JP4513252B2 - Piezoelectric thin film element and actuator, ink jet head, and ink jet recording apparatus using the same - Google Patents

Piezoelectric thin film element and actuator, ink jet head, and ink jet recording apparatus using the same Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜素子に関し、具体的には、圧電性誘電体の圧電効果を利用したアクチュエータ、それを用いたインクジェットヘッド、ならびにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、赤外線センサ、光変調素子、メモリ素子などさまざまなものがある。マイクロマシン加工技術の発達、各種機器の小型・軽量化の要望に伴い、これらの誘電体材料を用いた各種薄膜デバイスは、薄膜化技術・微細加工技術により実用化されつつある。
【0003】
図12は従来の圧電体薄膜素子(I.Kanno et.al: Appl.Phys. Let. 70(1997)p1378−1380)の構成の一例を示す断面図である。すなわち、図12の圧電体薄膜素子90は、MgO単結晶基板91上に第1の電極としてPt下部電極膜92、PZT圧電体薄膜93、第2の電極としてPt上部電極膜94を順次形成した構成である。(例えば非特許文献1参照)例えば、電極膜、圧電体膜や基板を加工することなどにより、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどへ応用される。
【0004】
通常、材料を薄膜化することにより薄膜固有の特性を有するようになる。この要因としては、形成プロセスのバルクとの違いや、薄膜を支持する基板の影響によるところが大きい。例えば、圧電体薄膜の結晶面や格子定数などの結晶パラメータは基板に大きく影響される。強誘電体であるPbTiO3は(100)面MgO単結晶基板上では(001)面、c面サファイア基板上では(111)面が配向することが報告されている。これは基板の結晶面の影響を大きく受けるためである。単結晶基板の場合は、さらに基板と圧電体膜とで大きく格子定数が異なれば、配向する結晶面にも影響を与える。また、酸化物単結晶、金属、ガラス等の基板の種類に関係なく、基板の熱膨張係数の違いにより、作製される圧電体膜の内部応力が変化し、これにより圧電体膜の格子定数などの結晶パラメータが変化する。
【0005】
このような圧電体薄膜の結晶パラメータの変化により、その電気特性(比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など)、光学特性(屈折率、電気光学係数など)などの膜特性が大きく変化する。
【0006】
【非特許文献1】
I.Kanno et.al: Appl. Phys. Let. 70(1997)p1378−1380
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧電体薄膜素子90は、薄膜形成において400℃〜700℃程度の結晶化処理が必要である。そのため、室温に冷却する過程で、圧電体薄膜93とこれを支持する基板91との熱膨張係数差により、圧電体薄膜93には引っ張りまたは圧縮の内部応力が発生する。
【0008】
圧電体薄膜93が引っ張りの内部応力を有していると、つまり、膜の粒界等に引っ張りの力を受けていると、常に引き剥がされようとするストレスを受けることになる。すると、機械的強度が低下して電圧印加時の撓みに対して弱くなり、圧電体薄膜93にクラックが発生したり、膜破壊を誘発したりする。
【0009】
すなわち、膜形成時の部分的な欠陥や異物の存在による膜破壊では、スポット状の破壊が主であるが、膜の内部応力に起因した破壊の場合では、クラック等の破壊が生じる。スポット状の破壊の場合には部分的な破壊ですみ、膜全体としては機能することが多いが、クラック等の破壊では膜全体の破壊に進行して深刻なダメージを受けやすい。
【0010】
そこで、本発明は、圧電体薄膜のクラックや膜破壊を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜と基板とは相互に熱膨張係数が異なり、基板により圧電体薄膜が圧縮膜とされているものである。
【0012】
また、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上にスパッタリングにより形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜が圧縮膜であるものである。
【0013】
さらに、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるものである。
【0014】
さらに、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接着剤により接着され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαp、接着剤の熱膨張係数をαbとすると、αp<αbの関係を満たすものである。
【0015】
そして、本発明のアクチュエータは、圧力室を区画形成する区画壁と接合され、電圧印加による変位を圧力室に作用させる圧電体薄膜を有するアクチュエータであって、圧電体薄膜の熱膨張係数をαp、区画壁の熱膨張係数をαaとすると、αa>αpの関係を満たすものである。
【0016】
これによれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜となって機械的強度を保持できるので、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止することが可能になる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をds、圧電体薄膜の面格子間隔をdpとしたとき、ds<dpの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【0018】
本発明の請求項2に記載の発明は、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上形成された第1の電極と、第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、基板の面格子間隔をds、圧電体薄膜の面格子間隔をdpとしたとき、ds<dpの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【0019】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、圧電体薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【0029】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項記載の発明において、中間層と第1の電極との面格子間隔の方が圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さい圧電体薄膜素子であり、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという作用を有する。
【0035】
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
【0039】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
【0040】
本発明の請求項に記載の発明は、請求項記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【0041】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図11を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【0042】
(実施の形態1)
図1は本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図2は図1のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図3は図2の要部を示す斜視図、図4は図2のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図5は本発明の実施の形態1における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図、図6は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図、図7は圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ、図8は本発明の実施の形態1における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図である。
【0043】
図1に示すインクジェット式記録装置40は、圧電体薄膜素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド41を備え、このインクジェットヘッド41から吐出したインク滴を紙等の記録媒体42に着弾させて、記録媒体42に記録を行うものである。インクジェットヘッド41は、主走査方向Xに配置したキャリッジ軸43に設けられたキャリッジ44に搭載されていて、キャリッジ44がキャリッジ軸43に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Xに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置40は、記録媒体42をインクジェットヘッド41の幅方向(すなわち、主走査方向X)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数個のローラ(移動手段)45を備える。
【0044】
