JP5338239B2 - Liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、下電極、圧電体層及び上電極を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric actuator including a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode.
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層としては、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いたものが提案されている（特許文献１参照）。 A piezoelectric element used for a liquid ejecting head or the like is an element in which a piezoelectric layer made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function is sandwiched between two electrodes, and the piezoelectric layer includes lead, zirconium, and titanium. For example, the thing using lead zirconate titanate (PZT) etc. is proposed (refer to patent documents 1).
しかしながら、この圧電体層を用いて圧電素子を設けたとしても、十分な変位を得ることができなかった。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載される圧電アクチュエータにおいても同様に存在する。 However, even if a piezoelectric element is provided using this piezoelectric layer, a sufficient displacement cannot be obtained. Such a problem is not limited to a liquid jet head typified by an ink jet recording head, and similarly exists in piezoelectric actuators mounted in other apparatuses.
本発明はこのような事情に鑑み、変位特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric actuator having improved displacement characteristics.
上記課題を解決する本発明の態様は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向しており、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物であるバリウム鉛酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きく、前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。なお、本発明において、「上電極」や「下電極」なる表現を用いているが、これは、単に圧電体層７０の両側の一方と他方とを特定するために用いているものであり、流路形成基板に対する配置のことではない。
また、バリウム鉛酸化物を含む第二電極層とすることで、バリウム鉛酸化物の格子定数はランタンニッケル酸化物の格子定数よりも大きいため、ランタンニッケル酸化物上に直接設けた圧電体層よりも、第二電極層上の圧電体層の面内の格子定数を引き伸ばすことができる。
さらに、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層は、自然配向によって（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層及び圧電体層を（１００）面に優先配向させることができる。
また、第二電極層上に単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向している圧電体層を設けるので優れた変位特性とすることができる。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting droplets is formed, a lower electrode, and a piezoelectric layer formed on the lower electrode. An upper electrode formed on a side opposite to the lower electrode of the piezoelectric layer, and a piezoelectric element that generates a pressure in the pressure generation chamber and discharges a droplet from the nozzle opening. The piezoelectric layer has a monoclinic perovskite structure and is preferentially oriented in the (100) plane, and the lower electrode includes a first electrode layer containing lanthanum nickel oxide and the first electrode layer. A second electrode layer formed on the piezoelectric layer side of one electrode layer and containing barium lead oxide, which is a transition metal oxide having a perovskite structure, and an in-plane lattice of the second electrode layer The constant is larger than the lattice constant in the plane of the first electrode layer, and the piezoelectric Much larger than the lattice constant of the plane of the layer, the first electrode layer is a liquid-jet head, characterized in that it is preferentially oriented in the (100) plane.
In this aspect, since the piezoelectric layer is provided on the second electrode layer having a large lattice constant, the piezoelectric layer has a large lattice constant in the in-plane direction, and the displacement characteristics can be improved. In addition, the first electrode layer containing lanthanum nickel oxide can preferentially orient the piezoelectric layer in the (100) plane, and a piezoelectric layer having excellent displacement characteristics can be obtained. In the present invention, the expressions “upper electrode” and “lower electrode” are used, but this is simply used to specify one of the two sides of the piezoelectric layer 70 and the other, It is not an arrangement with respect to the flow path forming substrate.
Moreover, since the lattice constant of barium lead oxide is larger than the lattice constant of lanthanum nickel oxide by using the second electrode layer containing barium lead oxide, the piezoelectric layer directly provided on the lanthanum nickel oxide is used. Also, the in-plane lattice constant of the piezoelectric layer on the second electrode layer can be extended.
Furthermore, the first electrode layer containing lanthanum nickel oxide is preferentially oriented to the (100) plane by natural orientation, and the second electrode layer and the piezoelectric layer formed thereon are preferentially oriented to the (100) plane. Can do.
Further, since a piezoelectric layer having a monoclinic perovskite structure and preferentially oriented in the (100) plane is provided on the second electrode layer, excellent displacement characteristics can be obtained.
また、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、優れた変位特性の圧電素子とすることができると共に、第二電極層としてバリウム鉛酸化物を用いた場合には、圧電体層の成分が下電極側に拡散するのを抑制することができ、且つ下電極の成分が圧電体層側に拡散するのを抑制することができる。 The piezoelectric layer preferably contains lead, zirconium and titanium. According to this, a piezoelectric element having excellent displacement characteristics can be obtained, and when barium lead oxide is used as the second electrode layer, it is possible to suppress the diffusion of the piezoelectric layer component to the lower electrode side. It is possible to suppress the diffusion of the component of the lower electrode to the piezoelectric layer side.
