配向させることができる。 As a result, the piezoelectric laminated film can be reliably oriented in the (001) plane.
本発明のインクジェットヘッドは、ノズルと該ノズルに連通し且つインクを収容する圧力室とが形成されたヘッド本体部と、厚み方向一方側の面の一部が上記圧力室に臨むように設けられた振動板膜と、上記振動板膜の厚み方向他方側の面上に形成され、上記圧力室内のインクに圧力を付与して上記ノズルからインクを吐出させる圧電素子とを備えたインクジェットヘッドであって、上記圧電素子は、本発明の圧電素子のいずれか1つからなることを特徴とするものである。 The ink jet head of the present invention is provided such that a head main body portion in which a nozzle and a pressure chamber communicating with the nozzle and containing ink are formed, and a part of a surface on one side in the thickness direction face the pressure chamber. And a piezoelectric element that is formed on the other surface in the thickness direction of the diaphragm film and applies pressure to the ink in the pressure chamber to eject the ink from the nozzle. The piezoelectric element is characterized by comprising any one of the piezoelectric elements of the present invention.
本発明のインクジェット式記録装置は、インクジェットヘッドと、上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる移動手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、上記インクジェットヘッドは、本発明のインクジェットヘッドからなることを特徴とするものである。 The ink jet recording apparatus of the present invention is an ink jet recording apparatus provided with an ink jet head and a moving means for relatively moving the ink jet head and the recording medium. The ink jet head is composed of the ink jet head of the present invention. It is characterized by this.
なお、本発明の圧電素子は、インクジェットヘッドやインクジェット式記録装置以外のもの、例えばジャイロ素子や加速度センサなどの電子部品等にも適用できる。 The piezoelectric element of the present invention can also be applied to devices other than ink jet heads and ink jet recording apparatuses, such as electronic components such as gyro elements and acceleration sensors.
本発明によれば、圧電素子に高温高湿の雰囲気下で電圧を印加しても圧電素子が劣化しないので、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子並びにそれを備えたインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を提供できる。また、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子を容易に製造できる。さらに、インク液の吐出能力のばらつきが小さく信頼性が高いインクジェットヘッド及びそれを備えたインクジェット式記録装置を提供できる。 According to the present invention, since a piezoelectric element does not deteriorate even when a voltage is applied to the piezoelectric element in a high-temperature and high-humidity atmosphere, the piezoelectric element is low in cost, has high piezoelectric characteristics, and has high moisture resistance. An ink jet head and an ink jet recording apparatus can be provided. In addition, a piezoelectric element with low cost, high piezoelectric characteristics, and high moisture resistance can be easily manufactured. Furthermore, it is possible to provide an ink jet head having a small variation in ink discharge capability and high reliability, and an ink jet recording apparatus including the ink jet head.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1に示すように、本発明の実施形態に係る圧電素子(圧電体素子)20は、短冊平板状の基板1(厚さ0.3mm、幅3.0mm、長さ15.0mm)と、その基板1上に形成された積層体11とを備えている。圧電素子20の幅は3.0mmである。圧電素子20の一端部(図1では左端部)は、エポキシ系接着剤7を介してステンレス支持基板6(厚さ1.0mm、幅3.0mm、長さ10.0mm)上に固定されている。この一端部は、圧電素子20の一端(図1では左端)からの長さが3.0mmまでの部分である。圧電素子20の長手方向とステンレス支持基板6の長手方向とはほぼ直行している。以上から、圧電素子20は片持ち梁を構成している。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, a piezoelectric element (piezoelectric element) 20 according to an embodiment of the present invention includes a strip-like substrate 1 (thickness 0.3 mm, width 3.0 mm, length 15.0 mm), And a
基板1は、圧電効果による積層体11の伸縮を阻害する振動板膜(振動板層)の役割も果たす。積層体11は、基板1上に形成された第1電極膜2と、その第1電極膜2上に形成された圧電体積層膜10と、その圧電体積層膜10上に形成された第2電極膜5とを備えている。
The
第1電極膜2は、基板1の厚み方向一方側の面の全面に設けられている。圧電体積層膜10は、第1電極膜2の上記一端部以外の部分の上に設けられている。すなわち、圧電体積層膜10は、幅が3.0mmで且つ長さが12.0mmである。圧電体積層膜10は、(001)優先結晶配向のペロブスカイト型結晶構造のジルコン酸チタン酸鉛系酸化物(以下、PZT系酸化物という)からなる。PZT系酸化物とは、少なくともPb、Zr及びTiを含む酸化物である。具体的には、圧電体積層膜10は、第1電極膜2上に形成された第1圧電体薄膜3と、その第1圧電体薄膜3上に形成された第2圧電体薄膜4とにより構成されている。この第1圧電体薄膜3は、第2圧電体薄膜4の結晶配向性を制御する配向制御膜としての機能を有する。
The
第2電極膜5は厚さ100nmの白金からなる。第1及び第2電極膜2,5には金製のリード線8,9がそれぞれ接続されている。
The
本発明の特徴として、第1及び第2圧電体薄膜3,4は、結晶成長方向が圧電体積層膜10(第1及び第2圧電体薄膜3,4)の厚み方向一方向側から他方側に向いている柱状粒子の集合体である(図3を参照)。換言すれば、第1及び第2圧電体薄膜3,4は基板1(第1電極膜2)の厚み方向一方側の面に対して垂直な方向に成長した柱状粒子の集合体である。第1及び第2圧電体薄膜3,4の柱状粒子は連続して繋がっている。第1圧電体薄膜3のPb含有量は第2圧電体薄膜4のPb含有量よりも少ない。第2圧電体薄膜4の柱状粒子の平均断面径(粒子径)は第1圧電体薄膜3の柱状粒子の平均断面径(粒子径)よりも大きい。第2圧電体薄膜4の柱状粒子の平均断面径(粒子径)に対する圧電体積層膜10の厚み(圧電体積層膜10の柱状粒子の長さ)の比は20以上60以下である。ここで、第2圧電体薄膜4の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜10の厚みの比が20未満の場合は、成膜時に生じる応力で圧電体積層膜10にクラックが発生し、また、その比が60を超えると、駆動時の消費電力が大きくなって応答性が低下し、いずれの場合も望ましくない。
As a feature of the present invention, the first and second piezoelectric
また、第1圧電体薄膜3の柱状粒子は、平均断面径(粒子径)が40nm以上70nm以下であるとともに長さが5nm以上100nm以下である。第2圧電体薄膜4の柱状粒子は、平均断面径(粒子径)が60nm以上200nm以下であるとともに長さが2500nm以上5000nm以下である。
The columnar particles of the first piezoelectric
また、第1及び第2圧電体薄膜3,4は、化学組成比がPb:Zr:Ti=(1+a):b:1−bで表される。第1及び第2圧電体薄膜3,4のbの値は、0.50以上0.60以下の同じ値である。第1圧電体薄膜3のaの値は−0.05以上0.05以下である。第2圧電体薄膜4のaの値は0以上0.10以下である。
The chemical composition ratio of the first and second piezoelectric
また、第1電極膜2はPt、Ir、Pd及びRuから選ばれた少なくとも1種の貴金属、又は該貴金属とTi、Co、Ni、Al、Fe、Mn、Cu、Mg、Ca、Sr及びBaから選ばれた少なくとも1種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が20nm以上30nm以下の柱状粒子の集合体である。
The
