JP4708667B2 - アクチュエータおよび液体噴射ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体噴射記録装置に搭載される液体噴射ヘッド等に用いられるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、パソコンなどの印刷装置として液体噴射記録装置を用いたプリンタが印字性能がよく取り扱いが簡単、低コストなどの理由から広く普及している。この液体噴射記録装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。
【0003】
一般に、圧電素子等を用いたものは、例えば、液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインク等の液体を圧縮することにより液吐出口から液滴を吐出させる。
【0004】
近時、カラーの液体噴射記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字さらには液体噴射ヘッドの長尺化が求められており、そのため液体噴射ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を実現することが求められている。そして、液体噴射ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるためのアクチュエータを小型化することが必要になる。
【0005】
液体噴射ヘッドのアクチュエータを構成する圧電および/または電歪素子(以下、「圧電電歪素子」という。)を小型化するためには、圧電体自体がより微細化され、小型化しても駆動能力が低くならないような高い圧電定数を持つ必要がある。
【0006】
このことは、圧電体である圧電および/または電歪膜(以下、「圧電電歪膜」という。)が結晶性の優れた膜であることが必要であることを示している。結晶性が優れた膜とは、同一方向に配向した単一配向結晶や、面内まで配向している単結晶の薄膜である。また、圧電電歪膜が単結晶であるためには、圧電電歪膜作製時の直下の層が単結晶等であり、かつ圧電電歪膜と直下の層の材料が、格子整合性のよい組み合わせであるのが望ましい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電電歪素子に用いられた圧電電歪膜は、例えば、PbO、ZrO2 およびTiO2 の粉末のペーストをシート状に成型加工(グリーンシート)した後、焼結することにより形成する方法が採用されていたことから、圧電電歪膜を例えば10μm以下に薄く形成することが困難であった。また、グリーンシートの焼結には1000℃以上の温度で行うため、圧電電歪材料が70%程に収縮してしまうという問題があった。このため、圧電電歪素子と液室や圧力室等の構造体とを数ミクロンオーダーでの寸法精度で位置合わせをすることは困難であり、このために、アクチュエータを小型化することが困難であった。
【0008】
また、グリーンシートを焼結することにより形成されたセラミックス圧電電歪膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電電歪特性を得ることができなかった。すなわち、グリーンシートを焼結することにより形成された圧電電歪膜は、10μm以下になると記録液を吐出させるための十分な圧電電歪特性を得ることができないという問題点があった。このため、十分な記録液の吐出に必要な特性を有する小型の液体噴射ヘッドをこれまで実現することができなかった。
【0009】
また、現在報告されている圧電電歪膜の作製方法として、CVD法やゾル−ゲル法などの方法がある。しかし、これらの方法によって作製した圧電電歪膜も、その密度が低くなり易く、微細化加工が非常に困難である。また、圧電電歪材料の能力を表す圧電定数も小さいため、小型化すると、一定電圧に対する変位量も小さくなる。従って、上記のCVD法等を小型のアクチュエータや液体噴射ヘッドの圧電電歪膜の作製に用いることは困難である。
【0010】
さらに、従来技術では、金属製の電極と、酸化物である圧電電歪膜との間の密着性が低いという問題がある。アクチュエータおよび液体噴射ヘッドの圧電電歪素子としての繰り返し駆動で発生する応力に耐え得るためには、電極と圧電電歪膜との間に高い密着性が必要とされる。
【0011】
また、スパッタ法を用いた半導体プロセスの微細加工による液体噴射ヘッドの構成とその製造方法は、特開平11−348285号公報に提案されている。この液体噴射ヘッドは、単結晶のMgO上に白金を配向成膜して、その上にZr層を含まないペロブスカイトの層とPZTの層の積層体とすることを特徴としている。
【0012】
しかし、前記公報に記載の製造方法では、再現性よく安定した単一配向結晶あるいは単結晶PZTが得られない。さらに、単結晶MgO等の非常に高価な単結晶基板上にしか配向したPZT層が得られず、非常に高価なプロセスとなってしまう。しかも、MgOの単結晶基板は大きさに限界があり、大面積の基板を得ることができない。
【0013】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とする、より薄くしかも十分な圧電電歪特性をもつ圧電電歪膜を含む強度の高い積層構造を用いることで、高密度に形成された液吐出口を有する安定した信頼性の高い液体噴射ヘッドを実現できるアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを提供することを目的とするものである。