図2は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド41の全体構成を示し、図3はその要部の構成を示す。
【0045】
図2および図3において、Aは圧力室部品であって、圧力室用開口部1が形成される。Bは圧力室用開口部1の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Cは圧力室用開口部1の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Aの圧力室用開口部1は、その上下に位置するアクチュエータ部Bおよびインク液流路部品Cにより区画されて圧力室2となる。アクチュエータ部Bには、圧力室2の上方に位置する個別電極である第1の電極3が配置されている。これ等圧力室2および第1の電極3は、図2から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Cには、インク液供給方向に並ぶ圧力室2間で共用する共通液室5と、この共通液室5を圧力室2に連通する供給口6と、圧力室2内のインク液が流出するインク流路7とが形成される。Dはノズル板であって、インク流路7に連通するノズル孔8が形成されている。また、図2において、EはICチップであって、ボンディングワイヤー(BW)を介して多数の第1の電極3に対して電圧を供給する。
【0046】
次に、アクチュエータ部Bの構成を図4に基づいて説明する。
【0047】
同図において、アクチュエータ部Bは、図2に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ4個の圧力室2を持つ圧力室部品Aが参照的に描かれている。
【0048】
このアクチュエータ部Bは、各圧力室2の上方に位置する第1の電極3、この第1の電極3の直下に位置する圧電体薄膜10、この圧電体薄膜10の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極11とを有する。振動板兼共通電極11は、導電性物質で形成されていて、各圧力室2で共通する共通電極である第2の電極を兼用する。さらに、アクチュエータ部Bは、各圧力室2の相互を区画する区画壁2aの上方に位置する縦壁13を持つ。なお、同図中、14は圧力室部品Aとアクチュエータ部Bとを接着する接着剤である。各縦壁13は、接着剤14を用いた接着時に、一部の接着剤14が区画壁2aの外方にはみ出した場合にも、この接着剤14が振動板兼共通電極11に付着せず、振動板兼共通電極11が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室2の上面と振動板兼共通電極11の下面との距離を拡げる役割を持つ。
【0049】
そして、第1の電極3、圧電体薄膜10および振動板兼共通電極11で圧電体薄膜素子が構成されている。ここでは振動板と共通電極(第2の電極)とが兼用されているが、両者は別体になっていてもよい。なお、図5以下においては、振動板と第2の電極である共通電極と別体になったものが示されている。
【0050】
第1の電極3は例えばPt(白金)で、振動板兼共通電極11は例えばPt(白金)、Cr(クロム)、Cu(銅)、Mo(モリブデン)またはTa(タンタル)で、形成されている。
【0051】
なお、以上説明した構造は、以下の実施の形態においても共通のものになっている。したがって、各実施の形態での重複した説明は省略する。
【0052】
図5に示す圧電体薄膜素子16は、基板21と、この基板21の上に第1の電極3としてたとえばPt電極膜を配置し、その上に圧電体薄膜10を配置し、その上に第2の電極22としてたとえばCr電極膜を配置したものである。
【0053】
ここで、基板21の材料としては、たとえばアルミナ(熱膨張係数:68×10-7/K)、860結晶化ガラス(熱膨張係数:108×10-7/K)、863結晶化ガラス(熱膨張係数:142×10-7/K)、SUS304(熱膨張係数:173×10-7/K)、酸化マグネシウム(熱膨張係数:120×10-7/K)などを用いることができる。
【0054】
また、圧電体薄膜10は、Pb,Zr,Tiを含むペロブスカイト構造のPZT膜、たとえばPb(Zr0.53Ti0.47)O3の組成を有する圧電性のPZT膜(熱膨張係数:60×10-7/K)が用いられている。なお、PZT膜は熱膨張係数が小さく、応力制御しやすいという性質を、さらに配向(エピタキシャル成長)をさせるのが容易で組成を制御しやすいという性質を有している。
【0055】
そして、圧電体薄膜10の厚みは0.2〜10μm、基板21の厚みは0.15〜1.5mmとなっている。但し、膜厚はこの数値に限定されるものではない。
【0056】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【0057】
真空槽内に、前述した材料の基板21を設定し、真空排気した後、基板21を600℃まで加熱し、RFマグネトロンスパッタ法により、4インチのPtターゲットを用い、Arガスをスパッタガスとして、ガス圧1Pa、RF電力100Wにて第1の電極3となるPt電極膜を形成した。
【0058】
次に、Pt膜よりなる第1の電極3上に、RFマグネトロンスパッタ法により、6インチのPZT焼結体ターゲット(PbO20mol%添加)を用い、基板温度580℃、ArとO2の混合スパッタガス(ガス比Ar:O2=19:1)、ガス圧0.4Pa、RF電力500WにてPZT膜よりなる圧電体薄膜10を形成した。
【0059】
その後、第2の電極22としてCr電極膜をDCスパッタ法により4インチのCrターゲットを用い、スパッタリングガスのArガス0.7Paの雰囲気中で100Wの電力により基板加熱せずに形成した。
【0060】
ここで、前述のように、圧電体薄膜10と基板21とは相互に熱膨張係数が異なっており、圧電体薄膜10の熱膨張係数(αp)よりも基板21の熱膨張係数(αs)の方が大きくなっている(αp<αs)。これにより、基板21によって圧電体薄膜10が圧縮膜となっている。
【0061】
すなわち、図6に示すように、形成される圧電体薄膜10の熱膨張係数と、それを支持する基板21の熱膨張係数の大きさが異なる場合、成膜終了後、室温に戻した状態では、圧電体薄膜10に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。
つまり、図6(a)に示すように、αp<αs(圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも基板21の熱膨張係数の方が大きい場合)では、圧電体薄膜10が圧縮膜となる。また、図6(b)に示すように、αp>αs(圧電体薄膜10の熱膨張係数の方が基板21の熱膨張係数よりも大きい場合)では、圧電体薄膜10が引っ張り膜となる。
【0062】
したがって、図6(a)に示すように、圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも基板21の熱膨張係数の方が大きくなるように調整し(αp<αs)、圧電体薄膜10が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【0063】
圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を図7に示す。
【0064】
図7においては、インクジェットヘッドの200pin(素子)に対して、2つの電極間にDC35Vの電圧を印加し、圧電アクチュエータの不良品率を判定した。図示するように、1.0<αs/αp、つまりαp<αsでは、不良品率が激減しているのが分かる。
【0065】
なお、圧電体薄膜10に過度の圧縮応力が発生すると、動作の安定性等の問題が発生することが考えられる。また、比誘電率や圧電特性等の電気特性も変化を起こす場合があり、特性ばらつきの原因となる。これを考慮すると、1<αs/αp≦1.2の条件を満たすときが、適切な内部応力が得られる。
【0066】
また、圧電体薄膜10および基板21の材料は前述したものに限定されるものではなく、圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも基板21の熱膨張係数の方が大きければよい。
【0067】
ここで、図8に示すように、基板21上に中間層23を形成し、この中間層23の上に第1の電極3を形成してもよい。中間層23としては、MgO等の岩塩型結晶構造酸化物膜を適用することができる。
【0068】
図8のように構成された圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。真空槽内に例えば、基板21としてアルミナ基板を設定し、真空排気した後、基板21を400℃に加熱し、プラズマMOCVD法により(100)面に結晶配向した岩塩型結晶構造のMgO膜なる中間層23を厚み約700nm形成した。この膜形成には、CVD原料ガスとして215℃で気化させたマグネシウムアセチルアセトナートガス及びO2の混合ガスを用い、ガス圧30Pa、RF電力400Wの条件を用いた。
【0069】
次に、別の真空槽内に基板21を設置し、600℃まで加熱し、RFマグネトロンスパッタ法により、4インチのPtターゲットを用い、Arガスをスパッタガスとして、ガス圧1Pa、RF電力100Wにて第1の電極3なるPt電極膜を形成した。
【0070】
続いて、Pt膜よりなる第1の電極3上に、RFマグネトロンスパッタ法により、6インチのPZT焼結体ターゲット(PbO20mol%添加)を用い、基板温度580℃、ArとO2の混合スパッタガス(ガス比Ar:O2=19:1)、ガス圧0.4Pa、RF電力500WにてPZT膜よりなる圧電体薄膜10を形成した。
【0071】
その後、第2の電極22としてCr電極膜をDCスパッタ法により4インチのCrターゲットを用い、スパッタリングガスのArガス0.7Paの雰囲気中で100Wの電力により基板加熱せずに形成した。
【0072】
(実施の形態2)
本実施の形態の圧電体薄膜素子は、図5において、基板21と、基板21上に形成された第1の電極3と、第1の電極3上に形成された圧電体薄膜10と、圧電体薄膜10上に形成された第2の電極22を備え、圧電体薄膜10がスパッタリングにより圧縮膜に成膜されたものである。
【0073】
すなわち、本実施の形態では、成膜後に圧電体薄膜10が圧縮応力を有するように、スパッタリング時における圧電体薄膜10の堆積速度を0.8μm/h〜10μm/h、好ましくは2.0μm〜7μm/hと、高く(hi−rate成膜)する。
【0074】