ここで、圧電素子20の第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して電圧を印加すると、圧電体積層膜10はX軸方向に伸びる。ここで、印加電圧をE(V)、圧電体積層膜10の長さをL(m)、圧電体積層膜10の厚さをt(m)、圧電体積層膜10の圧電定数をd31(pm/V)とすると、圧電体積層膜10のX軸方向の伸びの変化量ΔL(m)は、以下の式(1)によって求められる。
ΔL=d31×L×E/t…(1)
Here, when a voltage is applied between the first and
ΔL = d 31 × L × E / t (1)
また、第2電極膜5と接合している圧電体積層膜10の上側部分はX軸方向に伸びる一方、第1電極膜2と接合している圧電体積層膜10の下側部分は、厚みが大きい基板1によって伸びが抑制される。その結果、圧電素子20における上記一端とは反対側の他端(図1では右端。以下、先端という)は、Z軸の−Z方向(図1では下側)に変位する。したがって、電圧の印加を一定周期で繰り返すと、圧電素子20の先端はZ軸方向に所定の変位量で変位する。そして、印加電圧と圧電素子20の先端の変位量の大きさとの関係を調べることにより、圧電素子20の変位特性を評価できる。
The upper portion of the
−圧電素子の製造方法−
以下、図2を参照しながら、圧電素子20の製造方法について説明する。まず、図2(a)に示すように、縦20mm、横20mm、厚さ0.3mmの基板101の表面上に、幅5.0mm、長さ18.0mmの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク(厚さ0.2mm)を用いて、第1電極膜102をRFマグネトロンスパッタ法で形成する。
-Piezoelectric element manufacturing method-
Hereinafter, the manufacturing method of the
次に、第1電極膜102の表面上に、幅5.0mm、長さ12.0mmの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク(厚さ0.2mm)を用いて、圧電体積層膜110をRFマグネトロンスパッタ法で正確に形成する。具体的には、圧電体積層膜110を、以下のようにして作製する。まず、PZT酸化物の焼結体を所定のターゲットとして用い且つ所定の成膜条件下におけるRFマグネトロンスパッタ法で、第1電極膜102上に第1圧電体薄膜103を形成する。それから、第1圧電体薄膜103の形成時と同じ所定のターゲットを用い且つ第1圧電体薄膜103の形成時の所定の成膜条件とは異なる成膜条件下におけるRFマグネトロンスパッタ法で、第1圧電体薄膜103上に第2圧電体薄膜104を連続して形成する。
Next, using a stainless steel mask (thickness: 0.2 mm) in which a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 12.0 mm is formed on the surface of the
次に、圧電体積層膜110の表面上に、上記と同じマスクを用いて、第2電極膜105をRFマグネトロンスパッタ法で形成する。その結果、図2(b)に示すように、基板101と、その基板101上に形成され且つ圧電体積層膜110を含む積層体111とからなる構造体121を得ることができる。
Next, the
次に、図2(c)に示すように、基板1が幅3.0mm、長さ15.0mmの短冊形状となり且つ第1電極膜2の、その一端(図2(c)では左端)から長さ3.0mmまでの部分が露出するように、構造体121をダイシングソーで切断する。その結果、基板1、第1電極膜2、第1圧電体薄膜3、第2圧電体薄膜4及び第2電極膜5がその順に積層されてなる圧電素子構造体部品22を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(d)に示すように、基板1における第1電極膜2の露出部(図2(d)では左端部)側の部分を、ステンレス支持基板6にエポキシ系接着剤7を用いて接合する。
Next, as shown in FIG. 2 (d), the exposed portion (the left end portion in FIG. 2 (d)) side of the
次に、図2(e)に示すように、第1電極膜2の露出部にリード線8を導電性接着剤(銀ペースト)を用いて接続するとともに、第2電極膜5における第1電極膜2の露出部側の部分にリード線9をワイヤボンディングで接続することにより、図1に示す圧電素子20を得ることができる。図3は、この圧電素子20の膜構造を示す模式図である。
Next, as shown in FIG. 2E, the
以下、具体的に実施した実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
(実施例1)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ100nmのPt薄膜を用いた。このPt薄膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板101を400℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=15/1)をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を0.25Paに保った。3元RFマグネトロンスパッタ装置の第1ターゲットとしてPtからなるターゲットを用いた。そして、200Wの高周波電力を印加して1200秒間スパッタリングすることにより、Pt薄膜を成膜した。
Example 1
In this example, a silicon substrate was used as the
圧電体積層膜110の膜厚を3100nmとした。圧電体積層膜110を、(001)優先配向のジルコン酸チタン酸鉛(以下、PZTという)からなる厚さ100nmの第1圧電体薄膜103と、その第1圧電体薄膜103上に形成した、(001)優先配向のPZTからなる厚さ3000nmの第2圧電体薄膜104とにより構成した。
The film thickness of the
第1及び第2圧電体薄膜103,104をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した(図2(b)を参照)。このとき、約20モル%PbOを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を50秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を3000秒間成膜した。
The first and second piezoelectric
ここで、図2(b)に示す第1圧電体薄膜103の組成、膜厚及び断面構造を正確に求めるために、第1圧電体薄膜103を形成した後に成膜を打ち切った積層膜も同時に作製した。この試料の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、且つ、X線マイクロアナライザーによる組成分析を行った。その後、この試料を破壊し、その破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。 Here, in order to accurately obtain the composition, film thickness, and cross-sectional structure of the first piezoelectric thin film 103 shown in FIG. Produced. The surface of this sample was observed with a scanning electron microscope, and composition analysis was performed using an X-ray microanalyzer. Thereafter, the sample was broken, and the broken surface was observed with a scanning electron microscope.
また、図2(b)に示す第2圧電体膜104の組成、膜厚及び断面構造を正確に求めるために、第2圧電体膜104を形成した後に成膜を中止した積層膜も作製した。この試料の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、且つ、X線マイクロアナライザーによる組成分析を行った。その後、この試料を破壊し、その破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。
In addition, in order to accurately obtain the composition, film thickness, and cross-sectional structure of the second
また、図2(b)に示す構造体121を試料として用いて、オージェ分光分析により圧電体積層膜110の厚み方向の組成分析を行った。さらに、圧電体積層膜110の破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。
Further, using the
以上のような分析及び観察の結果、第1電極膜102としてのPt電極は、平均粒子径(平均直径)が20nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。第1及び第2圧電体薄膜103,104は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜103は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が40nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が3000nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が100nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は31であった。
As a result of the above analysis and observation, it was found that the Pt electrode as the
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は55%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は75%であった。ここで、(001)結晶配向率αは、以下の式(2)によって定義されている。
α=I(001)/ΣI(hkl)・・・(2)
Σ(hkl)は、X線回折法において、Cu−Kα線を用いた場合の2θが10°〜70°であるときの、ペロブスカイト型酸化物の全回折強度の総和である。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
α = I (001) / ΣI (hkl) (2)
Σ (hkl) is the sum of the total diffraction intensities of the perovskite oxide when 2θ is 10 ° to 70 ° when using Cu-Kα rays in the X-ray diffraction method.