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、低い駆動電圧で、重量の大きな液滴を吐出可能な液体噴射ヘッドを実現できる。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect.
In this aspect, it is possible to realize a liquid ejecting head capable of ejecting a large droplet with a low driving voltage.
また、本発明の他の態様は、下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備えた圧電素子を具備する圧電アクチュエータであって、前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向しており、前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物であるバリウム鉛酸化物を含む第二電極層と、を有し、前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きく、前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
かかる態様では、格子定数の大きな第二電極層上に圧電体層を設けるので、面内方向の格子定数が大きな圧電体層となり、変位特性を向上することができる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層によって圧電体層を（１００）面に優先配向させることができ、優れた変位特性を有する圧電体層とすることができる。
また、バリウム鉛酸化物を含む第二電極層とすることで、バリウム鉛酸化物の格子定数はランタンニッケル酸化物の格子定数よりも大きいため、ランタンニッケル酸化物上に直接設けた圧電体層よりも、第二電極層上の圧電体層の面内の格子定数を引き伸ばすことができる。
さらに、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層は、自然配向によって（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層及び圧電体層を（１００）面に優先配向させることができる。
また、第二電極層上に単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向している圧電体層を設けるので優れた変位特性とすることができる。
Another aspect of the invention includes a lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode. A piezoelectric actuator comprising a piezoelectric element, wherein the piezoelectric layer has a monoclinic perovskite structure and is preferentially oriented in the (100) plane, and the lower electrode is made of lanthanum nickel oxide And a second electrode layer formed on the piezoelectric layer side of the first electrode layer and containing a barium lead oxide that is a transition metal oxide having a perovskite structure, lattice constant in the plane of the second electrode layer is larger than the lattice constant in the plane of the first electrode layer, and the much larger than the lattice constant of the plane of the piezoelectric layer, the first electrode layer a piezoelectric actuator, characterized in that it is preferentially oriented in the (100) plane Located in.
In this aspect, since the piezoelectric layer is provided on the second electrode layer having a large lattice constant, the piezoelectric layer has a large lattice constant in the in-plane direction, and the displacement characteristics can be improved. In addition, the first electrode layer containing lanthanum nickel oxide can preferentially orient the piezoelectric layer in the (100) plane, and a piezoelectric layer having excellent displacement characteristics can be obtained.
Moreover, since the lattice constant of barium lead oxide is larger than the lattice constant of lanthanum nickel oxide by using the second electrode layer containing barium lead oxide, the piezoelectric layer directly provided on the lanthanum nickel oxide is used. Also, the in-plane lattice constant of the piezoelectric layer on the second electrode layer can be extended.
Furthermore, the first electrode layer containing lanthanum nickel oxide is preferentially oriented to the (100) plane by natural orientation, and the second electrode layer and the piezoelectric layer formed thereon are preferentially oriented to the (100) plane. Can do.
Further, since a piezoelectric layer having a monoclinic perovskite structure and preferentially oriented in the (100) plane is provided on the second electrode layer, excellent displacement characteristics can be obtained.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the ink jet recording head.
図１及び図２に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the flow path forming substrate 10 of this embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。 A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a reservoir part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a reservoir that serves as a common ink chamber for the pressure generating chambers 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path.
なお、本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。 In this embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。 Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。 On the other hand, the elastic film 50 is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 as described above, and the insulator film 55 is formed on the elastic film 50. Further, the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80 are laminated on the insulator film 55 to constitute the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. In addition, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, and the lower electrode film 60 function as a diaphragm. However, the present invention is not limited to this, and for example, the elastic film 50 and the insulator film 55 are provided. Instead, only the lower electrode film 60 may act as a diaphragm. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ３で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有する結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３で、ｘが０．５のＰＺＴを用いた。つまり、圧電体層７０は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだものを用いた。 The piezoelectric layer 70 is a crystal film having a perovskite structure made of an oxide piezoelectric material represented by the general formula ABO 3 having a polarization structure formed on the lower electrode film 60. As the piezoelectric layer 70, for example, a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or a material obtained by adding a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide, or magnesium oxide to the ferroelectric material is suitable. Specifically, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La), TiO 3 ) ), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), lead magnesium titanate zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ), etc. Can do. In the present embodiment, PZT made of Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 and x of 0.5 is used as the piezoelectric layer 70. That is, the piezoelectric layer 70 used contains lead, zirconium and titanium.