堆積速度の調整は、たとえば基板温度600℃でペロブスカイト層を形成するスパッタガス圧、スパッタガス流量、酸素分圧比(アルゴンとの混合ガスの場合)、ターゲット基板間距離、投入電力(カソードのRFパワー)の各条件を変化させて行うことができる。
【0075】
上記の圧電体薄膜素子の形成方法について説明する。なお、圧電体薄膜素子の形成方法は以下の説明に限定されるものではない。
【0076】
真空槽内に、前述した材料の基板21を設定し、真空排気した後、基板21を600℃まで加熱し、RFマグネトロンスパッタ法により、4インチのPtターゲットを用い、Arガスをスパッタガスとして、ガス圧1Pa、RF電力100Wにて第1の電極3となるPt電極膜を形成した。
【0077】
次に、Pt膜よりなる第1の電極3上に、RFマグネトロンスパッタ法により、6インチのPZT焼結体ターゲット(PbO20mol%添加)を用い、基板温度580℃、ArとO2の混合スパッタガス(ガス比Ar:O2=19:1)、スパッタガス圧0.1Pa〜5.0Pa、好ましくは0.1Pa〜2.0Pa、投入電力であるRF電力0.25kW〜5.0kW、好ましくは5kW〜3.0kWにてPZT膜よりなる圧電体薄膜10を形成した。
【0078】
そして、前述のように、このときの圧電体薄膜10の成膜速度は、堆積速度を0.8μm/h〜10μm/h、好ましくは2.0μm〜7μm/hである。
【0079】
その後、第2の電極22としてCr電極膜をDCスパッタ法により4インチのCrターゲットを用い、スパッタリングガスのArガス0.7Paの雰囲気中で100Wの電力により基板加熱せずに形成した。
【0080】
なお、本実施の形態のようにスパッタリングにより圧電体薄膜10を圧縮膜とする場合には、基板21としては、実施の形態1に列挙したものの他に、たとえば石英(熱膨張係数:5.6×10-7/K)、シリコン(熱膨張係数:27×10-7/K)、7059ガラス(熱膨張係数:46×10-7/K)などを用いることができ、熱膨張係数に対する考慮は不要である。また、第1の電極3、圧電体薄膜10、第2の電極22には、実施の形態1に説明した材料を用いることができる。
【0081】
このように、本実施の形態によれば、スパッタリングで成膜される強圧電体薄膜10の成膜速度を高くして圧電体薄膜10が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【0082】
(実施の形態3)
図9は本発明の実施の形態3における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図である。
【0083】
なお、圧電体薄膜素子の構造は、前述した請求項1における図5あるいは図8に示すものと同一となっている。また、第1の電極3、圧電体薄膜10、第2の電極22には、実施の形態1および2に説明した材料を用いることができる。
【0084】
ここで、本実施の形態においては、圧電体薄膜10は、圧縮応力を有するエピタキシャル膜などの配向膜となっている。そして、基板21の面格子間隔をds、圧電体薄膜10の面格子間隔をdpとしたとき、ds<dpを満たす関係となっている。具体的には、本実施の形態における圧電体薄膜10がPZT膜の場合、a軸格子定数が4.04Åであることから、基板21の材料には、これより小さな格子定数を有するもの、たとえばSrTiO3(a軸格子定数:3.905)が用いられる。
【0085】
つまり、加熱下で基板21上に圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させる場合、圧電体薄膜10は基板21の面格子間隔を反映して、圧縮または引っ張りの力を受ける。
【0086】
すなわち、図9(a)に示すように、基板21の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜10の面格子間隔が大きい場合は(ds<dp)、膜の一格子単位で見た場合、基板21からの拘束を受けていることになり、圧電体薄膜10の内部には圧縮の内部応力が働く。
【0087】
また、図9(b)に示すように、基板21の面格子間隔よりエピタキシャル成長させた圧電体薄膜10の面格子間隔が小さい場合は(ds>dp)、圧電体薄膜10の内部には引っ張りの内部応力が働く。
【0088】
したがって、図9(a)に示すように、基板21の面格子間隔より圧電体薄膜10の面格子間隔が大きくなるようにし(ds<dp)、圧電体薄膜10が圧縮応力を有する圧縮膜とすれば、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【0089】
なお、基板21と圧電体薄膜10の間には第1の電極3があるが、基板21と比較して圧倒的に薄く、圧電体薄膜10の拘束力という点からは影響が少ない。また、基板21上に直接圧電体薄膜10を成長させてもよい(アクチュエータにする場合、第1の電極3は基板21を除去した後に成膜し、エピタキシャル成長を阻害しない電極もしくはバッファ層が用いられる)。圧電体薄膜10の形成方法はスパッタリング、ゾルゲル法、CVD法等を用いることができる。
【0090】
ここで、基板21と第1の電極3との間に中間層23を形成した場合(図8参照)、圧電体薄膜10を確実に圧縮膜とするためには、中間層23と第1の電極3との面格子間隔の方を圧電体薄膜10の面格子間隔よりも小さくする。
【0091】
(実施の形態4)
図10は本発明の実施の形態4におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図である。
【0092】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室2を区画形成する区画壁2aと接着剤14により接着されたものであり、第1の電極3と第2の電極22とへの電圧印加による圧電体薄膜10の変位を圧力室2に作用させ、圧力室2内に充填されたインクを吐出させるものである。
【0093】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜10の熱膨張係数をαp、接着剤14の熱膨張係数をαbとした場合、αp<αbの関係を満たしている。これにより、接着剤14によって圧電体薄膜10が圧縮膜となっている。
【0094】
すなわち、圧電体薄膜10の熱膨張係数と、接着に用いられる接着剤14の熱膨張係数の大きさが異なる場合、圧電体薄膜10に対して圧縮もしくは引っ張りの応力が働く。つまり、αp<αb(圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも接着剤14の熱膨張係数の方が大きい場合)では、圧電体薄膜10が圧縮膜となる。また、αp>αb(圧電体薄膜10の熱膨張係数の方が接着剤14の熱膨張係数よりも大きい場合)では、圧電体薄膜10が引っ張り膜となる。
【0095】
したがって、図10(a)に示すアクチュエータと区画壁2aとを、圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する接着剤14を用い(αp<αb)、接着を行う(図10(b))。区画壁2aとアクチュエータとを接着した後は、基板21を除去する(図10(c))。
【0096】
なお、接着剤14としては熱膨張係数の大きな無機材料(銀ロウや半田等の金属系材料)を用い、加熱下で接着を行う。これにより、熱膨張係数の大きい接着剤14が接着後により縮むので、圧電体薄膜には圧縮応力が加わる。
【0097】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜10とアクチュエータを区画壁2aに接着する接着剤14とにおいて、圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも接着剤14の熱膨張係数の方が大きくなるように設定し(αp<αb)、圧電体薄膜10が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【0098】
(実施の形態5)
図11は本発明の実施の形態5におけるアクチュエータを示す断面図である。
【0099】
本実施の形態のアクチュエータは、圧力室2を区画形成する区画壁2aと接着剤を用いずに接合されたもの、つまり基板を部分的に除去して区画壁2aとしたものである。なお、図11に示す場合も、図10に示す場合と同様に、第1の電極3と第2の電極22とへの電圧印加による圧電体薄膜10の変位を圧力室2に作用させ、圧力室2内に充填されたインクを吐出させるものである。
【0100】
このようなアクチュエータにおいて、圧電体薄膜10の熱膨張係数をαp、区画壁2aの熱膨張係数をαaとした場合、αa>αpの関係を満たしている。これにより、区画壁2aによって圧電体薄膜10が圧縮膜となっている。
【0101】
具体的には、圧電体薄膜10がたとえばPb(Zr0.53Ti0.47)O3の組成を有する圧電性のPZT膜(熱膨張係数:60×10-7/K)である場合、区画壁2aの材料には、たとえば860結晶化ガラス(熱膨張係数:108×10-7/K)や863結晶化ガラス(熱膨張係数:142×10-7/K)などが用られる。
【0102】
このように、アクチュエータを構成する圧電体薄膜10の熱膨張係数よりも区画壁2aの熱膨張係数の方が大きくなるように設定し(αa>αp)、圧電体薄膜10が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止される。
【0103】
以上に説明した本実施の形態では、本発明の圧電体薄膜素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用した温度センサや、電気光学効果を利用した光変調デバイス、光弾性効果を利用した光アクチュエータ、SAWデバイスに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
【0104】
なお、以上説明した圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【0105】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧電体薄膜が圧縮応力を有する圧縮膜としているので、機械的強度が保持され、引っ張り応力によるクラックや膜破壊が防止されるという有効な効果が得られる。
【0106】
このような圧電体薄膜素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【0107】