【0014】
本発明の他の目的は、単一配向結晶あるいは単結晶の圧電電歪膜を再現性よく安定して成膜することにある。
【0015】
本発明のさらに他の目的は、圧電電歪膜と電極との密着性が高く、かつ変位量の大きい圧電電歪素子を得ることにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアクチュエータは、基体上に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記2つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、Laがドープされた単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜であって、該SrTiO3薄膜へのLaのドープ濃度が0.05atm%から0.08atm%の範囲であり、前記圧電体が前記SrTiO3薄膜から直接エピタキシャル成長した単一配向結晶または単結晶の、PZTからなることを特徴とする。
【0017】
【0018】
【0020】
単一配向結晶または単結晶のSrTiO 3 薄膜の電極の膜厚が50nmから5000nmの範囲であるとよい。
【0021】
単一配向結晶または単結晶のSrTiO 3 薄膜の電極の結晶方位が(010)、(101)、(110)および(111)のうちのいずれかであるとよい。
【0022】
単一配向結晶または単結晶のSrTiO 3 薄膜の電極の結晶配向率が95%以上であるとよい。
【0024】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶配向率が90%以上であるとよい。
【0025】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が、菱面体晶または正方晶であるとよい。
【0026】
単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が、500nm以上10μm以下であるとよい。
【0027】
【0028】
また、本発明の液体噴射ヘッドは、液吐出口に連通する圧力室を有する本体部と、前記圧力室に対応するように前記本体部に接合されたアクチュエータと、を有する液体噴射ヘッドにおいて、前記アクチュエータは、前記本体部に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記2つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、Laがドープされた単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜であって、該SrTiO3薄膜へのLaのドープ濃度が0.05atm%から0.08atm%の範囲であり、前記圧電体が前記SrTiO3薄膜から直接エピタキシャル成長した単一配向結晶または単結晶の、PZTからなる酸化物圧電電歪薄膜であることを特徴とする。
【0029】
【0030】
【作用】
アクチュエータの圧電体を、薄くてもすぐれた圧電電歪特性を有する単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜とすることで、半導体プロセスによる微細加工が可能となる。
【0031】
このような単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜を安定して再現性よく作製するために、成膜時にその下層となる下部電極を、LaがドープされたSrおよびTiを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜(SrTiO 3 薄膜)によって構成する。
【0032】
LaがドープされたSrおよびTiを含む単一配向結晶または単結晶のSrTiO 3 薄膜の電極は、圧電体を構成する酸化物圧電電歪材料との格子整合性が良好であるため、下部電極上に結晶配向率90%以上の単一配向結晶または単結晶の圧電電歪膜を成膜することができる。
【0033】
また、圧電体に接合される2つの電極の双方が、上記の結晶性の高い酸化物薄膜の電極であれば、上、下2つの電極自体の強度が高く、しかも圧電体との密着性も良好となるため、アクチュエータを構成する積層構造の強度および耐久性の向上に大きく貢献できる。
【0034】
そして、十分な圧電電歪特性を有する圧電体を、例えば10μm以下に薄膜化した強度の高い積層構造にすることで、半導体プロセスを用いた微細加工をアクチュエータの製作に適用可能にし、アクチュエータの小型化と、液体噴射ヘッドの高密度化、高性能化を促進できる。
【0035】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0036】
図1ないし図3は一実施の形態による液体噴射ヘッドを示すもので、この液体噴射ヘッドMは、基体である本体基板部1と、複数の液吐出口(ノズル)2と、各液吐出口2に対応して設けられた複数の圧力室(液室)3と、各圧力室3にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエータ10とから構成されており、液吐出口2は、ノズルプレート4に所定の間隔をもって形成され、圧力室3は、本体基板部1に、液吐出口2にそれぞれ対応するように並列して形成されている。
