JP5728925B2 - Piezoelectric element, printer head and inkjet printer - Google Patents

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

この発明は、電気機械変換機能を有する圧電体素子と、この圧電体素子を用いたプリンターヘッドと、このプリンターヘッドを用いたインクジェットプリンターとに関する。   The present invention relates to a piezoelectric element having an electromechanical conversion function, a printer head using the piezoelectric element, and an ink jet printer using the printer head.

従来から、インクジェットプリンターのプリンターヘッドに使用する圧電体素子が知られている(特許文献1参照)。   Conventionally, a piezoelectric element used for a printer head of an ink jet printer is known (see Patent Document 1).

かかる圧電体素子は、基板と、この基板の上に形成された下部電極層と、この下部電極層の上に形成された圧電体層と、この圧電体層の上に形成された上部電極層とを有する。   Such a piezoelectric element includes a substrate, a lower electrode layer formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode layer, and an upper electrode layer formed on the piezoelectric layer. And have.

この圧電体素子は、上下部の電極を介して圧電体層に電界を印加することで薄膜アクチュエータとなり、これらはインクジェットヘッドに使われる。   This piezoelectric element becomes a thin film actuator by applying an electric field to the piezoelectric layer via the upper and lower electrodes, and these are used for an ink jet head.

ところで、チタン酸ジルコン酸鉛(PZTと略す)系薄膜は、高い圧電性を有することから圧電センサや圧電アクチュエータなどの圧電素子に利用されている。   Incidentally, lead zirconate titanate (abbreviated as PZT) -based thin films have high piezoelectricity and are used for piezoelectric elements such as piezoelectric sensors and piezoelectric actuators.

PZT薄膜をCSD法で形成する場合、電極材料の種類により素子特性が変化し、近年、信頼性の観点から酸化物電極が注目されている。   When a PZT thin film is formed by the CSD method, element characteristics vary depending on the type of electrode material, and in recent years, oxide electrodes have attracted attention from the viewpoint of reliability.

酸化物電極の候補としてコバルト酸ランタンストロンチウム、ルテニウム酸ストロンチウムやニッケル酸ランタンの薄膜が知られている。構成元素が単純であること、高価な元素を用いないことから、特にニッケル酸ランタン薄膜が有望である。   Thin film of lanthanum strontium cobaltate, strontium ruthenate or lanthanum nickelate is known as an oxide electrode candidate. A lanthanum nickelate thin film is particularly promising because the constituent elements are simple and expensive elements are not used.

ニッケル酸ランタンは、化学式NiLaO3と記述される材料であり、その結晶はペロブスカイト型を持つ。このペロブスカイト型構造は一般式ABO3で表される。   Lanthanum nickelate is a material described by the chemical formula NiLaO3, and its crystal has a perovskite type. This perovskite structure is represented by the general formula ABO3.

従来、PTZ圧電素子の電極として白金が用いられている。そして、CSD(Chemical Solution Deposition)法によるPTZ膜形成はPt電極上では約650〜750°Cの熱処理で圧電性を示すPZT結晶化膜が得られている。   Conventionally, platinum is used as an electrode of a PTZ piezoelectric element. PTZ film formation by the CSD (Chemical Solution Deposition) method yields a PZT crystallized film exhibiting piezoelectricity by heat treatment at about 650 to 750 ° C. on the Pt electrode.

一般的に、この結晶化温度の上昇に伴い圧電性は向上し、750°Cで飽和、さらに温度があがるとPZT構成成分の鉛が酸化鉛として膜系外に蒸発し、特性は低下する。これらは所謂鉛抜けと呼ばれる。   In general, as the crystallization temperature rises, the piezoelectricity is improved, saturated at 750 ° C., and when the temperature rises, the lead of the PZT component evaporates out of the film system as lead oxide, and the characteristics deteriorate. These are called so-called lead removal.