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【0108】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図2】図1のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図3】図2の要部を示す斜視図
【図4】図2のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図5】本発明の実施の形態1における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図
【図6】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電体薄膜の内部応力を示す説明図
【図7】圧電体薄膜と基板との熱膨張係数の違いによる圧電アクチュエータの不良品率を示すグラフ
【図8】本発明の実施の形態1における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図
【図9】本発明の実施の形態3における圧電体薄膜素子の基板と圧電体薄膜との格子間隔を示す説明図
【図10】本発明の実施の形態4におけるアクチュエータが区画壁に接着される状態を連続して示す説明図
【図11】本発明の実施の形態5におけるアクチュエータを示す断面図
【図12】従来の圧電体薄膜素子を示す構成の一例を示す断面図
【符号の説明】
2 圧力室
2a 区画壁
3 第1の電極
10 圧電体薄膜
14 接着剤
21 基板
22 第2の電極
23 中間層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric thin film element, and more specifically to an actuator using the piezoelectric effect of a piezoelectric dielectric, an ink jet head using the same, and an ink jet recording apparatus including the ink jet head.
[0002]
[Prior art]
There are various applications of dielectrics in the electronics field, such as piezoelectric elements, infrared sensors, light modulation elements, and memory elements. With the development of micromachining technology and the demand for miniaturization and weight reduction of various devices, various thin film devices using these dielectric materials are being put into practical use by thinning technology and fine processing technology.
[0003]
12 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a conventional piezoelectric thin film element (I. Kanno et. Al: Appl. Phys. Let. 70 (1997) p1378-1380). That is, in the piezoelectric thin film element 90 of FIG. 12, a Pt lower electrode film 92, a PZT piezoelectric thin film 93 as a first electrode, and a Pt upper electrode film 94 as a second electrode are sequentially formed on an MgO single crystal substrate 91. It is a configuration. (See, for example, Non-Patent Document 1) For example, it is applied to actuators, pressure sensors, acceleration sensors, and the like by processing electrode films, piezoelectric films, and substrates.
[0004]
Usually, thinning a material has properties unique to the thin film. This is largely due to the difference in the formation process from the bulk and the influence of the substrate supporting the thin film. For example, crystal parameters such as crystal plane and lattice constant of the piezoelectric thin film are greatly influenced by the substrate. Ferroelectric PbTiO Three Has been reported that the (001) plane is oriented on the (100) plane MgO single crystal substrate and the (111) plane is oriented on the c plane sapphire substrate. This is because it is greatly affected by the crystal plane of the substrate. In the case of a single crystal substrate, if the lattice constant is greatly different between the substrate and the piezoelectric film, the crystal plane to be oriented is also affected. Also, regardless of the type of substrate such as oxide single crystal, metal, glass, etc., the internal stress of the piezoelectric film produced changes due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the substrate, which causes the lattice constant of the piezoelectric film, etc. The crystal parameters of
[0005]
Due to such changes in crystal parameters of the piezoelectric thin film, its electrical characteristics (relative dielectric constant, coercive electric field, spontaneous polarization, piezoelectric constant, pyroelectric coefficient, etc.), optical characteristics (refractive index, electro-optic coefficient, etc.), etc. The characteristics change greatly.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
I. Kanno et. al: Appl. Phys. Let. 70 (1997) p1378-1380
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Here, the piezoelectric thin film element 90 needs to be crystallized at about 400 ° C. to 700 ° C. in forming the thin film. Therefore, during the process of cooling to room temperature, tensile or compressive internal stress is generated in the piezoelectric thin film 93 due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film 93 and the substrate 91 supporting the piezoelectric thin film 93.
[0008]
When the piezoelectric thin film 93 has an internal tensile stress, that is, when a tensile force is applied to the grain boundary of the film, the piezoelectric thin film 93 is always subjected to a stress that tends to be peeled off. As a result, the mechanical strength is reduced, and it becomes weak against bending when a voltage is applied, and a crack is generated in the piezoelectric thin film 93 or film breakage is induced.