また、圧電体層７０は、結晶が（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、単斜晶系（monoclinic）となっている。なお、本発明で「結晶が（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、９０％以上）が（１００）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、単斜晶系（monoclinic）となっている」とは、全ての結晶が単斜晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が単斜晶系であり、単斜晶系ではない残りの結晶が菱面体晶系（rhombohedral）あるいは正方晶系（tetragonal）である場合と、を含むものである。 In the piezoelectric layer 70, crystals are preferentially oriented in the (100) plane, and the crystal structure is monoclinic. In the present invention, “crystals are preferentially oriented in the (100) plane” means that all crystals are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 90% or more) are ( 100) oriented in the plane. In the present invention, “the crystal structure is monoclinic” means that all crystals are monoclinic and almost all crystals (for example, 90% or more). This includes the case where the remaining crystals that are monoclinic and are not monoclinic are rhombohedral or tetragonal.
さらに、圧電体層７０は、分極方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向）に対して所定角度（５０〜６０°）傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the piezoelectric layer 70 has an engineered domain arrangement in which the polarization direction is inclined at a predetermined angle (50 to 60 °) with respect to the direction perpendicular to the film surface (the thickness direction of the piezoelectric layer 70).
圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。 The piezoelectric layer 70 is formed thick enough to suppress the thickness so as not to generate cracks in the manufacturing process and to exhibit sufficient displacement characteristics. For example, in this embodiment, the piezoelectric layer 70 is formed with a thickness of about 1 to 2 μm.
また、圧電体層７０の製造方法は特に限定されず、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成することができる。もちろん、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい
。
The method for manufacturing the piezoelectric layer 70 is not particularly limited. For example, a piezoelectric layer made of a metal oxide can be obtained by applying and drying a so-called sol in which an organometallic compound is dissolved and dispersed in a solvent, gelling, and baking at a high temperature. The piezoelectric layer 70 can be formed by using a so-called sol-gel method for obtaining the body layer 70. Of course, the manufacturing method of the piezoelectric layer 70 is not limited to the sol-gel method, and for example, a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sputtering method may be used.
下電極膜６０は、流路形成基板１０側に設けられてランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、第一電極層６１の圧電体層７０側に設けられて、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含む第二電極層６２とで構成されている。 The lower electrode film 60 is provided on the flow path forming substrate 10 side and includes a first electrode layer 61 containing lanthanum nickel oxide, and is provided on the piezoelectric layer 70 side of the first electrode layer 61 and has a perovskite structure. And a second electrode layer 62 containing a transition metal oxide.
第一電極層６１は、厚さが例えば１００ｎｍのランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）を含む。ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、結晶が（１００）面に優先配向した導電性材料として用いられている。なお、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）は、二次元の方向に異方性があるランタン（Ｌａ）の層状化合物であるため、（１００）面に自然配向すると考えられる。 The first electrode layer 61 includes lanthanum nickel oxide (LNO) having a thickness of, for example, 100 nm. Lanthanum nickel oxide (LNO) is used as a conductive material in which crystals are preferentially oriented in the (100) plane. Note that lanthanum nickel oxide (LNO) is a layered compound of lanthanum (La) having anisotropy in a two-dimensional direction and is therefore considered to be naturally oriented in the (100) plane.
ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）の格子定数は、ＡＢＯ３のキュービック表示において、３．８７Åであり、圧電体層７０であるＰＺＴの代表的な格子定数４．１０Åに比べて小さいものである。なお、ランタンニッケル酸化物としては、例えば、ＬａＮｉＯ３が挙げられるが、たとえ他の組成比のランタンニッケル酸化物であったとしても、Ｂサイトにはイオン半径の比較的小さなニッケル（Ｎｉ）が存在するため、比較的大きなイオン半径を有するジルコニウムやチタンなどがＢサイトに存在する圧電体層７０の格子定数よりも小さくなると考えられる。また、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１は、薄すぎると、（１００）面に優先配向したペロブスカイト型構造を有するものにならないため、例えば、１００ｎｍ程度は必要である。 The lattice constant of lanthanum nickel oxide (LNO) is 3.87Å in the cubic display of ABO 3 and is smaller than the typical lattice constant of PZT which is the piezoelectric layer 70 is 4.10Å. As the lanthanum nickel oxide, for example, LaNiO 3 can be cited. Even if the lanthanum nickel oxide has other composition ratio, nickel (Ni) having a relatively small ionic radius exists in the B site. Therefore, it is considered that zirconium, titanium, or the like having a relatively large ionic radius is smaller than the lattice constant of the piezoelectric layer 70 existing at the B site. Further, if the first electrode layer 61 containing lanthanum nickel oxide is too thin, the first electrode layer 61 does not have a perovskite structure preferentially oriented in the (100) plane.