【0037】
なお、本実施の形態では、液吐出口2が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。
【0038】
また、本体基板部1の上面には各圧力室3にそれぞれ対応した図示しない開口部が形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエータ10が位置付けられ、各アクチュエータ10は、酸化物薄膜の振動板11と、酸化物圧電電歪薄膜である圧電体(圧電電歪膜)12と、それぞれ酸化物薄膜である下部電極13および上部電極14とから構成されている。
【0039】
上記2つの電極13、14のうちの少なくとも振動板11と酸化物圧電電歪薄膜である圧電体12との間の下部電極13は、振動板11の酸化物薄膜、酸化物圧電電歪薄膜の両方に対して格子整合性のよい、LaがドープされたSrおよびTiを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜(SrTiO 3 薄膜)の電極である。
【0040】
酸化物電極材料としては、特開平6−280023号公報にSrRuO3 を用いた素子が記載されている。しかし、前記提案では、SrRuO3 を単一配向あるいは単結晶であることの記載がなく、上部に形成する酸化物圧電電歪薄膜は単一配向結晶あるいは単結晶となり得ない。
【0041】
本実施の形態においては、少なくとも下部電極として酸化物薄膜電極を用いているため、機械的変位を繰り返しても微小な亀裂が発生しても電極自身の強度や、酸化物薄膜からなる振動板との密着性が保持され、また、振動板と酸化物圧電電歪薄膜との双方に対して格子定数のマッチングが良い電極材料を選んでいるため、密着力が劣化せず、耐久性に優れた超小型の圧電電歪素子(アクチュエータ)を実現できる。
【0042】
加えて、圧電体を構成する酸化物圧電電歪薄膜の下層に、酸化物圧電電歪薄膜に対して格子マッチングがよく、かつ単一配向結晶または単結晶である電極を介在させることで、結晶配向率の高い単一配向結晶または単結晶の圧電電歪膜を安定して再現性よく得ることを可能にする。
【0043】
さらに、基体(本体部)上に積層される振動板および圧電体と両電極を順次結晶配向の方位のそろった膜によって構成することで、液体噴射ヘッドの場合等には、各ノズル毎のアクチュエータの性能のばらつきが少なく、かつ密着強度の強いデバイスを得ることができる。
【0044】
このように、上部電極、圧電体、下部電極、振動板を含み、前記2つの電極のうちの少なくとも下部電極がLaのドープされたSrおよびTiを含む元素を含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物薄膜である積層構造において、上記の酸化物薄膜電極にドープされたLaの濃度は0.05atm%から0.80atm%の範囲であるのが好ましい。
【0045】
Laの濃度が0.05atm%から0.80atm%である酸化物薄膜電極の結晶性はLa濃度の増加とともに悪くなる。しかし、導電率はLa濃度の増加とともに1×103 (S/cm)から1×105 (S/cm)まで大きくすることができるため、0.05atm%から0.80atm%の範囲のLa濃度のドーピングが好ましい。
【0046】
またLaがドープされた酸化物薄膜電極の格子定数が3.905Åから4.030Åの範囲であるとよい。La濃度を0.05%から0.80%まで増加させていくと、酸化物薄膜電極の格子定数が3.905Åから4.030Åまで大きくなり、酸化物薄膜電極の格子定数を、その上に成膜する圧電電歪膜の格子定数になるべく近い所望の格子定数に合わせることが可能である。
【0047】
また、上記の酸化物薄膜電極の膜厚が50nmから5000nmの範囲で、好ましくは100nmから2000nmの範囲であるとよい。酸化物薄膜電極の膜厚が50nm以下では、下部電極として十分な導電性を確保し得ない。また、5000nm以上では、酸化物薄膜電極の表面粗度が大きいため、機械的に研磨処理を施す必要がある。このとき酸化物薄膜電極の結晶性および導電性が劣化する可能性がある。
【0048】
また、上記の酸化物薄膜電極の基板面の結晶方位が(010),(101),(110),(111)であるとよい。下部電極である酸化物薄膜電極の基板面の結晶方位が(010),(101),(110),(111)であるとき、上部に成膜される圧電電歪膜がエピタキシャル成長し、圧電電歪膜の結晶方位がそれぞれ(100),(001),(010),(101),(110),(111)となる。なお、圧電電歪膜の圧電電歪特性は、結晶方位が(001),(111)のときに特に良好である。
【0049】
また、上記の酸化物薄膜電極の結晶配向率が90%以上であるとよい。結晶配向率とは、XRD(X線回折)のθ―2θ測定により膜のピーク強度比による割合である。酸化物薄膜電極の結晶配向率が90%以下のとき、10%以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、良好な電気特性を阻害するばかりでなく、上部に成膜する圧電電歪膜の結晶性を劣化させる可能性がある。より好ましくは下部電極である酸化物薄膜電極の結晶配向率が95%以上であるとよい。
【0050】
圧電体を構成する圧電電歪膜は、Pbを含み、Zr,Ti,Ni,Nb,Mg,Zn,Scのうち少なくとも1種類の元素を含む単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物薄膜であるのが望ましい。