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=0.95:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 0.95: 0.53: 0.47 as a result of the composition analysis of the cations by the X-ray microanalyzer. The second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47. That is, the first and second piezoelectric
また、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。図4は、周波数2kHzの三角波電圧を印加した場合における圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量を示す。その測定結果、圧電素子20の先端は最大19.0μm変位したことがわかった。
Further, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and
また、この三角波電圧により圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子20の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子20の外観を調べた。その結果、圧電素子20を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大19.0μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例2)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ120nmのIr−Ti合金薄膜を用いた。このIr−Ti膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板101を400℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=15/1)をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を0.25Paに保った。3元RFマグネトロンスパッタ装置の第1ターゲットとしてIrからなるターゲットを用い、第2ターゲットとしてチタンからなるターゲットを用いた。そして、第1及び第2ターゲットに200W及び60Wの高周波電力をそれぞれ印加して1200秒間スパッタリングすることにより、Ir−Ti合金薄膜を成膜した。
(Example 2)
In this example, a silicon substrate was used as the
圧電体積層膜110の膜厚を2550nmとした。圧電体積層膜110を、(001)優先配向のPZTからなる厚さ50nmの第1圧電体薄膜103と、その第1圧電体薄膜103上に形成した、(001)優先配向のPZTからなる厚さ2500nmの第2圧電体薄膜104とにより構成した。
The film thickness of the piezoelectric
第1及び第2圧電体薄膜103,104をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した(図2(b)を参照)。このとき、約20モル%PbOを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.50:0.50)を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を40秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を2400秒間成膜した。
The first and second piezoelectric
実施例1と同じ分析及び観察の結果、第1電極膜102としてのIr−Ti電極は、組成が3%のチタンを含むIr薄膜であって、平均粒子径(平均直径)が30nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。第1及び第2圧電体薄膜103,104は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜103は、膜厚が50nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が40nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が2500nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が80nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は31.9であった。
As a result of the same analysis and observation as in Example 1, the Ir-Ti electrode as the
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は60%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は80%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.00:0.50:0.50であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.50: 0.50 as a result of the cation composition analysis by the X-ray microanalyzer, and the second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.50: 0.50. That is, the first and second piezoelectric
また、実施例1と同様に、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子20の先端は最大23.9μm変位したことがわかった。
Similarly to the first embodiment, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and
また、この三角波電圧により圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子20の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子20の外観を調べた。その結果、圧電素子20を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大23.9μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例3)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ150nmのPd薄膜を用いた。このPd膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板101を400℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=15/1)をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を0.25Paに保った。3元RFマグネトロンスパッタ装置の第1ターゲットとしてPdからなるターゲットを用いた。そして、第1ターゲットに200Wの高周波電力を印加して1200秒間スパッタリングすることにより、第1電極膜102としてPd薄膜を成膜した。
(Example 3)
In this example, a silicon substrate was used as the
圧電体積層膜110の膜厚を3100nmとした。圧電体積層膜110を、(001)優先配向のPZTからなる厚さ100nmの第1圧電体薄膜103と、その第1圧電体薄膜103上に形成した、(001)優先配向のPZTからなる厚さ3000nmの第2圧電体薄膜104とにより構成した。
The film thickness of the
第1及び第2圧電体薄膜103,104をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した(図2(b)を参照)。このとき、約20モル%PbOを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.60:0.40)を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を50秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を2800秒間成膜した。
The first and second piezoelectric
実施例1と同じ分析及び観察の結果、第1電極膜102としてのPd電極は、平均粒子径(平均直径)が20nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。第1及び第2圧電体薄膜103,104は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜103は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が70nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が3000nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が150nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は20.7であった。
As a result of the same analysis and observation as in Example 1, it was found that the Pd electrode as the
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は50%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は75%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.05:0.60:0.40であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.60:0.40であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板1の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 1.05: 0.60: 0.40 as a result of the cation composition analysis by the X-ray microanalyzer. The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.60: 0.40. In other words, the first and second piezoelectric
また、実施例1と同様に、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子20の先端は最大20.2μm変位したことがわかった。
Similarly to the first embodiment, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and
また、この三角波電圧により圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子20の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子20の外観を調べた。その結果、圧電素子20を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大20.2μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例4)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ110nmのRu薄膜を用いた。このRu膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板101を400℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=15/1)をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を0.25Paに保った。3元RFマグネトロンスパッタ装置の第1ターゲットとしてRuからなるターゲットを用いた。そして、第1ターゲットに200Wの高周波電力を印加して1200秒間スパッタリングすることにより、Ru薄膜を成膜した。
(Example 4)
In this embodiment, a silicon substrate is used as the
圧電体積層膜110の膜厚を4505nmとした。圧電体積層膜110を、(001)優先配向のPZTからなる厚さ5nmの第1圧電体薄膜103と、その第1圧電体薄膜103上に形成した、(001)優先配向のPZTからなる厚さ4500nmの第2圧電体薄膜104とにより構成した。
The film thickness of the piezoelectric
第1及び第2圧電体薄膜103,104をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した(図2(b)を参照)。このとき、約20モル%PbOを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を10秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を3600秒間成膜した。
The first and second piezoelectric
実施例1と同じ分析及び観察の結果、第1電極膜102としてのRu電極は、平均粒子径(平均直径)が25nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。第1及び第2圧電体薄膜103,104は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜103は、膜厚が5nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が50nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が4500nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が150nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は30であった。
As a result of the same analysis and observation as in Example 1, it was found that the Ru electrode as the
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は60%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は85%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=0.95:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 0.95: 0.53: 0.47 as a result of the composition analysis of the cations by the X-ray microanalyzer. The second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.53: 0.47. That is, the first and second piezoelectric
また、実施例1と同様に、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子20の先端は最大18.8μm変位したことがわかった。
Similarly to the first embodiment, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and
また、この三角波電圧により圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子20の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子20の外観を調べた。その結果、圧電素子20を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大18.8μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例5)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ130nmのIr−Co合金薄膜を用いた。このIr−Co膜は、3元RFマグネトロンスパッタ装置で形成した。具体的には、シリコン基板101を400℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=15/1)をスパッタリングガスとして用い、トータルガス圧力を0.25Paに保った。3元RFマグネトロンスパッタ装置の第1ターゲットとしてIrからなるターゲットを用い、第2ターゲットとしてCoからなるターゲットを用いた。そして、第1及び第2ターゲットに200W及び60Wの高周波電力をそれぞれ印加して1200秒間スパッタリングすることにより、第1電極膜102としてのIr−Co合金薄膜を成膜した。
(Example 5)
In this example, a silicon substrate was used as the
圧電体積層膜110の膜厚を3030nmとした。圧電体積層膜110を、(001)優先配向のPZTからなる厚さ30nmの第1圧電体薄膜103と、その第1圧電体薄膜103上に形成した、(001)優先配向のPZTからなる厚さ3000nmの第2圧電体薄膜104とにより構成した。
The film thickness of the
第1及び第2圧電体薄膜103,104をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した(図2(b)を参照)。このとき、約20モル%PbOを過剰に加えて調合した、化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.50:0.50)を、ターゲットとして用いた。また、成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで予め加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を30秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を3000秒間成膜した。
The first and second piezoelectric
実施例1と同じ分析及び観察の結果、第1電極膜102としてのIr−Co電極は、組成が4%のCoを含むIr薄膜であって、平均粒子径(平均直径)が20nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。第1及び第2圧電体薄膜103,104は、互いが連続して繋がった、柱状構造の粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜103は、膜厚が30nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が40nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が3000nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が60nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は50.5であった。
As a result of the same analysis and observation as in Example 1, the Ir—Co electrode as the
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は65%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は80%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.00:0.50:0.50であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.50: 0.50 as a result of the cation composition analysis by the X-ray microanalyzer, and the second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.50: 0.50. That is, the first and second piezoelectric
また、実施例1と同様に、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子20の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子20の先端は最大26.7μm変位したことがわかった。
Similarly to the first embodiment, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and
また、この三角波電圧により圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子20の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子20の外観を調べた。その結果、圧電素子20を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大26.7μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(比較例1)
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例1の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例1と異なり、圧電体積層膜のPb組成を第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例1と同様であり、成膜条件は実施例1と異なる。その他の点に関しては、実施例1と全く同じである。
(Comparative Example 1)
In order to compare with the piezoelectric element of each of the above examples, the following piezoelectric element of Comparative Example 1 was produced. That is, unlike the first example, the comparative example has a Pb composition of the piezoelectric laminated film that is greater in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film. The method for forming the piezoelectric laminated film is the same as that in the first embodiment, and the film forming conditions are different from those in the first embodiment. The other points are exactly the same as in the first embodiment.
実施例1と同じ分析及び観察の結果、本比較例の第1及び第2圧電体薄膜は、互いが連続して繋がった柱状粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が60nmであった。第2圧電体薄膜は、膜厚が3000nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が180nmであった。第2圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜の厚みの比は17.2であった。 As a result of the same analysis and observation as in Example 1, the first and second piezoelectric thin films of this comparative example existed as an aggregate of columnar particles that were continuously connected to each other. The first piezoelectric thin film had a thickness of 100 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 60 nm. The second piezoelectric thin film had a thickness of 3000 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 180 nm. The ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles of the second piezoelectric thin film was 17.2.
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜の形成面の(001)結晶配向率は70%であり、第2圧電体膜の形成面の(001)結晶配向率は88%であった。 Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second piezoelectric films had a perovskite crystal structure. The (001) crystal orientation ratio of the formation surface of the first piezoelectric film was 70%, and the (001) crystal orientation ratio of the formation surface of the second piezoelectric film was 88%.
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜は、(001)軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多いことがわかった。 Further, as a result of the composition analysis of the cation by the X-ray microanalyzer, the composition of the first piezoelectric thin film is Pb: Zr: Ti = 1.15: 0.53: 0.47, The composition was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.53: 0.47. In other words, the first and second piezoelectric thin films are PZT films having a perovskite crystal structure with a (001) axis preferentially grown in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate, and the compositions of Zr and Ti are It was found that the first and second piezoelectric thin films were the same, and the composition of Pb was greater in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film.