第二電極層６２は、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物を含み、第一電極層６１の面内の格子定数よりも大きく、且つ圧電体層７０の面内の格子定数よりも大きい材料が用いられる。このような第二電極層６２の材料としては、例えば、バリウム鉛酸化物（一例としてＢａＰｂＯ３）が挙げられる。 The second electrode layer 62 includes a transition metal oxide having a perovskite structure, and is made of a material larger than the in-plane lattice constant of the first electrode layer 61 and larger than the in-plane lattice constant of the piezoelectric layer 70. Used. Examples of the material of the second electrode layer 62 include barium lead oxide (BaPbO 3 as an example).
なお、バリウム鉛酸化物は、厚すぎると、結晶が（１１０）面に優先配向してしまうため、結晶が（１００）面に優先配向する程度の厚さで形成することが好ましく、バリウム鉛酸化物の厚さは、１μｍ以下とするのが好適である。さらに、１００ｎｍ程度が好ましい。 If the barium lead oxide is too thick, the crystal is preferentially oriented in the (110) plane. Therefore, the barium lead oxide is preferably formed to a thickness that allows the crystal to be preferentially oriented in the (100) plane. The thickness of the compound is preferably 1 μm or less. Furthermore, about 100 nm is preferable.
また、面内の格子定数とは、圧電体層７０の下面、すなわち、圧電体層７０と下電極膜６０との界面に水平な方向の格子定数のことを言う。 The in-plane lattice constant refers to a lattice constant in a direction horizontal to the lower surface of the piezoelectric layer 70, that is, the interface between the piezoelectric layer 70 and the lower electrode film 60.
また、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）は、格子定数が４．２５Åであり、このバリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２上には、圧電体層７０をその格子定数を面内に引き伸ばして形成して、圧電体層７０の面内の格子定数を大きくしている。すなわち、第一電極層６１上に圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１の格子定数（３．８７Å）により圧電体層７０の面内の格子定数が収縮し、圧電体層７０は、一般的なＰＺＴの格子定数（４．１０Å）よりも小さな格子定数となってしまう。これに対して、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２は、金属であり、強誘電性を示さない。したがって、ＰＺＴなどの圧電体層７０とは異なり、ヤング率が２００ＧＰａ程度と硬く、面内格子定数は下地となる第一電極層６１（ＬＮＯ）の影響を受け難い。すなわち、第二電極層６２は、下地となる第一電極層６１の（１００）面の優先配向のみを受け継ぎ、第二電極層６２の格子定数は、バリウム鉛酸化物のバルクの格子定数に近い面内格子定数（例えば、４．２５Å）と、第一電極層６１及び圧電体層７０よりも大きくすることができる。これにより、第二電極層６２上に圧電体層７０を形成することで、圧電体層７０の面内の格子定数を４．１５Å程度に引き伸ばすことができる。 Further, barium lead oxide (BaPbO 3 ) has a lattice constant of 4.25 Å. On the second electrode layer 62 containing this barium lead oxide (BaPbO 3 ), the piezoelectric layer 70 has the lattice constant. The lattice constant in the plane of the piezoelectric layer 70 is increased by extending the film in the plane. That is, when the piezoelectric layer 70 is formed on the first electrode layer 61, the lattice constant in the surface of the piezoelectric layer 70 is contracted by the lattice constant (3.87Å) of the first electrode layer 61, and the piezoelectric layer 70 Therefore, the lattice constant is smaller than the lattice constant of general PZT (4.10Å). On the other hand, the second electrode layer 62 containing barium lead oxide (BaPbO 3 ) is a metal and does not exhibit ferroelectricity. Therefore, unlike the piezoelectric layer 70 such as PZT, the Young's modulus is as hard as about 200 GPa, and the in-plane lattice constant is not easily affected by the first electrode layer 61 (LNO) serving as a base. That is, the second electrode layer 62 inherits only the preferential orientation of the (100) plane of the first electrode layer 61 serving as the base, and the lattice constant of the second electrode layer 62 is close to the bulk lattice constant of barium lead oxide. The in-plane lattice constant (for example, 4.25 mm) can be made larger than the first electrode layer 61 and the piezoelectric layer 70. Thus, by forming the piezoelectric layer 70 on the second electrode layer 62, the in-plane lattice constant of the piezoelectric layer 70 can be extended to about 4.15 mm.