鉛抜けは酸素を伴い抜けるので、PZT膜中に酸素欠陥が発生し、信頼性に関して問題となっていた。   Since lead loss is accompanied by oxygen, oxygen defects are generated in the PZT film, which is a problem regarding reliability.

結晶化処理における鉛抜けを防ぐ対策として処理温度の低温化が有効であり、特定の酸化物電極膜は低い鉛との反応性やPZTと同じ結晶構造を持つ場合、下地の結晶構造をなぞって低温で結晶化する現象が確認されている。
特定の酸化物電極とは、既報より
ニッケル酸ランタン(LaNiO3: 以下LNOと略す)
コバルト酸ランタンストロンチウム((La,Sr)CoO3:以下LSCOと略す)
ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3:以下SROと略す)
がある。
Lowering the treatment temperature is effective as a measure to prevent lead loss in crystallization treatment, and if the specific oxide electrode film has the same crystal structure as PZT or the reactivity with low lead, trace the underlying crystal structure. A phenomenon of crystallization at low temperatures has been confirmed.
The specific oxide electrode is lanthanum nickelate (LaNiO3: hereinafter abbreviated as LNO).
Lanthanum strontium cobaltate ((La, Sr) CoO3: hereinafter abbreviated as LSCO)
Strontium ruthenate (SrRuO3: hereinafter abbreviated as SRO)
There is.

LNOを主成分とする導電性酸化物には、LNOと、ニッケルの一部を他の属で置換した材料、例えば、鉄で置換したLaNiO3・LaFeO3系材料、アルミニウムで置換したLaNiO3・LaAlO3系材料、マンガンで置換したLaNiO3・LaMnO3系材料、コバルトで置換したLaNiO3・LaCoO3系材料とが含まれる。   Conductive oxides mainly composed of LNO include LNO and materials in which a part of nickel is replaced with other genera, such as LaNiO3 / LaFeO3 based material replaced with iron, LaNiO3 / LaAlO3 based material replaced with aluminum , LaNiO3 / LaMnO3 materials substituted with manganese, and LaNiO3 / LaCoO3 materials substituted with cobalt.

一般式で記述するとABO3となり、AサイトはLa、BサイトはNi,Al,Mn,Coが相当する。   If it describes with a general formula, it will be ABO3, A site corresponds to La, B site corresponds to Ni, Al, Mn, Co.

LNOを主成分とする導電性酸化物で、AサイトとBサイトの比率は1:1になっているのが一般的である。   It is a conductive oxide mainly composed of LNO, and the ratio of A site to B site is generally 1: 1.

ところで、PZT薄膜をアクチュエータをLNO電極で構成した場合、従来のPt電極と比較して特性が改善されるが、信頼性(繰り返し電界印加回数の増加にともない、圧電特性が劣化する)の面で不十分であった。   By the way, when a PZT thin film is composed of an LNO electrode as an actuator, the characteristics are improved as compared with a conventional Pt electrode. However, in terms of reliability (piezoelectric characteristics deteriorate as the number of repeated electric field applications increases). It was insufficient.

この発明の目的は、信頼性の向上が十分に得られる圧電体素子と、この圧電体素子を用いたプリンターヘッドと、このプリンターヘッドを用いたインクジェットプリンターを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric element capable of sufficiently improving reliability, a printer head using the piezoelectric element, and an ink jet printer using the printer head.

請求項1の発明は、基板と、前記基板の上に形成された下部電極層と、この下部電極層の上に形成された圧電体層と、この圧電体層の上に形成された上部電極層とを備えた圧電体素子であって、
前記下部電極層が化学式ABO3で示され、AサイトとBサイトの比率(A/B)が1.1ないし1.6の導電性酸化物からなり、
前記化学式ABO3はニッケル酸ランタンであり、
前記Aサイトはランタン、前記Bサイトはニッケルであり、
前記圧電体層がCSD法により形成された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするペロブスカイト型酸化物強誘電体材料からなる。
The invention of claim 1 includes a substrate, a lower electrode layer formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode layer, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer. A piezoelectric element comprising a layer,
The lower electrode layer is made of a conductive oxide having a chemical formula ABO3 and a ratio of A site to B site (A / B) of 1.1 to 1.6 .
The chemical formula ABO3 is lanthanum nickelate,
The A site is lanthanum, the B site is nickel,
The piezoelectric layer is made of a perovskite oxide ferroelectric material mainly composed of lead zirconate titanate formed by the CSD method.