[0009]
That is, in the case of film breakage due to the presence of a partial defect or foreign matter at the time of film formation, spot-like breakage is mainly, but in the case of breakage due to internal stress of the film, breakage such as cracks occurs. In the case of spot-like breakage, partial breakage is sufficient, and the entire film often functions. However, breakage such as cracks tends to break down the entire film and easily receive serious damage.
[0010]
Then, an object of this invention is to provide the technique which can prevent the crack and film destruction of a piezoelectric material thin film.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, a piezoelectric thin film element of the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by substrate heating, and a piezoelectric A piezoelectric thin film element having a second electrode formed on a body thin film, wherein the piezoelectric thin film and the substrate have different thermal expansion coefficients, and the piezoelectric thin film is a compression film depending on the substrate It is.
[0012]
The piezoelectric thin film element of the present invention is formed on a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed by sputtering on the first electrode, and the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element including a second electrode, wherein the piezoelectric thin film is a compression film.
[0013]
Furthermore, the piezoelectric thin film element of the present invention is formed on a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by substrate heating, and the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element including the second electrode, wherein the piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress.
[0014]
Furthermore, the actuator of the present invention is an actuator having a piezoelectric thin film that is bonded to a partition wall that forms a pressure chamber by an adhesive, and that causes displacement due to voltage application to the pressure chamber, and has a thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film Is αp and the thermal expansion coefficient of the adhesive is αb, the relationship of αp <αb is satisfied.
[0015]
The actuator of the present invention is an actuator having a piezoelectric thin film that is joined to a partition wall that defines a pressure chamber and causes displacement due to voltage application to act on the pressure chamber, and the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric thin film is αp, When the thermal expansion coefficient of the partition wall is αa, the relationship αa> αp is satisfied.
[0016]
According to this, since the piezoelectric thin film becomes a compressed film having a compressive stress and can maintain the mechanical strength, it becomes possible to prevent cracks and film breakage due to tensile stress.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to a first aspect of the present invention, there is provided a substrate, a first electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate, and formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element including the second electrode, The piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress, and satisfies the relationship ds <dp, where ds is the surface lattice spacing of the substrate and dp is the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film. Since it is a piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, and a piezoelectric formed on the first electrode by substrate heating. A piezoelectric thin film element comprising a body thin film and a second electrode formed on the piezoelectric thin film, The piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress, and satisfies the relationship ds <dp, where ds is the surface lattice spacing of the substrate and dp is the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film. Since it is a piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0019]
The invention according to claim 3 of the present invention is the invention according to claim 1 or 2, The piezoelectric thin film is an epitaxial film. Since it is a piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film is a compressed film having a compressive stress, the mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0029]
Claims of the invention 4 The invention described in claim 2 In the described invention, a piezoelectric thin film element in which the surface lattice spacing between the intermediate layer and the first electrode is smaller than the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film is a compressed film having compressive stress. The mechanical strength is maintained and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0035]
The invention according to claim 5 of the present invention is An actuator in which the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 4 is used, and a stable displacement operation can be performed. It has the action.
[0039]
Claims of the invention 6 The invention described in claim 5 The ink jet head includes the actuator described above and a plurality of pressure chambers in which ink liquid is accommodated and the displacement of the actuator acts, and has an effect of enabling stable ink ejection.
[0040]
Claims of the invention 7 The invention described in claim 6 It is an ink jet recording apparatus provided with the ink jet head described above, and has the effect that high quality printing can be performed by stable ink ejection.
[0041]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0042]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing an overall schematic configuration of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an overall configuration of an ink jet head in the ink jet recording apparatus of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a main part of FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of an actuator part of the ink jet head of FIG. 2, and FIG. 5 is a piezoelectric thin film element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 6 is an explanatory view showing the internal stress of the piezoelectric thin film due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate, and FIG. 7 is based on the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate. FIG. 8 is a cross-sectional view showing another example of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment of the present invention.
[0043]
An ink jet recording apparatus 40 shown in FIG. 1 includes an ink jet head 41 of the present invention that performs recording using the piezoelectric effect of a piezoelectric thin film element, and ink droplets ejected from the ink jet head 41 are recorded on a recording medium 42 such as paper. Is recorded on the recording medium 42. The inkjet head 41 is mounted on a carriage 44 provided on a carriage shaft 43 arranged in the main scanning direction X, and reciprocates in the main scanning direction X as the carriage 44 reciprocates along the carriage shaft 43. Move. Further, the ink jet recording apparatus 40 includes a plurality of rollers (moving means) 45 for moving the recording medium 42 in the sub scanning direction Y substantially perpendicular to the width direction of the ink jet head 41 (that is, the main scanning direction X). .
[0044]
FIG. 2 shows the overall configuration of the inkjet head 41 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the configuration of the main part thereof.
[0045]
2 and 3, A is a pressure chamber component, and the pressure chamber opening 1 is formed. B is an actuator portion arranged to cover the upper end opening surface of the pressure chamber opening 1, and C is an ink liquid flow path component arranged to cover the lower end opening surface of the pressure chamber opening 1. The pressure chamber opening 1 of the pressure chamber part A is partitioned by an actuator part B and an ink liquid flow path part C positioned above and below to become a pressure chamber 2. In the actuator part B, a first electrode 3 which is an individual electrode located above the pressure chamber 2 is arranged. A large number of these pressure chambers 2 and first electrodes 3 are arranged in a staggered manner as can be seen from FIG. The ink liquid flow path component C includes a common liquid chamber 5 shared between the pressure chambers 2 arranged in the ink liquid supply direction, a supply port 6 that communicates the common liquid chamber 5 with the pressure chamber 2, An ink flow path 7 through which the ink liquid flows is formed. D is a nozzle plate, in which a nozzle hole 8 communicating with the ink flow path 7 is formed. In FIG. 2, E is an IC chip, which supplies a voltage to a large number of first electrodes 3 via bonding wires (BW).
[0046]
Next, the structure of the actuator part B is demonstrated based on FIG.
[0047]
In the figure, the actuator part B shows a cross-sectional view in a direction orthogonal to the ink liquid supply direction shown in FIG. In the drawing, a pressure chamber part A having four pressure chambers 2 arranged in the orthogonal direction is drawn for reference.
[0048]
The actuator portion B is displaced and vibrated by the first electrode 3 positioned above each pressure chamber 2, the piezoelectric thin film 10 positioned immediately below the first electrode 3, and the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 10. A diaphragm / common electrode 11 is included. The diaphragm / common electrode 11 is formed of a conductive material and also serves as a second electrode that is a common electrode common to the pressure chambers 2. Furthermore, the actuator part B has the vertical wall 13 located above the partition wall 2a which divides each pressure chamber 2 mutually. In the figure, reference numeral 14 denotes an adhesive for bonding the pressure chamber part A and the actuator part B together. Each vertical wall 13 does not adhere to the diaphragm / common electrode 11 even when a part of the adhesive 14 protrudes to the outside of the partition wall 2 a during bonding using the adhesive 14. The diaphragm / common electrode 11 has a role of increasing the distance between the upper surface of the pressure chamber 2 and the lower surface of the diaphragm / common electrode 11 so that the diaphragm / common electrode 11 causes the desired displacement and vibration.