このように、圧電体層７０の面内の格子定数を比較的大きくすることで、圧電体層７０の圧電特性を向上することができる。また、第一電極層６１及び第二電極層６２を含む下電極膜６０上に、（１００）面に優先配向した圧電体層７０を形成することができる。すなわち、第一電極層６１は（１００）面に優先配向し、その上に形成された第二電極層６２も（１００）面に優先配向しているため、圧電体層７０を第二電極層６２上にエピタキシャル成長により形成することで、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができる。ここで、例えば、下電極膜６０として、遷移金属酸化物からなる第二電極層６２のみを設けた場合、第二電極層６２は、（１００）面に優先配向しない可能性がある。 As described above, by relatively increasing the in-plane lattice constant of the piezoelectric layer 70, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 70 can be improved. In addition, the piezoelectric layer 70 preferentially oriented in the (100) plane can be formed on the lower electrode film 60 including the first electrode layer 61 and the second electrode layer 62. That is, the first electrode layer 61 is preferentially oriented in the (100) plane, and the second electrode layer 62 formed thereon is also preferentially oriented in the (100) plane. By forming it on 62 by epitaxial growth, the piezoelectric layer 70 can be preferentially oriented in the (100) plane. Here, for example, when only the second electrode layer 62 made of a transition metal oxide is provided as the lower electrode film 60, the second electrode layer 62 may not be preferentially oriented in the (100) plane.
本実施形態では、（１００）面に優先配向した第一電極層６１によって、圧電体層７０を（１００）面に優先配向させることができると共に、第二電極層６２によって、圧電体層７０の面内の格子定数を引き伸ばすことができ、変位特性や耐久性などの圧電特性に優れた圧電素子３００を実現できる。これにより、低電圧で圧電素子３００を駆動しても、ノズル開口２１から重量の大きなインク滴を吐出させることができる。 In the present embodiment, the piezoelectric layer 70 can be preferentially oriented to the (100) plane by the first electrode layer 61 preferentially oriented to the (100) plane, and the piezoelectric layer 70 can be preliminarily oriented to the second electrode layer 62. The in-plane lattice constant can be extended, and the piezoelectric element 300 having excellent piezoelectric characteristics such as displacement characteristics and durability can be realized. Accordingly, even when the piezoelectric element 300 is driven with a low voltage, a heavy ink droplet can be ejected from the nozzle opening 21.
なお、第二電極層６２は、導電性を有するため電極として機能するため、第一電極層６１の厚さを比較的薄く形成することができる。すなわち、例えば、第一電極層６１のみが電極として機能し、第二電極層６２が電極として機能しない場合には、電気抵抗の問題から第一電極層６１を比較的厚く形成する必要があり、高コストになってしまう。 Since the second electrode layer 62 has conductivity and functions as an electrode, the first electrode layer 61 can be formed relatively thin. That is, for example, when only the first electrode layer 61 functions as an electrode and the second electrode layer 62 does not function as an electrode, it is necessary to form the first electrode layer 61 relatively thick due to the problem of electrical resistance. It becomes expensive.
また、下電極膜６０の第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物を用いることで、圧電体層７０の成分が下電極膜６０側に拡散して不具合が発生するのを抑制すると共に、下電極膜６０の成分が圧電体層７０側に拡散して不具合が発生するのを抑制することができる。すなわち、例えば、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接圧電体層７０を形成すると、第一電極層６１のランタン（Ｌａ）やニッケル（Ｎｉ）が圧電体層７０側に拡散してしまうと共に、圧電体層７０の鉛（Ｐｂ）等の成分が第一電極層６１側に拡散してしまう。 In addition, by using barium lead oxide as the second electrode layer 62 of the lower electrode film 60, it is possible to prevent the components of the piezoelectric layer 70 from diffusing to the lower electrode film 60 side and causing a problem, and It is possible to suppress the occurrence of defects due to the diffusion of the components of the electrode film 60 toward the piezoelectric layer 70 side. That is, for example, when the piezoelectric layer 70 is formed directly on the first electrode layer 61 containing lanthanum nickel oxide, lanthanum (La) and nickel (Ni) of the first electrode layer 61 are diffused to the piezoelectric layer 70 side. In addition, components such as lead (Pb) in the piezoelectric layer 70 diffuse to the first electrode layer 61 side.