この発明によれば、圧電体素子の信頼性の向上を図ることができる。   According to the present invention, the reliability of the piezoelectric element can be improved.

この発明に係るインクジェット記録装置の主要部の外観を示した斜視図であり。1 is a perspective view showing an appearance of a main part of an ink jet recording apparatus according to the present invention. 図1に示すインクジェット記録装置の構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the inkjet recording device shown in FIG. 圧電体素子を用いたインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the inkjet head of the inkjet recording device using a piezoelectric material element. 図3に示すインクジェットヘッドを集積化した構成を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure which integrated the inkjet head shown in FIG. 表1は、ターゲット組成と膜組成(比率)の関係を示した表である。Table 1 is a table showing the relationship between the target composition and the film composition (ratio). 表2は、膜組成の比率と圧電特性の評価(変化率)とを示した表である。Table 2 shows the ratio of the film composition and the evaluation (change rate) of the piezoelectric characteristics. 出発材料比率と膜組成と圧電特性の評価(変化率)とを示した表である。It is the table | surface which showed the starting material ratio, film | membrane composition, and evaluation (change rate) of a piezoelectric characteristic. LNO膜の作製フローを示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the preparation flow of the LNO film.

以下、この発明に係る圧電体素子を用いたインクジェット記録装置(インクジェットプリンター)の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, an example which is an embodiment of an ink jet recording apparatus (ink jet printer) using a piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施例]
[インクジェット記録装置]
図1および図2に示すインクジェット記録装置80は、装置本体81の内部に設けた印字機構部82等を備えている。この印字機構部82は、主走査方向に移動可能なキャリッジ93と、このキャリッジ93に搭載したインクジェットヘッドである記録ヘッド(プリンターヘッド)94と、この記録ヘッド94へインクを供給するインクカートリッジ95等を有している。
[First embodiment]
[Inkjet recording apparatus]
An ink jet recording apparatus 80 shown in FIGS. 1 and 2 includes a printing mechanism portion 82 provided inside the apparatus main body 81. The printing mechanism 82 includes a carriage 93 that can move in the main scanning direction, a recording head (printer head) 94 that is an ink jet head mounted on the carriage 93, an ink cartridge 95 that supplies ink to the recording head 94, and the like. have.

また、装置本体81の下方部には、前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84が抜き差し自在に装着されている。また、装置本体81の前部には、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85が開倒可能に取り付けられている。   A paper feed cassette (or a paper feed tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side is detachably attached to the lower portion of the apparatus main body 81. In addition, a manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 is attached to the front portion of the apparatus main body 81 so that the paper 83 can be turned over.

給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83は、装置本体81へ取り込まれ、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙されるようになっている。   The paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken into the apparatus main body 81, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 82, the paper 83 is discharged to the paper discharge tray 86 mounted on the rear side. It has come to be.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91および従ガイドロッド92と、この主ガイドロッド91および従ガイドロッド92によって主走査方向に摺動自在に保持されているキャリッジ93とを有している。このキャリッジ93には、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッドである複数の記録ヘッド94が装着され、各記録ヘッド94は、主走査方向と交差する方向に配列したインク吐出口(ノズル)を有し、インク滴吐出方向は下方に向けられている。   The printing mechanism 82 is slidably held in the main scanning direction by the main guide rod 91 and the sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown), and the main guide rod 91 and the sub guide rod 92. The carriage 93 is provided. A plurality of recording heads 94 that are ink jet heads that eject ink droplets of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) are mounted on the carriage 93. Has ink discharge ports (nozzles) arranged in a direction crossing the main scanning direction, and the ink droplet discharge direction is directed downward.