[0049]
The first electrode 3, the piezoelectric thin film 10 and the diaphragm / common electrode 11 constitute a piezoelectric thin film element. Here, the diaphragm and the common electrode (second electrode) are used together, but they may be separated. In FIG. 5 and subsequent figures, the diaphragm and the common electrode as the second electrode are shown separately.
[0050]
The first electrode 3 is made of, for example, Pt (platinum), and the diaphragm / common electrode 11 is made of, for example, Pt (platinum), Cr (chromium), Cu (copper), Mo (molybdenum), or Ta (tantalum). Yes.
[0051]
The structure described above is common to the following embodiments. Therefore, redundant description in each embodiment is omitted.
[0052]
In the piezoelectric thin film element 16 shown in FIG. 5, a substrate 21 and, for example, a Pt electrode film as the first electrode 3 is disposed on the substrate 21, the piezoelectric thin film 10 is disposed thereon, and the first thin film 10 is disposed thereon. For example, a Cr electrode film is disposed as the second electrode 22.
[0053]
Here, as a material of the substrate 21, for example, alumina (thermal expansion coefficient: 68 × 10 -7 / K), 860 crystallized glass (thermal expansion coefficient: 108 × 10 -7 / K), 863 crystallized glass (thermal expansion coefficient: 142 × 10 -7 / K), SUS304 (thermal expansion coefficient: 173 × 10 -7 / K), magnesium oxide (thermal expansion coefficient: 120 × 10 -7 / K) or the like.
[0054]
The piezoelectric thin film 10 is a PZT film having a perovskite structure containing Pb, Zr, Ti, for example, Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O Three Piezoelectric PZT film having the following composition (thermal expansion coefficient: 60 × 10 -7 / K) is used. Note that the PZT film has a property that the thermal expansion coefficient is small and the stress can be easily controlled, and that the orientation (epitaxial growth) can be easily performed and the composition can be easily controlled.
[0055]
The piezoelectric thin film 10 has a thickness of 0.2 to 10 μm, and the substrate 21 has a thickness of 0.15 to 1.5 mm. However, the film thickness is not limited to this value.
[0056]
A method for forming the piezoelectric thin film element will be described. In addition, the formation method of a piezoelectric thin film element is not limited to the following description.
[0057]
After setting the substrate 21 of the above-described material in the vacuum chamber and evacuating, the substrate 21 is heated to 600 ° C., and a 4-inch Pt target is used by RF magnetron sputtering, with Ar gas as the sputtering gas, A Pt electrode film to be the first electrode 3 was formed at a gas pressure of 1 Pa and an RF power of 100 W.
[0058]
Next, a 6-inch PZT sintered body target (added with 20 mol% of PbO) is used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, and the substrate temperature is 580 ° C., Ar and O 2 Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O 2 = 19: 1), a piezoelectric thin film 10 made of a PZT film was formed at a gas pressure of 0.4 Pa and an RF power of 500 W.
[0059]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target without heating the substrate with 100 W power in an atmosphere of Ar gas of 0.7 Pa of sputtering gas.
[0060]
Here, as described above, the piezoelectric thin film 10 and the substrate 21 have different thermal expansion coefficients, and the thermal expansion coefficient (αs) of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient (αp) of the piezoelectric thin film 10. Is larger (αp <αs). Thereby, the piezoelectric thin film 10 is a compressed film by the substrate 21.
[0061]
That is, as shown in FIG. 6, when the thermal expansion coefficient of the formed piezoelectric thin film 10 and the thermal expansion coefficient of the substrate 21 supporting the piezoelectric thin film 10 are different, Compressive or tensile stress acts on the piezoelectric thin film 10.
That is, as shown in FIG. 6A, when αp <αs (when the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10), the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film. Further, as shown in FIG. 6B, when αp> αs (when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate 21), the piezoelectric thin film 10 becomes a tensile film.
[0062]
Therefore, as shown in FIG. 6A, adjustment is made so that the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 (αp <αs), and the piezoelectric thin film 10 is compressed. If the compressed film has, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0063]
FIG. 7 shows the defective rate of piezoelectric actuators due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate.
[0064]
In FIG. 7, a voltage of 35 V DC was applied between two electrodes for 200 pins (elements) of the ink jet head, and the defective rate of the piezoelectric actuators was determined. As shown in the figure, it can be seen that when 1.0 <αs / αp, that is, αp <αs, the defective product rate drastically decreases.
[0065]
If excessive compressive stress is generated in the piezoelectric thin film 10, problems such as operational stability may occur. In addition, electrical characteristics such as relative permittivity and piezoelectric characteristics may change, causing variations in characteristics. Considering this, an appropriate internal stress can be obtained when the condition 1 <αs / αp ≦ 1.2 is satisfied.
[0066]
The materials of the piezoelectric thin film 10 and the substrate 21 are not limited to those described above, and it is sufficient that the thermal expansion coefficient of the substrate 21 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10.
[0067]
Here, as shown in FIG. 8, an intermediate layer 23 may be formed on the substrate 21, and the first electrode 3 may be formed on the intermediate layer 23. As the intermediate layer 23, a rock salt type crystal structure oxide film such as MgO can be applied.
[0068]
A method for forming a piezoelectric thin film element configured as shown in FIG. 8 will be described. For example, after setting an alumina substrate as the substrate 21 in the vacuum chamber and evacuating it, the substrate 21 is heated to 400 ° C., and an intermediate layer of an MgO film having a rock salt type crystal structure crystallized in the (100) plane by plasma MOCVD. Layer 23 was formed to a thickness of about 700 nm. For this film formation, magnesium acetylacetonate gas vaporized at 215 ° C. as a CVD source gas and O 2 2 A gas pressure of 30 Pa and an RF power of 400 W were used.
[0069]
Next, the substrate 21 is placed in another vacuum chamber, heated to 600 ° C., and a 4-inch Pt target is used by an RF magnetron sputtering method. Ar gas is sputtered to a gas pressure of 1 Pa and RF power of 100 W. Thus, a Pt electrode film serving as the first electrode 3 was formed.
[0070]
Subsequently, a 6-inch PZT sintered target (added with 20 mol% of PbO) was used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, and the substrate temperature was 580 ° C., Ar and O 2 Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O 2 = 19: 1), a piezoelectric thin film 10 made of a PZT film was formed at a gas pressure of 0.4 Pa and an RF power of 500 W.
[0071]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target without heating the substrate with 100 W power in an atmosphere of Ar gas of 0.7 Pa of sputtering gas.