【0051】
本発明で使用する単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜(圧電電歪膜)の物質としては以下のものが選択できる。
【0052】
例えば、PZT [Pb(ZrxTi1-x)O3]、PMN [Pb(MgxNb1-x)O3]、PNN
[Pb(NbxNi1-x)O3]、PSN [Pb(ScxNb1-x)O3]、PZN
[Pb(ZnxNb1-x)O3]、PMN-PT {(1-y)[Pb(MgxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]},PSN-PT
{(1-y)[Pb(ScxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]},PZN-PT
{(1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]}である。
【0053】
ここで、xおよびyは1以下の0以上の数である。例えば、PZTの場合xは0.3〜0.7で、PMNではxは0.2〜0.5で、PSNではxは0.4〜0.7が好ましく、PMN−PTのyは0.2〜0.4、PSN−PTのyは0.35〜0.5、PZN−PTのyは0.03〜0.35が好ましい。
【0054】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜は単一組成であってもよいし、2種類以上の組み合わせでもよい。また、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であってもよい。
【0055】
そして、上記の圧電電歪膜の結晶配向率が90%以上であるとよい。圧電電歪膜の結晶配向率が90%以下のとき、10%以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、このことがアクチュエータの圧電電歪特性を劣化させる原因となる可能性がある。
【0056】
また、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が菱面体晶あるいは正方晶であるとよい。すなわち、単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜がアクチュエータおよび液体噴射ヘッドを機能させるために十分な駆動を得られる圧電電歪特性を持つためには、その結晶系が菱面体晶あるいは正方晶である必要がある。
【0057】
単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚は、100nm以上10μm以下であるとよい。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜をアクチュエータおよび液体噴射ヘッドに用いる際、繰り返し駆動により発生する応力に耐えうる材料である必要がある。単一配向結晶あるいは単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が100nm以下であるときは、駆動を繰り返して行うと欠陥から破損する可能性がある。より好ましくは500nm以上8μm以下である。
【0058】
次に本発明による、上記の単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の電極を下部電極として用いたアクチュエータの具体的な層構成を列挙する。層構成の表示は、上部電極//圧電電歪膜//下部電極/振動板となっている。
【0059】
例1 Pt/Ti//PZT(001)//La-STO(100)//YSZ(111)/Si(111)
例2 Au//PZT(001)//La-STO(100)//YSZ(111)/Si(111)
例3 La-STO(100)//PZT(001)//La-STO(100)//YSZ(111)/Si(111)
例4 Pt/Ti //PZT(001)//La-STO(100)/Si(111)
例5 Au//PZT(001)//La-STO(100)/Si(111)
例6 La-STO(100)//PZT(001)//La-STO(100)/Si(111)
例7 Pt/Ti//PZT(111)//La-STO(111)//YSZ(100)/Si(100)
例8 Au//PZT(111)//La-STO(111)//YSZ(100)/Si(100)
例9 La-STO(111)//PZT(111)//La-STO(111)//YSZ(100)/Si(100)
例10 Pt/Ti//PZT(111)//La-STO(111)//Si(100)
例11 Au//PZT(111)//La-STO(111)//Si(100)
例12 La-STO(111)//PZT(111)//La-STO(111)//Si(100)
【0060】
上記具体例としては圧電電歪膜をPZTあるいはPZT/PTの積層構造を例示したが、これらが前述のPMN,PZN,PSN,PNN,PMN−PT,PSN−PT,PZN−PTに適宜変更させた層構成でもよい。例えば、
Pt/Ti//PMN(001)/PT(001)//La-STO(100)//YSZ(100)/Si(100)、
Au//PMN-PT(001)//La-STO(100)//YSZ(100)/Si(100)、