これに対して、第二電極層６２として、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を用いることで、第二電極層６２のイオン半径の大きなバリウム（Ｂａ）は、圧電体層７０側に拡散することなく、また、拡散したとしても、バリウム（Ｂａ）は圧電材料としても使用される材料であるため特に問題にならない。また、第二電極層６２の鉛（Ｐｂ）が圧電体層７０側に拡散したとしても、圧電体層７０は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、第二電極層６２から拡散された鉛による不具合が発生することがない。また、圧電体層７０の成分である鉛（Ｐｂ）も同様に、第二電極層６２側に拡散されたとしても、第二電極層６２は元から鉛（Ｐｂ）を含有するため、圧電体層７０から拡散された鉛による不具合が発生することがない。ちなみに、第二電極層６２の下地となるランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１の成分は、第二電極層６２によって、圧電体層７０側に拡散し難いものである。 In contrast, by using barium lead oxide (BaPbO 3 ) as the second electrode layer 62, barium (Ba) having a large ionic radius of the second electrode layer 62 is diffused to the piezoelectric layer 70 side. Even if diffused, barium (Ba) is not particularly problematic because it is a material used also as a piezoelectric material. Moreover, even if the lead (Pb) of the second electrode layer 62 diffuses to the piezoelectric layer 70 side, the piezoelectric layer 70 originally contains lead (Pb), so that the lead diffused from the second electrode layer 62 Will not cause problems. Similarly, even if lead (Pb), which is a component of the piezoelectric layer 70, is diffused to the second electrode layer 62 side, the second electrode layer 62 originally contains lead (Pb). There is no problem caused by lead diffused from the layer 70. Incidentally, the component of the first electrode layer 61 containing lanthanum nickel oxide serving as the base of the second electrode layer 62 is difficult to diffuse to the piezoelectric layer 70 side by the second electrode layer 62.
（実施例）
ここで、（１１０）面に優先配向したシリコンウェハ上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり厚さが１０００ｎｍの弾性膜５０と、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが５００ｎｍの絶縁体膜５５とを設け、絶縁体膜５５上に下電極膜６０として、上述した実施形態１と同様に、ランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）からなり厚さが１００ｎｍの第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）からなり厚さが４０ｎｍの第二電極層６２とを設けた。そして、この下電極膜６０上にＰｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３となる圧電体層７０を形成した後、圧電体層７０上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが２００ｎｍの上電極膜８０を形成した。
(Example)
Here, an elastic film 50 made of silicon dioxide (SiO 2 ) and having a thickness of 1000 nm and an insulator film made of zirconium dioxide (ZrO 2 ) and having a thickness of 500 nm on a silicon wafer preferentially oriented in the (110) plane. 55, and as the lower electrode film 60 on the insulator film 55, a first electrode layer 61 made of lanthanum nickel oxide (LNO) and having a thickness of 100 nm, and barium lead acid, as in the first embodiment. A second electrode layer 62 made of a chemical compound (BaPbO 3 ) and having a thickness of 40 nm was provided. Then, after forming a piezoelectric layer 70 to be Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 3 on the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70 is made of iridium (Ir) and has a thickness of 200 nm. An upper electrode film 80 was formed.
なお、第一電極層６１及び第二電極層６２は、スパッタリング法により形成した。また、圧電体層７０は、ゾル−ゲル法により形成し、その焼成温度を７００℃とした。 The first electrode layer 61 and the second electrode layer 62 were formed by a sputtering method. The piezoelectric layer 70 was formed by a sol-gel method, and the firing temperature was 700 ° C.
（比較例）
比較のため、上述した実施例の第二電極層６２を形成しないもの、すなわち、下電極膜６０が第一電極層６１のみで構成される以外、上述した実施例と同じ構成のものを形成した。
(Comparative example)
For comparison, the second electrode layer 62 of the above-described embodiment is not formed, that is, the same structure as that of the above-described embodiment is formed except that the lower electrode film 60 is composed only of the first electrode layer 61. .