また、この圧電素子に、実施例1と同様に、0V〜−50Vの三角波電圧を印加すると、圧電素子の先端は最大22.3μm変位したことがわかった。 Further, when a triangular wave voltage of 0 V to −50 V was applied to this piezoelectric element in the same manner as in Example 1, it was found that the tip of the piezoelectric element was displaced by a maximum of 22.3 μm.
また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後において、変位量が減少しており(0μm)、第1電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。 Moreover, after driving the piezoelectric element continuously for 120 hours in an atmosphere of high temperature and high humidity (temperature 50 ° C., humidity 50%) with this triangular wave voltage, the driving state of the piezoelectric element was examined and the appearance of the piezoelectric element was examined with an optical microscope. . As a result, after the piezoelectric element was continuously driven in a high-temperature and high-humidity atmosphere for 120 hours, the amount of displacement decreased (0 μm), and the first electrode film turned black. That is, the piezoelectric element was deteriorated.
(比較例2)
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例2の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例2と異なり、圧電体積層膜のPb組成を第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例2と同様であり、成膜条件は実施例2と異なる。その他の点に関しては、実施例2と全く同じである。
(Comparative Example 2)
In order to compare with the piezoelectric elements of the above examples, the following piezoelectric element of Comparative Example 2 was produced. That is, unlike the second example, the comparative example has a higher Pb composition in the piezoelectric laminated film in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film. The method for forming the piezoelectric laminated film is the same as that in Example 2, and the film forming conditions are different from those in Example 2. The other points are exactly the same as in the second embodiment.
実施例1と同じ分析及び観察の結果、本比較例の第1及び第2圧電体薄膜は、互いが連続して繋がった柱状粒子の集合体として存在していた。第1圧電体薄膜は、膜厚が50nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が70nmであった。第2圧電体薄膜は、膜厚が2500nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が140nmであった。第2圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜の厚みの比は18.2であった。 As a result of the same analysis and observation as in Example 1, the first and second piezoelectric thin films of this comparative example existed as an aggregate of columnar particles that were continuously connected to each other. The first piezoelectric thin film had a thickness of 50 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 70 nm. The second piezoelectric thin film had a thickness of 2500 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 140 nm. The ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles of the second piezoelectric thin film was 18.2.
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜の形成面の(001)結晶配向率は65%であり、第2圧電体膜の形成面の(001)結晶配向率は85%であった。 Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second piezoelectric films had a perovskite crystal structure. The (001) crystal orientation ratio of the formation surface of the first piezoelectric film was 65%, and the (001) crystal orientation ratio of the formation surface of the second piezoelectric film was 85%.
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50であり、第2圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.05:0.50:0.50であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜は、(001)軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多いことがわかった。 In addition, as a result of the composition analysis of the cation by the X-ray microanalyzer, the composition of the first piezoelectric thin film is Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.50: 0.50, The composition was Pb: Zr: Ti = 1.05: 0.50: 0.50. In other words, the first and second piezoelectric thin films are PZT films having a perovskite crystal structure with a (001) axis preferentially grown in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate, and the compositions of Zr and Ti are It was found that the first and second piezoelectric thin films were the same, and the composition of Pb was greater in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film.
また、この圧電素子に、上記実施例2と同様に、0V〜−50Vの三角波電圧を印加すると、圧電素子の先端は最大18.0μm変位したことがわかった。 Further, when a triangular wave voltage of 0 V to −50 V was applied to this piezoelectric element as in Example 2, it was found that the tip of the piezoelectric element was displaced up to 18.0 μm.
また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後において、変位量が減少しており(0μm)、第1電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。 Moreover, after driving the piezoelectric element continuously for 120 hours in an atmosphere of high temperature and high humidity (temperature 50 ° C., humidity 50%) with this triangular wave voltage, the driving state of the piezoelectric element was examined and the appearance of the piezoelectric element was examined with an optical microscope. . As a result, after the piezoelectric element was continuously driven in a high-temperature and high-humidity atmosphere for 120 hours, the amount of displacement decreased (0 μm), and the first electrode film turned black. That is, the piezoelectric element was deteriorated.
−効果−
以上により、本実施形態によれば、第1圧電体薄膜3のPb組成が第2圧電体薄膜4のPb組成よりも少ないので、圧電素子20を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で駆動させても、第1電極膜2と第1圧電体薄膜3との界面で第1圧電体薄膜3の過剰Pbが水分と反応することを原因とする、圧電素子20の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子20を実現できる。
-Effect-
As described above, according to the present embodiment, since the Pb composition of the first piezoelectric
(実施形態2)
図5に示すように、本実施形態に係る圧電素子21は、第1電極膜2と第1圧電体薄膜3との間に配向制御膜12が配設されたものであり、その他の点に関しては、実施形態1の圧電素子20とほぼ同様の構成である。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 5, the
本実施形態に係る圧電素子21は、実施形態1の圧電素子20と類似する形状であって、短冊平板状の基板1(厚さ0.3mm、幅3.0mm、長さ15.0mm)と、その基板1上に形成された積層体11とを備えている。圧電素子21の幅は3.0mmである。圧電素子21の一端部(図5では左端部)は、エポキシ系接着剤7を介してステンレス支持基板6(厚さ1.0mm、幅3.0mm、長さ10.0mm)上に固定されている。この一端部は、圧電素子21の一端(図5では左端)からの長さが3.0mmまでの部分である。圧電素子21の長手方向とステンレス支持基板6の長手方向とはほぼ直行している。以上から、圧電素子21は片持ち梁を構成している。
The
基板1は、圧電効果による積層体11の伸縮を阻害する振動板膜(振動板層)の役割も果たす。積層体11は、基板1上に形成された第1電極膜2と、その第1電極膜2上に形成された配向制御膜12と、その配向制御膜12上に形成された圧電体積層膜10と、その圧電体積層膜10上に形成された第2電極膜5とを備えている。
The
第1電極膜2は、基板1の厚み方向一方側の面の全面に設けられている。配向制御膜12は、第1電極膜2の上記一端部以外の部分の上に設けられている。すなわち、配向制御膜12は、幅が3.0mmで且つ長さが12.0mmである。圧電体積層膜10は、配向制御膜12上に設けられている。具体的には、圧電体積層膜10は、配向制御膜12上に形成された第1圧電体薄膜3と、その第1圧電体薄膜3上に形成された第2圧電体薄膜4とにより構成されている。この第1圧電体薄膜3は、第2圧電体薄膜4の結晶配向性を制御する配向制御膜としての機能を有する。
The
第2電極膜5は厚さ100nmの白金からなる。第1及び第2電極膜2,5には金製のリード線8,9がそれぞれ接続されている。
The
本発明の特徴として、第1及び第2圧電体薄膜3,4は、結晶成長方向が圧電体積層膜10(第1及び第2圧電体薄膜3,4)の厚み方向一方向側から他方側に向いている柱状粒子の集合体である。第1圧電体薄膜3のPb含有量は第2圧電体薄膜4のPb含有量よりも少ない。第2圧電体膜4の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜の厚みの比は20以上60以下である。ここで、第2圧電体膜4の柱状粒子の平均断面径に対する圧電体積層膜10の厚みの比が20未満の場合は、成膜時に生じる応力で圧電体積層膜10にクラックが発生し、また、その比が60を超えると、駆動時の消費電力が大きくなって応答性が低下し、いずれの場合も望ましくない。
As a feature of the present invention, the first and second piezoelectric
また、第1圧電体薄膜3の柱状粒子は、平均断面径(粒子径)が40nm以上70nm以下であるとともに長さが5nm以上100nm以下である。第2圧電体薄膜4の柱状粒子は、平均断面径(粒子径)が60nm以上200nm以下であるとともに長さが2500nm以上5000nm以下である。
The columnar particles of the first piezoelectric
また、第1及び第2圧電体薄膜3,4は、化学組成比がPb:Zr:Ti=(1+a):b:1−bで表される。第1及び第2圧電体薄膜3,4のbの値は、0.50以上0.60以下の同じ値である。第1圧電体薄膜3のaの値は−0.05以上0.05以下である。第2圧電体薄膜4のaの値は0以上0.10以下である。
The chemical composition ratio of the first and second piezoelectric
また、配向制御膜12はチタン酸ランタン鉛からなる。
The
また、第1電極膜2はPt、Ir、Pd及びRuから選ばれた少なくとも1種の貴金属、又は該貴金属とTi、Co、Ni、Al、Fe、Mn、Cu、Mg、Ca、Sr及びBaから選ばれた少なくとも1種の金属若しくはその酸化物との合金からなっていて、平均断面径が20nm以上30nm以下の柱状粒子の集合体である。