La-STO(100)//PMN-Pt(001)/PT(001)//La-STO(100)//YSZ(100)/Si(100)等である。
【0061】
なお、( )で示した結晶方位は前述したように優先配向する結晶配向を示している。
【0062】
上記の液体噴射ヘッドの製造方法は、本体基板部を構成するSi基板上に振動板を成膜する工程と、振動板上に下部電極である上記の酸化物薄膜電極を成膜する工程と、酸化物薄膜電極上にペロブスカイト型の圧電電歪膜を成膜する工程と、ペロブスカイト型の圧電電歪膜上に上部電極を成膜する工程と、Si基板に圧力室を形成する工程と、液吐出口を形成したノズルプレートを圧力室に接合する工程を含む。
【0063】
酸化物薄膜電極を成膜する工程は、スパッタ法、MOCVD法、Sol−Gel法、MBE法、水熱合成法等の方法でLaをドープされたSrおよびTiを含む酸化物薄膜をエピタキシャル成長させる工程である。
【0064】
酸化物薄膜電極上にペロブスカイト型の圧電電歪膜を成膜する工程は、スパッタ法、MOCVD法、Sol−Gel法、MBE法、水熱合成法等の方法でペロブスカイト型圧電電歪材料をエピタキシャル成長させる工程である。
【0065】
ペロブスカイト型の圧電電歪膜上に上部電極を成膜する工程は、スパッタ法、蒸着法などの気相法、メッキ法などの液相法により成膜する工程である。
【0066】
Si基板に圧力室を形成する工程は、例えば、異方性エッチングを利用したウェットエッチングやICP、リーガプロセス、ボッシュプロセス等のドライエッチングを用いてSi基板へ圧力室を形成する工程である。また、圧力室の形状は、長方形、円形、楕円形等各種選択することができる。また、サイドシューターの場合の圧力室の断面形状をノズル方向に絞った形状にすることもできる。
【0067】
吐出口を形成したノズルプレートを圧力室に接合する工程は、例えばノズルが空けられたノズルプレートを各圧力室部に対応して接合する工程である。また、レジスト材料等でノズルを形成してもよい。また、ポリマー基板を張り合わせた後にレーザー加工により各圧力室に対応してノズルを形成してもよい。
【0068】
本実施の形態によるアクチュエータは、圧電体を構成する圧電電歪膜が単一配向結晶あるいは単結晶であるために、微細で吐出力が大きく、かつ高周波数に対応できる液体噴射ヘッドを実現できる。
【0069】
次に実施例を説明する。
【0070】
〔実施例1、参考例1〜3〕
図2に示す構成のアクチュエータにおいて、下部電極のSrTiO3へのLaドープ濃度を0.08%、0.80%、8.00%、0.04%として、それぞれ実施例1、参考例1、2、3のアクチュエータを製作した。
【0071】
作製方法は、先ず、Si基板にスパッタ法などで振動板を成膜した。このとき、基板を加熱し、500℃以上の温度を保持しながら、成膜することによって、振動板はエピタキシャル成長し、単結晶化あるいは単一配向することができた。さらに、同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、単結晶あるいは単一配向結晶の酸化物薄膜電極を得ることができた。同様の方法で下部電極上に圧電電歪膜を成膜することで、単結晶薄膜あるいは単一配向結晶の薄膜からなる圧電体(PZT)を得ることができた。上部電極も、同様に成膜した。次に、基体であるSi基板をウェットの異方性エッチングによって、後方から中央部を取り除き図2のアクチュエータを作製した。
【0072】
表1に下部電極を構成するSrTiO3(STO)へのLaドープ濃度とLa−STOの格子定数の関係、圧電体であるPZTの配向率との関係、PZTの結晶系を示す。実施例1、参考例1、2、3の各層の構成、膜厚はいずれも次に示す通りである。なお、( )は優先配向方向、[ ]は膜厚である。
【0073】
上部電極Pt[0.25μm]/Ti[0.05μm]//圧電電歪膜PZT(001)[3μm]//下部電極La−STO(100)[0.5μm]//振動板YSZ(100)[2μm]/基板Si(100)[600μm]
【0074】
【表1】
【0075】
表1のSrTiO3 へのLaドープ濃度の変化とLa−STOの格子定数の関係から、Laドープ濃度の増加とともにLa−STOの格子定数は大きくなることがわかった。さらに、Laドープ濃度の変化とPZTの配向率との関係から、Laドープ濃度の増加とともに配向率が大きくなることがわかった。また、Laドープ濃度が0.05%以下である0.04%の時の配向率は89%であり、90%以下であった。また、結晶系は全て正方晶であった。
【0076】
表2に各アクチュエータに20V印加したときの変位量を示す。この表により、Laドープ濃度が0.08%の実施例1の変位量は278nm、同様に0.80%の参考例1は469nm、8.0%の参考例2は378nmであった。また、Laドープ濃度が0.05%以下である0.04%の参考例3に20V印加したときの変位量は42nmであり、実施例1、参考例1、2、3と同程度の変位量を得るためには60V印加する必要があった。60V印加の時は、変位量は312nmであった。
【0077】
【表2】
【0078】
〔実施例2、参考例4〜6〕
実施例1、参考例1、2、3のアクチュエータを用いて図3に示す構成の液体噴射ヘッドを製作し、それぞれ実施例2、参考例4、5、6とした。
【0079】