[0072]
(Embodiment 2)
In FIG. 5, the piezoelectric thin film element of the present embodiment includes a substrate 21, a first electrode 3 formed on the substrate 21, a piezoelectric thin film 10 formed on the first electrode 3, and a piezoelectric film. A second electrode 22 formed on the body thin film 10 is provided, and the piezoelectric thin film 10 is formed on the compression film by sputtering.
[0073]
That is, in this embodiment, the deposition rate of the piezoelectric thin film 10 during sputtering is 0.8 μm / h to 10 μm / h, preferably 2.0 μm to so that the piezoelectric thin film 10 has a compressive stress after film formation. It is as high as 7 μm / h (hi-rate film formation).
[0074]
The deposition rate can be adjusted by, for example, sputtering gas pressure for forming a perovskite layer at a substrate temperature of 600 ° C., sputtering gas flow rate, oxygen partial pressure ratio (in the case of mixed gas with argon), target substrate distance, input power (cathode RF power). ) Can be performed by changing each condition.
[0075]
A method for forming the piezoelectric thin film element will be described. In addition, the formation method of a piezoelectric thin film element is not limited to the following description.
[0076]
After setting the substrate 21 of the above-described material in the vacuum chamber and evacuating, the substrate 21 is heated to 600 ° C., and a 4-inch Pt target is used by RF magnetron sputtering, with Ar gas as the sputtering gas, A Pt electrode film to be the first electrode 3 was formed at a gas pressure of 1 Pa and an RF power of 100 W.
[0077]
Next, a 6-inch PZT sintered body target (added with 20 mol% of PbO) is used on the first electrode 3 made of a Pt film by RF magnetron sputtering, and the substrate temperature is 580 ° C., Ar and O 2 Mixed sputtering gas (gas ratio Ar: O 2 = 19: 1), sputtering gas pressure 0.1 Pa to 5.0 Pa, preferably 0.1 Pa to 2.0 Pa, input power RF power 0.25 kW to 5.0 kW, preferably 5 kW to 3.0 kW A piezoelectric thin film 10 made of a PZT film was formed.
[0078]
As described above, the deposition rate of the piezoelectric thin film 10 at this time is a deposition rate of 0.8 μm / h to 10 μm / h, preferably 2.0 μm to 7 μm / h.
[0079]
Thereafter, a Cr electrode film was formed as the second electrode 22 by DC sputtering using a 4-inch Cr target without heating the substrate with 100 W power in an atmosphere of Ar gas of 0.7 Pa of sputtering gas.
[0080]
When the piezoelectric thin film 10 is formed as a compression film by sputtering as in the present embodiment, the substrate 21 is not limited to those listed in the first embodiment, for example, quartz (thermal expansion coefficient: 5.6). × 10 -7 / K), silicon (thermal expansion coefficient: 27 × 10 -7 / K), 7059 glass (thermal expansion coefficient: 46 × 10 -7 / K) or the like can be used, and no consideration is necessary for the thermal expansion coefficient. The materials described in Embodiment 1 can be used for the first electrode 3, the piezoelectric thin film 10, and the second electrode 22.
[0081]
As described above, according to the present embodiment, since the piezoelectric thin film 10 has a compressive stress by increasing the film forming speed of the strong piezoelectric thin film 10 formed by sputtering, the mechanical strength is high. It is held and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0082]
(Embodiment 3)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the lattice spacing between the substrate of the piezoelectric thin film element and the piezoelectric thin film according to the third embodiment of the present invention.
[0083]
The structure of the piezoelectric thin film element is the same as that shown in FIG. 5 or FIG. The materials described in the first and second embodiments can be used for the first electrode 3, the piezoelectric thin film 10, and the second electrode 22.
[0084]
Here, in the present embodiment, the piezoelectric thin film 10 is an alignment film such as an epitaxial film having a compressive stress. When the surface lattice spacing of the substrate 21 is ds and the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 is dp, the relationship satisfies ds <dp. Specifically, when the piezoelectric thin film 10 in the present embodiment is a PZT film, since the a-axis lattice constant is 4.04 mm, the material of the substrate 21 has a smaller lattice constant, for example, SrTiO Three (A-axis lattice constant: 3.905) is used.
[0085]
That is, when the piezoelectric thin film 10 is epitaxially grown on the substrate 21 under heating, the piezoelectric thin film 10 receives a compressive or tensile force reflecting the surface lattice spacing of the substrate 21.
[0086]
That is, as shown in FIG. 9A, when the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 epitaxially grown is larger than the surface lattice spacing of the substrate 21 (ds <dp), when viewed in one lattice unit of the film, This means that the substrate 21 is restrained, and compression internal stress acts inside the piezoelectric thin film 10.
[0087]
Further, as shown in FIG. 9B, when the plane lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 epitaxially grown is smaller than the plane lattice spacing of the substrate 21 (ds> dp), no tension is generated inside the piezoelectric thin film 10. Internal stress works.
[0088]
Therefore, as shown in FIG. 9A, the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film 10 is made larger than the surface lattice spacing of the substrate 21 (ds <dp), and the piezoelectric thin film 10 has a compressive film having compressive stress. Then, the mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0089]
Although the first electrode 3 is between the substrate 21 and the piezoelectric thin film 10, the first electrode 3 is overwhelmingly thinner than the substrate 21, and has little influence in terms of the restraining force of the piezoelectric thin film 10. Alternatively, the piezoelectric thin film 10 may be grown directly on the substrate 21 (in the case of an actuator, the first electrode 3 is formed after the substrate 21 is removed, and an electrode or buffer layer that does not inhibit epitaxial growth is used. ). As a method for forming the piezoelectric thin film 10, sputtering, a sol-gel method, a CVD method, or the like can be used.
[0090]
Here, in the case where the intermediate layer 23 is formed between the substrate 21 and the first electrode 3 (see FIG. 8), in order to make the piezoelectric thin film 10 a compressed film with certainty, the intermediate layer 23 and the first electrode 3 The surface lattice spacing with the electrode 3 is made smaller than the surface lattice spacing of the piezoelectric thin film 10.
[0091]
(Embodiment 4)
FIG. 10 is an explanatory view continuously showing a state in which the actuator according to the fourth embodiment of the present invention is bonded to the partition wall.
[0092]
The actuator according to the present embodiment is bonded to the partition wall 2 a that forms the pressure chamber 2 and the adhesive 14, and is a piezoelectric thin film by applying a voltage to the first electrode 3 and the second electrode 22. 10 displacements are applied to the pressure chamber 2, and the ink filled in the pressure chamber 2 is ejected.
[0093]
In such an actuator, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is αp and the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 is αb, the relationship of αp <αb is satisfied. As a result, the piezoelectric thin film 10 becomes a compressed film by the adhesive 14.
[0094]
That is, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is different from the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 used for bonding, compressive or tensile stress acts on the piezoelectric thin film 10. That is, when αp <αb (when the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10), the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film. In addition, when αp> αb (when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is larger than the thermal expansion coefficient of the adhesive 14), the piezoelectric thin film 10 becomes a tensile film.