The
ここで、実施形態1と同様に、圧電素子21にリード線8,9を介して電圧を印加すると、圧電素子21の先端は、Z軸の−Z方向に変位する。したがって、電圧の印加を一定周期で繰り返すと、圧電素子21の先端はZ軸方向に所定の変位量で変位し、その結果、圧電素子21の変位特性を評価できる。
Here, as in the first embodiment, when a voltage is applied to the
−圧電素子の製造方法−
以下、図6を参照しながら、圧電素子21の製造方法について説明する。まず、図6(a)に示すように、縦20mm、横20mm、厚さ0.3mmの基板101の表面上に、幅5.0mm、長さ18.0mmの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク(厚さ0.2mm)を用いて、第1電極膜102をRFマグネトロンスパッタ法で形成する。
-Piezoelectric element manufacturing method-
Hereinafter, a method for manufacturing the
次に、第1電極膜102の表面上に、幅5.0mm、長さ12.0mmの長方形の開口部が形成されたステンレス製マスク(厚さ0.2mm)を使用して、チタン酸ランタン鉛の焼結体をターゲットとして用い且つ第1成膜条件下におけるRFマグネトロンスパッタ法で配向制御膜112を形成する。
Next, using a stainless steel mask (thickness 0.2 mm) in which a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 12.0 mm is formed on the surface of the
次に、配向制御膜112上に、上記と同じマスクを用いて、圧電体積層膜110をRFマグネトロンスパッタ法で正確に形成する。具体的には、圧電体積層膜110を、以下のようにして作製する。まず、PZT酸化物の焼結体をターゲットとして用い且つ第1成膜条件とは異なる第2成膜条件下におけるRFマグネトロンスパッタ法で、配向制御膜112上に第1圧電体薄膜103を形成する。それから、第1圧電体薄膜103の形成時と同じターゲットを用い且つ第1圧電体薄膜103の形成時の第2成膜条件とは異なる成膜条件下におけるRFマグネトロンスパッタ法で、第1圧電体薄膜103上に第2圧電体薄膜104を連続して形成する。
Next, the piezoelectric
次に、圧電体積層膜110の表面上に、上記と同じマスクを用いて、第2電極膜105をRFマグネトロンスパッタ法で形成する。その結果、図6(b)に示すように、基板101とその基板101上に形成され且つ圧電体積層膜110を含む積層体111とからなる構造体121を得ることができる。
Next, the
次に、図6(c)に示すように、基板1が幅3.0mm、長さ15.0mmの短冊形状となり且つ第1電極膜2の、その一端(図6(c)では左端)から長さ3.0mmまでの部分が露出するように、構造体121をダイシングソーで切断する。その結果、基板1、第1電極膜2、配向制御膜12、第1圧電体薄膜3、第2圧電体薄膜4及び第2電極膜5がその順に積層されてなる圧電素子構造体部品22を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図6(d)に示すように、基板1における第1電極膜2の露出部(図6(d)では左端部)側の部分を、ステンレス支持基板6にエポキシ系接着剤7を用いて接合する。
Next, as shown in FIG. 6 (d), the exposed portion (left end portion in FIG. 6 (d)) side of the
次に、図6(e)に示すように、第1電極膜2の露出部にリード線8を導電性接着剤(銀ペースト)を用いて接続するとともに、第2電極膜5における第1電極膜2の露出部側の部分にリード線9をワイヤボンディングで接続することにより、図5に示す圧電素子21を得ることができる。図7は、この圧電素子21の膜構造を示す模式図である。
Next, as shown in FIG. 6E, the
以下、具体的に実施した実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
(実施例6)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ100nmのPt薄膜を用い、これらを実施例1と全く同じように成膜した。
(Example 6)
In this example, a silicon substrate was used as the
配向制御膜112を、ランタンを10モル%含有するPLTに酸化鉛(PbO)を15モル%過剰に加えて調合した焼結ターゲットを用いて、基板温度600℃、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar/O2=19/1)、真空度0.8Pa、高周波電力300Wの成膜条件下で12分間成膜した。
Using a sintering target prepared by adding 15 mol% of lead oxide (PbO) to PLT containing 10 mol% of lanthanum for the
圧電体積層膜110を、実施例1のRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を50秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を2500秒間成膜した。
The piezoelectric
第1電極膜102、配向制御膜112及び圧電体積層膜110の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例1と同じ方法で調べた。
The composition, thickness, cross-sectional structure, and crystal orientation of the
第1電極膜102としてのPt電極は、平均粒子径(平均直径)が20nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。
The Pt electrode as the
配向制御膜112は、ランタンを10モル%含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも10%過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。
The
第1圧電体薄膜103は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が40nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が2800nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が100nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は29であった。
The first piezoelectric thin film 103 had a thickness of 100 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 40 nm. The second piezoelectric
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は78%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は95%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.05:0.53:0.47であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
Further, as a result of the composition analysis of the cation by the X-ray microanalyzer, the composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47, and the second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.05: 0.53: 0.47. That is, the first and second piezoelectric
また、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量の測定を、実施例1と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子21の先端は最大28.3μm変位したことがわかった。
Further, the amount of displacement in the Z-axis direction at the tip of the
また、この三角波電圧により圧電素子21を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子21の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子21の外観を調べた。その結果、圧電素子21を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大28.3μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例7)
本実施例では、基板101としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ120nmのIr-Ti合金薄膜を用い、これらを実施例2と全く同じようにして成膜した。
(Example 7)
In this example, a silicon substrate was used as the
配向制御膜112を、実施例6と同じターゲット・成膜条件下で成膜した。
The
圧電体積層膜110を、実施例1のRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.50:0.50)をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を50秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を3000秒間成膜した。
The piezoelectric
第1電極膜102、配向制御膜112及び圧電体積層膜110の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例1と同じ方法で調べた。
The composition, thickness, cross-sectional structure, and crystal orientation of the
第1電極膜102としてのIr-Ti合金電極は、3%のチタンを含むIr膜であって、平均粒子径(平均直径)が30nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。
The Ir—Ti alloy electrode as the
配向制御膜112は、ランタンを10モル%含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも10%過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。
The
第1圧電体薄膜103は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が40nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が3800nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が170nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は22.9であった。
The first piezoelectric thin film 103 had a thickness of 100 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 40 nm. The second piezoelectric
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は80%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は98%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.05:0.50:0.50であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜103,104は、(001)軸が基板101の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少ないことがわかった。
The composition of the first piezoelectric thin film 103 was found to be Pb: Zr: Ti = 1.05: 0.50: 0.50 as a result of the composition analysis of the cations by the X-ray microanalyzer. The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.50: 0.50. That is, the first and second piezoelectric
また、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量の測定を、実施例1と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子21の先端は最大26.5μm変位したことがわかった。
Further, the amount of displacement in the Z-axis direction at the tip of the
また、この三角波電圧により圧電素子21を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子21の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子21の外観を調べた。その結果、圧電素子21を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大26.5μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(実施例8)
本実施例では、基板1としてシリコン基板を用い、第1電極膜102として厚さ110nmのRu薄膜を用い、これらを実施例2と全く同じようにして成膜した。
(Example 8)
In this example, a silicon substrate was used as the
配向制御膜112を、実施例6と同じターゲット・成膜条件下で成膜した。
The
圧電体積層膜110を、実施例1のRFマグネトロンスパッタ装置を用いて作製した。化学量論組成のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の6インチ径の焼結体(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)をターゲットとして用いた。成膜条件を、以下に示すとおりにした。すなわち、上記ターゲットを取り付けた成膜室の中で、一方側の面に第1電極膜102が形成されたシリコン基板101を580℃になるまで加熱してその温度で保った。アルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar/O2=79/1)をスパッタリングガスとして用い、そのガス圧力を0.2Paにし、そのガス流量を毎分40mlにした。そして、プラズマ発生電力を3kWにし、第1圧電体薄膜103を30秒間成膜した。その後、成膜を一旦停止し、上記成膜条件のうちスパッタリングガスのガス体積比のみをAr/O2=38/2に変更し、その他の成膜条件は変えずに、第2圧電体薄膜104を3500秒間成膜した。