また、キャリッジ93には、各記録ヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95がそれぞれ交換可能に装着されている。   In addition, ink cartridges 95 for supplying inks of the respective colors to the recording heads 94 are mounted on the carriage 93 in a replaceable manner.

インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する大気口(図示せず)と、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口(図示せず)とを有し、内部にはインクが充填された多孔質体が設けられており、この多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクがわずかな負圧に維持されている。   The ink cartridge 95 has an atmosphere port (not shown) communicating with the atmosphere at the upper side, and a supply port (not shown) for supplying ink to the inkjet head at the lower side, and the inside is filled with ink. A porous body is provided, and the ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body.

ここでは、記録ヘッドとして各色のヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。   Here, each color head 94 is used as a recording head, but a single head having nozzles for ejecting ink droplets of each color may be used.

キャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定している。そして、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is fixed to the carriage 93. ing. Then, the carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とが装置本体81に設けられている。   On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84 and the paper 83 are guided. A guide member 103, a transport roller 104 that reverses and transports the fed paper 83, a transport roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 104, and a leading end that defines a feed angle of the paper 83 from the transport roller 104 A roller 106 is provided on the apparatus main body 81.

搬送ローラ104は、副走査モータ107によってギヤ列(図示せず)を介して回転駆動される。   The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 via a gear train (not shown).

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering defective ejection of the head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 117 side during printing standby and the head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with the suction unit through the tube. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、このインクジェット記録装置においては後述する圧電体素子を用いたインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上することになる。
[インクジェットヘッド]
図3は、インクジェットヘッドである記録ヘッド94の構成を示す。この記録ヘッド94は、圧力室221を形成するとともに下部が開口された断面コ字状の圧力室基板200と、圧力室基板200の下部の開口を閉塞したノズル板210とを有し、この圧力室基板200はSi基板で形成されるとともに、Si基板からなる振動板(基板)230を有している。ノズル板210には、インクの吐出口であるノズル孔211が形成されている。
Thus, since this inkjet recording apparatus is equipped with an inkjet head using a piezoelectric element, which will be described later, there is no ink droplet ejection failure due to diaphragm drive failure, and stable ink droplet ejection characteristics are obtained. Image quality will be improved.
[Inkjet head]
FIG. 3 shows a configuration of a recording head 94 which is an ink jet head. The recording head 94 includes a pressure chamber substrate 200 that forms a pressure chamber 221 and has a U-shaped cross section that is open at the bottom, and a nozzle plate 210 that closes the opening at the bottom of the pressure chamber substrate 200. The chamber substrate 200 is formed of an Si substrate and has a diaphragm (substrate) 230 made of the Si substrate. The nozzle plate 210 is formed with nozzle holes 211 that are ink discharge ports.

振動板230の上には密着層241が形成され、この密着層241の上に下部電極層242が形成されている。下部電極層242の上の中央部には圧電体層243が形成され、この圧電体層243の周囲にはSAM(自己組織化単分子膜:Self-Assembled Monolayer)用膜421が形成され、圧電体層243の上には上部電極層244が形成されている。   An adhesion layer 241 is formed on the vibration plate 230, and a lower electrode layer 242 is formed on the adhesion layer 241. A piezoelectric layer 243 is formed at the central portion on the lower electrode layer 242, and a SAM (Self-Assembled Monolayer) film 421 is formed around the piezoelectric layer 243, and the piezoelectric layer 243 is piezoelectric. An upper electrode layer 244 is formed on the body layer 243.