[0095]
Therefore, the actuator shown in FIG. 10A and the partition wall 2a are bonded using the adhesive 14 having a thermal expansion coefficient larger than that of the piezoelectric thin film 10 (αp <αb) (FIG. 10). (B)). After bonding the partition wall 2a and the actuator, the substrate 21 is removed (FIG. 10C).
[0096]
In addition, as the adhesive 14, an inorganic material having a large thermal expansion coefficient (metal material such as silver solder or solder) is used, and adhesion is performed under heating. As a result, the adhesive 14 having a large coefficient of thermal expansion shrinks after bonding, so that compressive stress is applied to the piezoelectric thin film.
[0097]
Thus, in the piezoelectric thin film 10 constituting the actuator and the adhesive 14 for bonding the actuator to the partition wall 2a, the thermal expansion coefficient of the adhesive 14 is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10. (Αp <αb) and the piezoelectric thin film 10 is a compressed film having a compressive stress, so that the mechanical strength is maintained and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0098]
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a sectional view showing an actuator according to the fifth embodiment of the present invention.
[0099]
The actuator according to the present embodiment is joined to the partition wall 2a that forms the pressure chamber 2 without using an adhesive, that is, the substrate is partially removed to form the partition wall 2a. In the case shown in FIG. 11 as well, as in the case shown in FIG. 10, the displacement of the piezoelectric thin film 10 due to the voltage application to the first electrode 3 and the second electrode 22 is applied to the pressure chamber 2 to Ink filled in the chamber 2 is ejected.
[0100]
In such an actuator, when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 is αp and the thermal expansion coefficient of the partition wall 2a is αa, the relationship of αa> αp is satisfied. Thereby, the piezoelectric thin film 10 becomes a compression film by the partition wall 2a.
[0101]
Specifically, the piezoelectric thin film 10 is, for example, Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O Three Piezoelectric PZT film having the following composition (thermal expansion coefficient: 60 × 10 -7 / K), the material of the partition wall 2a includes, for example, 860 crystallized glass (thermal expansion coefficient: 108 × 10 -7 / K) and 863 crystallized glass (thermal expansion coefficient: 142 × 10 -7 / K).
[0102]
Thus, the thermal expansion coefficient of the partition wall 2a is set to be larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric thin film 10 constituting the actuator (αa> αp), and the piezoelectric thin film 10 is compressed with compressive stress. Since it is a film, mechanical strength is maintained, and cracks and film breakage due to tensile stress are prevented.
[0103]
In the above-described embodiment, the case where the piezoelectric thin film element of the present invention is applied to an actuator used for ink ejection of an ink jet recording apparatus has been described. However, a temperature sensor using the pyroelectric property, The present invention can be applied to various other uses such as a light modulation device utilizing an optical effect, an optical actuator utilizing a photoelastic effect, and a SAW device.
[0104]
In addition, according to the actuator using the piezoelectric thin film element described above, it is possible to perform a stable displacement operation, and according to the ink jet head using such an actuator, it is possible to perform stable ink ejection. It becomes possible. According to the ink jet recording apparatus provided with such an ink jet head, it is possible to perform high quality printing by stable ink ejection.
[0105]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the piezoelectric thin film is a compressed film having compressive stress, the mechanical strength is maintained, and an effective effect that cracks and film breakage due to tensile stress are prevented can be obtained. .
[0106]
According to the actuator using such a piezoelectric thin film element, an effective effect that a stable displacement operation can be performed is obtained.
[0107]
According to the ink jet head using such an actuator, it is possible to obtain an effective effect of enabling stable ink discharge.
[0108]
In addition, according to the ink jet recording apparatus including such an ink jet head, an effective effect that high quality printing can be performed by stable ink ejection is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an overall schematic configuration of an ink jet recording apparatus using a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an ink jet head in the ink jet recording apparatus of FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective view showing a main part of FIG.
4 is a cross-sectional view showing a configuration of an actuator part of the ink jet head of FIG. 2;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a piezoelectric thin film element in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the internal stress of the piezoelectric thin film due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate.
FIG. 7 is a graph showing the rate of defective piezoelectric actuators due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film and the substrate.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another example of the piezoelectric thin film element in the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a lattice interval between a substrate of a piezoelectric thin film element and a piezoelectric thin film according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view continuously showing a state where an actuator according to a fourth embodiment of the present invention is bonded to a partition wall.
FIG. 11 is a sectional view showing an actuator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a configuration showing a conventional piezoelectric thin film element
[Explanation of symbols]
2 Pressure chamber
2a partition wall
3 First electrode
10 Piezoelectric thin film
14 Adhesive
21 Substrate
22 Second electrode
23 Middle layer

Claims (7)

基板と、前記基板上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
前記圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、前記基板の面格子間隔をds、前記圧電体薄膜の面格子間隔をdpとしたとき、ds<dpの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子。
A substrate; a first electrode formed on the substrate; a piezoelectric thin film formed on the first electrode by heating the substrate; and a second electrode formed on the piezoelectric thin film. A piezoelectric thin film element,
The piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress, and satisfies a relationship of ds <dp, where ds is a lattice spacing of the substrate and dp is a lattice spacing of the piezoelectric thin film. Piezoelectric thin film element.
基板と、前記基板上に形成された中間層と、前記中間層上形成された第1の電極と、前記第1の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に形成された第2の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
前記圧電体薄膜は、圧縮応力を有する配向膜であるとともに、前記基板の面格子間隔をds、前記圧電体薄膜の面格子間隔をdpとしたとき、ds<dpの関係を満たすことを特徴とする圧電体薄膜素子。
A substrate, an intermediate layer formed on the substrate, a first electrode formed on the intermediate layer, a piezoelectric thin film formed on the first electrode by substrate heating, and the piezoelectric thin film A piezoelectric thin film element having a second electrode formed on the substrate,
The piezoelectric thin film is an alignment film having a compressive stress, and satisfies a relationship of ds <dp, where ds is a lattice spacing of the substrate and dp is a lattice spacing of the piezoelectric thin film. Piezoelectric thin film element.
前記圧電体薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項1または2記載の圧電体薄膜素子。3. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is an epitaxial film. 前記中間層と前記第1の電極との面格子間隔の方が前記圧電体薄膜の面格子間隔よりも小さいことを特徴とする請求項2記載の圧電体薄膜素子。3. The piezoelectric thin film element according to claim 2, wherein a surface lattice spacing between the intermediate layer and the first electrode is smaller than a surface lattice spacing of the piezoelectric thin film. 請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電体薄膜素子が用いられていることを特徴とするアクチュエータ。An actuator comprising the piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 4 . 請求項記載のアクチュエータと、
インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
An actuator according to claim 5 ;
An ink-jet head comprising: a plurality of pressure chambers in which ink liquid is stored and the displacement of the actuator acts.
請求項記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。An ink jet recording apparatus comprising the ink jet head according to claim 6 .
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