（試験例）
上述した実施例及び比較例における第一電極層６１、第二電極層６２及び圧電体層７０の格子定数を測定した。また、圧電素子３００の変位量を測定した。この結果を下記表１に示す。なお、格子定数は、膜の面内方向をａ軸、厚さ方向をｃ軸と表している。また、格子定数は、Ｘ線回折法（X-Ray Diffraction）により測定したＸ線の回折ピークにより求めた。また、面内方向の格子定数の測定には、in-plane法を用いた。変位量は、上下電極膜に電圧を印加して、圧電素子の変位量をレーザー変位計で測定した。
(Test example)
The lattice constants of the first electrode layer 61, the second electrode layer 62, and the piezoelectric layer 70 in the above-described examples and comparative examples were measured. Further, the displacement amount of the piezoelectric element 300 was measured. The results are shown in Table 1 below. In the lattice constant, the in-plane direction of the film is represented as the a axis and the thickness direction is represented as the c axis. The lattice constant was determined from an X-ray diffraction peak measured by an X-ray diffraction method. The in-plane method was used to measure the lattice constant in the in-plane direction. The displacement was measured by applying a voltage to the upper and lower electrode films and measuring the displacement of the piezoelectric element with a laser displacement meter.
表１に示すように、比較例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１上に直接形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．０８Åとなったのに対し、実施例のランタンニッケル酸化物を含む第一電極層６１と、バリウム鉛酸化物（ＢａＰｂＯ３）を含む第二電極層６２とで構成された下電極膜６０上に形成した圧電体層７０は、ａ軸の格子定数が４．１５Åと大きくなった。 As shown in Table 1, the piezoelectric layer 70 formed directly on the first electrode layer 61 containing the lanthanum nickel oxide of the comparative example has an a-axis lattice constant of 4.08 mm, whereas the example The piezoelectric layer 70 formed on the lower electrode film 60 composed of the first electrode layer 61 containing lanthanum nickel oxide and the second electrode layer 62 containing barium lead oxide (BaPbO 3 ) has an a-axis Has a large lattice constant of 4.15 Å.
また、圧電素子３００の変位量を測定したところ、ａ軸の格子定数が大きな圧電体層を有する実施例の圧電素子の方が、ａ軸の格子定数が小さな圧電体層を有する比較例の圧電素子に比べて大きな変位量となることが分かった。以上のことから、圧電体層７０の面内の格子定数が大きい方が、優れた変位特性を有するものであることが判明した。 Further, when the amount of displacement of the piezoelectric element 300 was measured, the piezoelectric element of the example having a piezoelectric layer having a large a-axis lattice constant was compared with the piezoelectric of the comparative example having a piezoelectric layer having a small a-axis lattice constant. It was found that the displacement amount was larger than that of the element. From the above, it has been found that the larger in-plane lattice constant of the piezoelectric layer 70 has better displacement characteristics.
また、実施例の圧電体層７０について、配向率と半価幅とを測定したところ、実施例の圧電体層７０は、（１００）面の配向率が９８％と高く、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって測定した（２００）面に由来するＸ線の回折ピークの半価幅が１２度となった。半価幅の値は小さいほど好ましく、結晶の配向揺らぎが小さいことを示している。下電極膜６０として、ランタンニッケル酸化物を用いない方法では、一般的に２０度以上となってしまう。ここで、Ｘ線回折法によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面及び（２００）面等に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」とは、Ｘ線回折法により測定されたＸ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅のことを言う。 Further, when the orientation rate and the half width were measured for the piezoelectric layer 70 of the example, the piezoelectric layer 70 of the example had a high (100) plane orientation rate of 98%, and the X-ray diffraction method ( The half width of the X-ray diffraction peak derived from the (200) plane measured by XRD was 12 degrees. The smaller the half-value width is, the more preferable, which indicates that the crystal orientation fluctuation is small. If the lanthanum nickel oxide is not used as the lower electrode film 60, it is generally 20 degrees or more. Here, when the piezoelectric layer 70 is measured by the X-ray diffraction method, peaks of diffraction intensity corresponding to the (100) plane and the (200) plane are generated. The “half-value width” refers to the half-value width of the peak intensity corresponding to each crystal plane of the rocking curve indicated by the X-ray diffraction chart measured by the X-ray diffraction method.
また、上電極膜８０は、例えば、厚さが２００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）を含む。この上電極膜８０は、圧電素子３００の個別電極として機能する。また、上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等を含むリード電極９０が接続されている。 The upper electrode film 80 includes, for example, iridium (Ir) having a thickness of 200 nm. The upper electrode film 80 functions as an individual electrode of the piezoelectric element 300. The upper electrode film 80 is connected to a lead electrode 90 including, for example, gold (Au), which is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extends to the insulator film 55. Yes.