The piezoelectric
第1電極膜102、配向制御膜112及び圧電体積層膜110の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例1と同じ方法で調べた。
The composition, thickness, cross-sectional structure, and crystal orientation of the
第1電極膜102としてのRu電極は、平均粒子径(平均直径)が20nmの柱状粒子(柱状結晶)の集合体であることがわかった。
The Ru electrode as the
配向制御膜112は、ランタンを10モル%含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも10%過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。
The
第1圧電体薄膜103は、膜厚が50nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が50nmであった。第2圧電体薄膜104は、膜厚が3500nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が150nmであった。第2圧電体薄膜104の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜110の厚みの比は28であった。
The first piezoelectric thin film 103 had a thickness of 50 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 50 nm. The second piezoelectric
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜103,104はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜103の形成面の(001)結晶配向率は75%であり、第2圧電体膜104の形成面の(001)結晶配向率は93%であった。
Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜103の組成は、Pb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜104の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47であった。Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜103,104で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜103の方が第2圧電体薄膜104よりも少なかった。
Further, as a result of the composition analysis of the cation by the X-ray microanalyzer, the composition of the first piezoelectric thin film 103 is Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47, and the second piezoelectric thin film The composition of 104 was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.53: 0.47. The composition of Zr and Ti was the same in the first and second piezoelectric
また、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量の測定を、実施例1と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第1及び第2電極膜2,5間にリード線8,9を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子21の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子21の先端は最大29.7μm変位したことがわかった。
Further, the amount of displacement in the Z-axis direction at the tip of the
また、この三角波電圧により圧電素子21を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子21の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子21の外観を調べた。その結果、圧電素子21を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後でも、変位量は最大29.7μmであって、変位量の減少は見られず、また、第1電極膜2の変色も見られなかった。
Further, after driving the
(比較例3)
上記各実施例の圧電素子と比較するために、以下のような比較例3の圧電素子を作製した。すなわち、本比較例のものは、実施例6と異なり、圧電体積層膜のPb組成を第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多くした。なお、この圧電体積層膜の成膜方法は実施例6と同様であり、成膜条件は実施例6と異なる。その他の点に関しては、実施例6と全く同じである。
(Comparative Example 3)
In order to compare with the piezoelectric elements of the above examples, a piezoelectric element of Comparative Example 3 as described below was produced. That is, in the comparative example, unlike Example 6, the Pb composition of the piezoelectric laminated film was larger in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film. The method for forming the piezoelectric laminated film is the same as in Example 6, and the film forming conditions are different from those in Example 6. The other points are exactly the same as in the sixth embodiment.
第1電極膜、配向制御膜及び圧電体積層膜の組成、膜厚、断面構造及び結晶配向性について、実施例1と同じ方法で調べた。 The composition, thickness, cross-sectional structure, and crystal orientation of the first electrode film, the orientation control film, and the piezoelectric laminate film were examined by the same method as in Example 1.
配向制御膜は、ランタンを10モル%含み、且つ、鉛を化学量論組成よりも10%過剰に含むペロブスカイト型結晶構造であった。 The orientation control film had a perovskite-type crystal structure containing 10 mol% lanthanum and containing 10% of lead in excess of the stoichiometric composition.
第1圧電体薄膜は、膜厚が100nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が70nmであった。第2圧電体薄膜は、膜厚が2800nmであって、柱状粒子の平均粒子径(平均直径)が180nmであった。第2圧電体薄膜の柱状粒子の平均粒子径(平均直径)に対する圧電体積層膜の厚みの比は16.1であった。 The first piezoelectric thin film had a thickness of 100 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 70 nm. The second piezoelectric thin film had a thickness of 2800 nm, and the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles was 180 nm. The ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average particle diameter (average diameter) of the columnar particles of the second piezoelectric thin film was 16.1.
また、X線回折法によって解析した結果、第1及び第2圧電体膜はペロブスカイト型結晶構造であることがわかった。第1圧電体膜の形成面(001)結晶配向率は80%であり、第2圧電体膜の形成面の(001)結晶配向率は98%であった。 Further, as a result of analysis by the X-ray diffraction method, it was found that the first and second piezoelectric films had a perovskite crystal structure. The formation surface (001) crystal orientation of the first piezoelectric film was 80%, and the (001) crystal orientation of the second piezoelectric film formation surface was 98%.
また、X線マイクロアナライザーによる陽イオンの組成分析の結果、第1圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47であり、第2圧電体薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47であった。つまり、第1及び第2圧電体薄膜は、(001)軸が基板の上面に対して垂直な方向に優先配向して成長した、ペロブスカイト型結晶構造のPZT膜であり、Zr及びTiの組成は、第1及び第2圧電体薄膜で同じであり、Pbの組成は、第1圧電体薄膜の方が第2圧電体薄膜よりも多いことがわかった。 Further, as a result of the composition analysis of the cation by the X-ray microanalyzer, the composition of the first piezoelectric thin film is Pb: Zr: Ti = 1.15: 0.53: 0.47, The composition was Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.53: 0.47. In other words, the first and second piezoelectric thin films are PZT films having a perovskite crystal structure with a (001) axis preferentially grown in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate, and the compositions of Zr and Ti are It was found that the first and second piezoelectric thin films were the same, and the composition of Pb was greater in the first piezoelectric thin film than in the second piezoelectric thin film.
また、圧電素子の圧電変位の駆動耐久試験は、実施例1と同じ評価装置を用いて行った。すなわち、第1及び第2電極膜間にリード線を介して0V〜−50Vの三角波電圧を印加して、圧電素子の先端のZ軸方向の変位量をレーザードップラー振動変位測定装置を用いて測定した。その測定結果、圧電素子の先端は最大26.0μm変位したことがわかった。 In addition, the driving endurance test of the piezoelectric displacement of the piezoelectric element was performed using the same evaluation apparatus as in Example 1. That is, a triangular wave voltage of 0 V to −50 V is applied between the first and second electrode films via a lead wire, and the displacement amount in the Z-axis direction of the tip of the piezoelectric element is measured using a laser Doppler vibration displacement measuring device. did. As a result of the measurement, it was found that the tip of the piezoelectric element was displaced by a maximum of 26.0 μm.
また、この三角波電圧により圧電素子を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で120時間連続駆動した後に、圧電素子の駆動状況を調べるとともに光学顕微鏡により圧電素子の外観を調べた。その結果、圧電素子を高温高湿の雰囲気下で120時間連続駆動した後において、変位量が減少しており(0μm)、第1電極膜が黒色に変色していた。すなわち、圧電素子は劣化していた。 Moreover, after driving the piezoelectric element continuously for 120 hours in an atmosphere of high temperature and high humidity (temperature 50 ° C., humidity 50%) with this triangular wave voltage, the driving state of the piezoelectric element was examined and the appearance of the piezoelectric element was examined with an optical microscope. . As a result, after the piezoelectric element was continuously driven in a high-temperature and high-humidity atmosphere for 120 hours, the amount of displacement decreased (0 μm), and the first electrode film turned black. That is, the piezoelectric element was deteriorated.