各膜の膜厚は、前述と同様に、上部電極0.3μm/圧電電歪膜3μm/下部電極0.5μm/振動板2μm/基板600μmである。また、180dpiを実現するために圧力室の幅は90μm、圧力室壁の幅は50μmとした。
【0080】
表3に各液体噴射ヘッドのアクチュエータに20V、10kHzで印加したときのインク液滴の吐出量と吐出速度を示す。
【0081】
【表3】
【0082】
実施例2、参考例4、5の液体噴射ヘッドにおいて、それぞれ吐出量12〜17pl、吐出速度12〜14m/secを得ることができた。
【0083】
また、参考例6のアクチュエータの下部電極のLaドープ濃度が0.05%以下である0.04%の液体噴射ヘッドに20V印加したときの吐出量は8pl、吐出速度は8m/secとなり、実施例2、参考例4、5の吐出量、吐出速度よりも小さい値となった。参考例6の液体噴射ヘッドにおいて実施例2、参考例4、5と同程度の吐出量、吐出速度を得るためには60V印加する必要があった。60V印加の時、吐出量12pl、吐出速度12m/secであった。
【0084】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【0085】
下部電極として、LaのドープされたSrおよびTiを含む単一配向結晶あるいは単結晶のSrTiO 3 薄膜を用いることによって、下部電極上にペロブスカイト型等の圧電電歪膜を再現性よく安定してエピタキシャル成長させることができた。
【0086】
このような単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜の圧電体および電極を積層することで、圧電体が薄くても圧電電歪特性を損なうことなく、しかも積層構造の強度および密着性も高く、従って耐久性も十分で大きな変位を得ることができる超小型のアクチュエータを実現できる。
【0087】
このようなアクチュエータを用いることで、極めて高密度で高性能な液体噴射ヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施の形態による液体噴射ヘッドを示す斜視図である。
【図2】 図1の装置のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図3】 図1の液体噴射ヘッドの断面構造を示す一部破断部分斜視図である。
【符号の説明】
1 本体基板部
2 液吐出口
3 圧力室
4 ノズルプレート
10 アクチュエータ
11 振動板
12 圧電体
13 下部電極
14 上部電極
Claims (8)
- 基体上に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記2つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、Laがドープされた単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜であって、該SrTiO3薄膜へのLaのドープ濃度が0.05atm%から0.08atm%の範囲であり、前記圧電体が前記SrTiO3薄膜から直接エピタキシャル成長した単一配向結晶または単結晶の、PZTからなる酸化物圧電電歪薄膜であることを特徴とするアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜の電極の膜厚が50nmから5000nmの範囲であることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜の電極の結晶方位が(010)、(101)、(110)および(111)のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1または2記載のアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜の電極の結晶配向率が95%以上であることを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載のアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶配向率が90%以上であることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の結晶系が、菱面体晶または正方晶であることを特徴とする請求項1または5記載のアクチュエータ。
- 単一配向結晶または単結晶の酸化物圧電電歪薄膜の膜厚が、500nm以上10μm以下であることを特徴とする請求項5または6記載のアクチュエータ。
- 液吐出口に連通する圧力室を有する本体部と、前記圧力室に対応するように前記本体部に接合されたアクチュエータと、を有する液体噴射ヘッドにおいて、
前記アクチュエータは、前記本体部に振動板、下部電極、圧電体および上部電極を順次積層した積層構造を有し、前記2つの電極のうちの少なくとも前記下部電極は、Laがドープされた単一配向結晶または単結晶のSrTiO3薄膜であって、該SrTiO3薄膜へのLaのドープ濃度が0.05atm%から0.08atm%の範囲であり、前記圧電体が前記SrTiO3薄膜から直接エピタキシャル成長した単一配向結晶または単結晶の、PZTからなる酸化物圧電電歪薄膜であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
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