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。 On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the lower electrode film 60, the insulator film 55, and the lead electrode 90, there is a reservoir portion 31 that constitutes at least a part of the reservoir 100. The protective substrate 30 is bonded via an adhesive 35. In the present embodiment, the reservoir portion 31 is formed through the protective substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generation chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The reservoir 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the reservoir portion 31 may be used as the reservoir. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and a reservoir and a member interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) An ink supply path 14 that communicates with each pressure generating chamber 12 may be provided.
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。 A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。 As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。 The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。 A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。 In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the reservoir portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。 In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the reservoir 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink. In accordance with a recording signal from 120, a voltage is applied between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulator film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric body. By bending and deforming the layer 70, the pressure in each pressure generation chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面、（１１０）面等のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the fundamental structure of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in Embodiment 1 described above, a silicon single crystal substrate is exemplified as the flow path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, silicon whose crystal plane orientation is (100) plane, (110) plane, etc. A single crystal substrate may be used, or a material such as an SOI substrate or glass may be used.
なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the first embodiment described above, an ink jet recording head has been described as an example of a liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads, and is a liquid ejecting a liquid other than ink. Of course, the present invention can also be applied to an ejection head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。 The present invention is not limited to a piezoelectric element mounted on a liquid jet head typified by an ink jet recording head, and can also be applied to a piezoelectric element mounted on another apparatus.
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、 １２
圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ６１ 第一電極層、 ６２ 第二電極層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inkjet recording head (liquid jet head), 10 Flow path formation board | substrate, 12
Pressure generating chamber, 13 communication section, 14 ink supply path, 15 communication path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 reservoir section, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 55 insulator film, 60 lower electrode film , 61 First electrode layer, 62 Second electrode layer, 70 Piezoelectric layer, 80 Upper electrode film, 90 Lead electrode, 100 Reservoir, 120 Drive circuit, 300 Piezoelectric element
Claims (4)
下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記下電極とは反対側に形成された上電極と、を備え、前記圧力発生室に圧力を発生させて前記ノズル開口から液滴を吐出する圧電素子と、を具備し、
前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向しており、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物であるバリウム鉛酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きく、
前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする液体噴射ヘッド。 A flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting droplets is formed;
A lower electrode, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode, and generating pressure in the pressure generating chamber A piezoelectric element that discharges droplets from the nozzle opening,
The piezoelectric layer has a monoclinic perovskite structure and is preferentially oriented in the (100) plane,
The lower electrode includes a first electrode layer containing lanthanum nickel oxide and a barium lead oxide which is formed on the piezoelectric layer side of the first electrode layer and which is a transition metal oxide having a perovskite structure. Two electrode layers, and
The lattice constant in the plane of the second electrode layer is larger than the lattice constant in the plane of the first electrode layer, and much larger than the lattice constant in the plane of the piezoelectric layer,
The liquid ejecting head according to claim 1, wherein the first electrode layer is preferentially oriented in a (100) plane .
前記圧電体層は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を有し、且つ（１００）面に優先配向しており、
前記下電極は、ランタンニッケル酸化物を含む第一電極層と、該第一電極層の前記圧電体層側に形成され、ペロブスカイト型構造を有する遷移金属酸化物であるバリウム鉛酸化物を含む第二電極層と、を有し、
前記第二電極層の面内の格子定数は、前記第一電極層の面内の格子定数よりも大きく、且つ、前記圧電体層の面内の格子定数よりも大きく、
前記第一電極層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator comprising a piezoelectric element comprising: a lower electrode; a piezoelectric layer formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the opposite side of the piezoelectric layer from the lower electrode. ,
The piezoelectric layer has a monoclinic perovskite structure and is preferentially oriented in the (100) plane,
The lower electrode includes a first electrode layer containing lanthanum nickel oxide and a barium lead oxide which is formed on the piezoelectric layer side of the first electrode layer and which is a transition metal oxide having a perovskite structure. Two electrode layers, and
Lattice constant in the plane of the second electrode layer is larger than the lattice constant in the plane of the first electrode layer, and, much larger than the lattice constant in the plane of the piezoelectric layer,
The piezoelectric actuator is characterized in that the first electrode layer is preferentially oriented in a (100) plane .
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