−効果−
以上により、本実施形態によれば、第1圧電体薄膜3のPb組成が第2圧電体薄膜4のPb組成よりも少ないので、圧電素子21を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で駆動させても、配向制御膜12と第1圧電体薄膜3との界面で第1圧電体薄膜3の過剰Pbが第1電極膜2及び配向制御膜12を透過して浸入した水分と反応することを原因とする、圧電素子21の劣化が起こらなくなる。そのため、低コストで、圧電特性が高く、且つ、耐湿性が高い圧電素子21を実現できる。
-Effect-
As described above, according to the present embodiment, since the Pb composition of the first piezoelectric
また、第1電極膜2と第1圧電体薄膜3との間に配向制御膜12を配設することにより、第1圧電体薄膜3の結晶配向性が向上し、さらに、第2圧電体薄膜4の結晶配向性が向上する。そのため、圧電特性がより高い圧電素子21を実現できる。
Further, by providing the
(実施形態3)
本実施形態は、本発明の圧電素子をインクジェットヘッドに適用したものである。図8に示すように、本実施形態に係るインクジェットヘッド201は、互いが列状に並んだ、同じ形状である10個のインク吐出素子202,…と、各インク吐出素子202の個別電極33(図9を参照)に接続され且つインク吐出素子202を駆動するための駆動電源素子203とにより構成されている。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the piezoelectric element of the present invention is applied to an inkjet head. As shown in FIG. 8, the
図9に示すように、インク吐出素子202は、ノズル板Dとインク液流路部品Cと圧力室部品Aとアクチュエーター部Bとが順に積層されてなる。これら部品A〜Dは互いに接着剤によって接着固定されている。
As shown in FIG. 9, the
圧力室部品Aには圧力室用開口部31が形成されている。アクチュエーター部Bは圧力室用開口部31の上端開口面を覆うように配置されている。すなわち、アクチュエーター部Bは厚み方向一方側の面の一部が圧力室用開口部31に臨むように設けられている。インク液流路部品Cは圧力室用開口部31の下端開口面を覆うように配置されている。つまり、圧力室用開口部31はその上下にそれぞれ配置されたアクチュエーター部B及びインク液流路部品Cにより区画され、その区画された空間がインク液を収容する圧力室32(厚さ0.2mm)を構成している。なお、上記上端開口面の形状は、短軸が200μm、長軸が400μmの楕円形状である。
A pressure chamber opening 31 is formed in the pressure chamber component A. The actuator portion B is disposed so as to cover the upper end opening surface of the
インク液流路部品Cには、互いが列状に並んだ複数の圧力室32,…で共用される共通液室35と、その共通液室35と圧力室32とを連通する供給口36と、圧力室32と後述するノズル孔38とを連通するインク流路37とが形成されている。ノズル板Dには、直径30μmのノズル孔38が穿設されている。
The ink liquid flow path component C includes a
上記駆動電源素子203は、各インク吐出素子202の個別電極33にボンディングワイヤを介して電圧を供給する。なお、本発明のヘッド本体部はノズル板D、インク液流路部品C及び圧力室部品Aに対応する。
The drive
以下、具体的に実施した実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
(実施例9)
図10は、図9のX−X線の断面図である。アクチュエーター部Bは、Pt膜からなる厚さ100nmの個別電極33と、その個別電極33の直下に位置し且つPb1.00Zr0.53Ti0.47で表記されるPZTからなる厚さ100nmの第1圧電体薄膜41と、その第1圧電体薄膜41の直下に位置し且つPb1.05Zr0.53Ti0.47で表記されるPZTからなる厚さ2800nmの第2圧電体薄膜42と、その第2圧電体薄膜42の直下に位置し且つPtからなる厚さ100nmの第2電極膜(共通電極)43と、その第2電極膜43の直下に位置し且つクロムからなる厚さ3500nmの振動板膜44とを有する。個別電極33は、圧力室32の位置に対応するように個別化されて設けられている。振動板膜44は、圧電体薄膜41,42の圧電効果により変位して振動する。第2電極膜43及び振動板膜44は各圧力室32間で共用されている。第2電極膜43上における積層膜以外の部分(積層膜については後述する)には、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜45が個別電極33の上面と同じ高さまで形成されている。この電気絶縁有機膜45の上面上には、個別電極33に接続された、金からなる厚さ100nmのリード線46が形成されている。なお、本発明の振動板膜及び圧電素子はアクチュエーター部Bに対応する。
Example 9
10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. The actuator part B has a 100 nm thick
−インク吐出素子の製造方法−
以下、図11及び図12を参照しながら、インク吐出素子202の製造方法について説明する。まず、実施例1と同様に、縦20mm、横20mm、厚さ0.3mmのシリコン基板51上に第1電極膜52、第1圧電体薄膜53、第2圧電体薄膜54及び第2電極膜43を順に積層する。それにより、図11(a)に示す構造体55を得ることができる。
-Manufacturing method of ink ejection element-
Hereinafter, a method for manufacturing the
次に、図11(b)に示すように、室温下において、第2電極膜43上に振動板膜44をRFマグネトロンスパッタ法で形成する。
Next, as shown in FIG. 11B, a
次に、図11(c)に示すように、振動板膜44上にガラス製の圧力室部品57を接着剤(アクリル樹脂)56を用いて貼り合わせる。
Next, as shown in FIG. 11C, a glass
次に、図11(d)に示すように、プラズマ反応エッチング装置を使用して、シリコン基板51をSF6ガスを用いたドライエッチング法で除去する。
Next, as shown in FIG. 11D, the
次に、図11(e)に示すように、第1電極膜52上にフォトレジスト58を形成して、それから、そのフォトレジスト58を圧力室32の位置に対応するようにパターニングする。
Next, as shown in FIG. 11E, a
次に、図12(a)に示すように、第1電極膜52及び第1圧電体薄膜53を、圧力室32の位置に対応し且つ互いが同一形状になるようにドライエッチング法でパターニングして、それから、フォトレジスト58を除去する。尚、この第1電極膜52及び第1圧電体薄膜をパターニングする工程では、ハロゲン元素を含むガス又はハロゲン元素を含むガスと不活性ガスとからなる混合ガスを用いたドライエッチング法でパターニングすることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 12A, the
次に、上記と同じフォトレジストを用いて、第2圧電体薄膜54を個別電極33よりも大きいサイズになるようにウェットエッチング法でパターニングする。それにより、図12(b)に示すように、第1電極膜52、第1圧電体薄膜53及び第2圧電体薄膜54からなる積層膜は個別化され、アクチュエーター構造体を得ることができる。尚、この第2圧電体薄膜54をパターニングする工程では、フッ硝酸を主成分とするエッチャントを用いたウェットエッチング法でパターニングすることが望ましい。
Next, using the same photoresist as described above, the second piezoelectric
次に、図12(c)に示すように、第2電極膜43上の上記積層膜以外の部分に、電気絶縁有機膜45を印刷法で形成する。その後、図12(d)に示すように、電気絶縁有機膜45の上面上にリード線46をDCスパッタ法で形成する。以上により、図9に示すアクチュエーター部Bを得ることができる。
Next, as shown in FIG. 12C, an electrically insulating
以上のような製造方法により、互いが同じ形状・大きさの30個のインク吐出素子202,…を作製した。そして、各インク吐出素子202,・・・の個別電極33と第2電極膜43との間に0V〜−50Vのサイン波形電圧(200Hz)を印加して、各インク吐出素子202を高温高湿(温度50℃、湿度50%)の雰囲気下で駆動させた。その結果、全てのインク吐出素子202,…は故障することなく、長時間駆動した。
30
以上に示す製造方法により作製されたインク吐出素子202を10個用いて、図8に示すインクジェットヘッド201を作製した。
The
−インクジェットヘッドの動作−
以下、インクジェットヘッド201の動作について説明する。図8に示すインクジェットヘッド201では、10個のインク吐出素子202,…の個別電極33に駆動電源素子203からボンディングワイヤを介して電圧がそれぞれ供給される。そして、圧電体薄膜41,42の圧電効果により、振動板膜44が変位して振動し、それにより、共通液室35内のインク液が供給口36、圧力室32及びインク流路37を経由してノズル孔38から吐出される。このとき、このインクジェットヘッド201では、圧電体薄膜41,42の膜面の結晶配向性が(001)面に揃い、また、圧電体薄膜41,42の圧電特性も揃っている。そのため、このインクジェットヘッド201によれば、大きな圧電変位(変位量)を得ることができる。
-Operation of inkjet head-
Hereinafter, the operation of the
また、インク吐出素子202は、圧電変位が大きい、すなわち、インク液の吐出能力が高いので、電源電圧の調整幅に大きなマージンを取ることができる。そのため、各インク吐出素子202のインク液の吐出能力を容易にコントロールできる。したがって、各インク吐出素子202間のインク液の吐出能力のばらつきを小さくできる。
Further, since the
(実施例10)
図13に示すように、本実施例に係るインクジェットヘッドは、個別電極33と第1圧電体薄膜41との間に配向制御膜59が配設されている点が実施例9と異なり、その他の点に関しては、実施例9とほぼ同様である。この配向制御膜59は、実施例6と同じチタン酸ランタン鉛からなるものである。
(Example 10)
As shown in FIG. 13, the inkjet head according to the present embodiment is different from the ninth embodiment in that an
インク吐出素子202の製造方法は、第1電極膜52と第1圧電体薄膜53との間に配向制御膜59を形成する点、及び配向制御膜59を、第1電極膜52及び第1圧電体薄膜53とともに圧力室32の位置に対応するようにドライエッチング法でパターニングする点が実施例9と異なり、その他の点に関しては、実施例9とほぼ同様である。この配向制御膜59は、実施例6の配向制御膜と同じ方法で作製される。
In the method of manufacturing the
以上に示す製造方法により作製されたインク吐出素子202を用いて、インクジェットヘッド201を作製した。
An
−効果−
以上により、本実施形態によれば、インク吐出素子202を複数並べてなるインクジェットヘッド201において、各インク吐出素子202間のインク液の吐出能力のばらつきを小さくできる。そのため、信頼性が高いインクジェットヘッド201を実現できる。
-Effect-
As described above, according to the present embodiment, in the
なお、アクチュエーター部Bを構成する第1電極膜52、配向制御膜59、第1圧電体薄膜53、第2圧電体薄膜54及び第2電極膜43は、実施形態1及び2に係る圧電素子20,21に用いられた材料で構成されている限り、どの材料を用いても高特性のアクチュエーター部Bを実現できる。
The
また、本実施形態では、振動板膜44はクロムからなるが、シリコン、ガラス、セラミック材料又はクロム以外の金属材料から構成されても良い。
In this embodiment, the
また、本実施形態では、第2電極膜43における第2圧電体薄膜42と反対側の面の上に振動板膜44が形成されているが、個別電極33における第1圧電体薄膜41(配向制御膜59)と反対側の面の上に振動板44を形成されても良い。
In the present embodiment, the
(実施形態4)
本実施形態は、本発明の圧電素子をインクジェット式記録装置に適用したものである。図14に示すように、本実施形態に係るインクジェット式記録装置81は、圧電体薄膜41,42の圧電効果を利用して記録を行う、実施形態3に係るインクジェットヘッド201を備えており、インクジェットヘッド201から吐出したインク滴を紙などの記録媒体82に着弾させることにより記録媒体82に記録を行うことができる。インクジェットヘッド201は、主走査方向(図14ではX方向)に延びるように配置されたキャリッジ軸83に取り付けられたキャリッジ84に搭載されている。そして、キャリッジ84がキャリッジ軸83に沿って往復移動することにより、インクジェットヘッド201は主走査方向Xに往復移動する。インクジェット式記録装置81は、記録媒体82を主走査方向Xと略垂直な副走査方向Yに移動させる複数個のローラ85,…をさらに備えている。なお、本発明に係る移動手段は、キャリッジ軸83、キャリッジ84及びローラ85に対応する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, the piezoelectric element of the present invention is applied to an ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 14, the ink
−効果−
以上のように、本実施形態によれば、各インク吐出素子202間のインク液の吐出能力のばらつきが小さいインクジェットヘッド201を用いてインクジェット式記録装置81を構成しているので、記録時に印字むらが少ない、信頼性が高いインクジェット式記録装置81を実現できる。
-Effect-
As described above, according to the present embodiment, since the ink
なお、本実施形態では、インクジェットヘッド201をいわゆるシリアル方式のインクジェット式記録装置81に適用しているが、いわゆるライン方式のインクジェット式記録装置に適用しても良い。
In this embodiment, the
以上説明したように、本発明は、インクジェットヘッドのみならず、ジャイロ素子などについても有用である。また、本発明はマイクロマシンデバイス等に対しても適用できる。 As described above, the present invention is useful not only for an ink jet head but also for a gyro element and the like. The present invention can also be applied to a micromachine device or the like.
1,101 基板
2,52,102 第1電極膜
3,41,53,103 第1圧電体薄膜
4,42,54,104 第2圧電体薄膜
5,43,105 第2電極膜
20,21 圧電素子
44 振動板膜
81 インクジェット式記録装置
83 キャリッジ軸(移動手段)
84 キャリッジ(移動手段)
85 ローラ(移動手段)
201 インクジェットヘッド
12,59,112 配向制御膜
1,101
84 Carriage (moving means)
85 Roller (moving means)
201
Claims (10)
上記第1及び第2圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、
上記第1圧電体膜のPb含有量が上記第2圧電体膜のPb含有量よりも少なく、
上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第1圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、
上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が20以上60以下であることを特徴とする圧電素子。 A first piezoelectric film; a first piezoelectric film formed on the first electrode film; and a second piezoelectric film formed on the first piezoelectric film and controlled in crystal orientation by the first piezoelectric film. A piezoelectric element comprising a piezoelectric laminate film comprising a body film and a second electrode film formed on the second piezoelectric film,
The first and second piezoelectric films are aggregates of columnar particles whose crystal growth direction is directed from one side to the other side in the thickness direction of the piezoelectric multilayer film,
The Pb content of the first piezoelectric film is less than the Pb content of the second piezoelectric film;
The average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is larger than the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the first piezoelectric film,
A piezoelectric element, wherein a ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is 20 or more and 60 or less.
上記第1及び第2圧電体膜は、結晶成長方向が上記圧電体積層膜の厚み方向一方側から他方側に向いている柱状粒子の集合体であり、
上記第1圧電体膜のPb含有量が上記第2圧電体膜のPb含有量よりも少なく、
上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径が上記第1圧電体膜の柱状粒子の平均断面径よりも大きく、
上記第2圧電体膜の柱状粒子の平均断面径に対する上記圧電体積層膜の厚みの比が20以上60以下であることを特徴とする圧電素子。 A first electrode film; an alignment control film formed on the first electrode film; a first piezoelectric film formed on the alignment control film; and the first piezoelectric film formed on the first piezoelectric film. A piezoelectric element comprising: a piezoelectric laminated film comprising a second piezoelectric film whose crystal orientation is controlled by a piezoelectric film; and a second electrode film formed on the second piezoelectric film,
The first and second piezoelectric films are aggregates of columnar particles whose crystal growth direction is directed from one side to the other side in the thickness direction of the piezoelectric multilayer film,
The Pb content of the first piezoelectric film is less than the Pb content of the second piezoelectric film;
The average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is larger than the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the first piezoelectric film,
A piezoelectric element, wherein a ratio of the thickness of the piezoelectric laminated film to the average cross-sectional diameter of the columnar particles of the second piezoelectric film is 20 or more and 60 or less.
上記第1及び第2圧電体膜の上記bの値が0.50以上0.60以下の同じ値であり、
上記第1圧電体膜の上記aの値が−0.05以上0.05以下であり、
上記第2圧電体膜の上記aの値が0以上0.1以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電素子。 The first and second piezoelectric films contain at least Pb, Zr and Ti, and the chemical composition ratio is represented by Pb: Zr: Ti = (1 + a): b: 1-b,
The value of b of the first and second piezoelectric films is the same value between 0.50 and 0.60,
The value of a in the first piezoelectric film is −0.05 or more and 0.05 or less,
3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the value a of the second piezoelectric film is 0 or more and 0.1 or less.
厚み方向一方側の面の一部が上記圧力室に臨むように設けられた振動板膜と、
上記振動板膜の厚み方向他方側の面上に形成され、上記圧力室内のインクに圧力を付与して上記ノズルからインクを吐出させる圧電素子とを備えたインクジェットヘッドであって、
上記圧電素子は、請求項1〜8のいずれか1つに記載の圧電素子からなることを特徴とするインクジェットヘッド。 A head main body formed with a nozzle and a pressure chamber communicating with the nozzle and containing ink;
A diaphragm film provided so that a part of the surface on one side in the thickness direction faces the pressure chamber;
An inkjet head including a piezoelectric element that is formed on a surface on the other side in the thickness direction of the diaphragm film and that applies pressure to the ink in the pressure chamber to discharge the ink from the nozzle;
An inkjet head comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8.
上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる移動手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、
上記インクジェットヘッドは、請求項9記載のインクジェットヘッドからなることを特徴とするインクジェット式記録装置。 An inkjet head;
An ink jet recording apparatus comprising a moving means for relatively moving the ink jet head and the recording medium,
An ink jet recording apparatus comprising the ink jet head according to claim 9 .
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