そして、振動板230と下部電極層242と圧電体層243と上部電極層244とで圧電体素子240が構成され、下部電極層242と圧電体層243と上部電極層244とで電気−機械変換素子が構成されている。   The diaphragm 230, the lower electrode layer 242, the piezoelectric layer 243, and the upper electrode layer 244 constitute a piezoelectric element 240, and the lower electrode layer 242, the piezoelectric layer 243, and the upper electrode layer 244 perform electro-mechanical conversion. An element is configured.

図4は、図3に示すインクジェットヘッド(単ビット)を集積化したものの一例を示す。
[圧電体層]
圧電体層243を形成するPTZはペロブスカイト構造を持ち、Aサイトに鉛、Bサイトにジルコニウム、チタンが配置される。
FIG. 4 shows an example in which the inkjet head (single bit) shown in FIG. 3 is integrated.
[Piezoelectric layer]
The PTZ forming the piezoelectric layer 243 has a perovskite structure, and lead is arranged at the A site, and zirconium and titanium are arranged at the B site.

結晶構造中の元素イオン半径の関係からLNOを構成しているランタンはPTZのAサイトに置換可能な元素である。   From the relationship of the element ion radius in the crystal structure, lanthanum constituting LNO is an element that can be substituted for the A site of PTZ.

電気光学材料として知られているPLZT(ジルコン酸チタン酸ランタン鉛)が示すようにAサイトにLaを置換した固溶体が存在する。La置換は結晶化温度の低温化に寄与する。また、鉛抜けに対しても程度を軽減させる。   As indicated by PLZT (lead lanthanum zirconate titanate) known as an electro-optic material, there exists a solid solution in which La is substituted at the A site. La substitution contributes to lowering the crystallization temperature. It also reduces the degree of lead loss.

後者は結晶化処理のプロセスマージンを稼ぐことに寄与する。前者は、従来の熱処理温度を下げる働きがあるので、鉛抜け不良の発生を低減させる。   The latter contributes to increasing the process margin of the crystallization process. The former has the function of lowering the conventional heat treatment temperature, thereby reducing the occurrence of lead loss defects.

下部電極層242であるLNO上に、CSD法(化学溶液法)でPZT膜を形成する場合、LaがPZTに拡散し、PZT結晶に取り込まれる。従って、LNOを化学量論組成(AサイトとBサイトの比率が1:1)で形成しておくより、むしろ意図的にLa割合を増やし(換言すれば、Ni量を減らす)ておき、LNOの結晶を不安定にさせ、後のCSD法によるPZT膜の結晶化において、余剰LaをPZTに反応させることにより低温下が実行できる。
[下部電極層]
下部電極層242は、少なくとも最上膜がLNOでその組成でLaリッチにさせる。
When a PZT film is formed on the LNO that is the lower electrode layer 242 by the CSD method (chemical solution method), La diffuses into the PZT and is taken into the PZT crystal. Therefore, rather than forming LNO with a stoichiometric composition (the ratio of A site to B site is 1: 1), the La ratio is intentionally increased (in other words, the Ni amount is decreased), and the LNO is increased. In the subsequent crystallization of the PZT film by the CSD method, the lower temperature can be reduced by reacting excess La with PZT.
[Lower electrode layer]
In the lower electrode layer 242, at least the uppermost film is LNO, and the composition is made La rich with the composition.

下部電極層242であるLNO膜はスパッタ法で形成する。このスパッタ法で使用するスパッタリングターゲットにLNO焼結ターゲットを用いる。このターゲット組成をLaリッチにしておけば、LNO膜をLaリッチにできることが実験で分かった。   The LNO film that is the lower electrode layer 242 is formed by sputtering. An LNO sintered target is used as a sputtering target used in this sputtering method. Experiments have shown that if the target composition is La rich, the LNO film can be La rich.

具体的には、La/Ni=1.5/1.0、1.25/1.0、1.0/1.0(化学量論組成)、1.0/1.25、1.0/1.5のLNO焼結ターゲットを用意する。   Specifically, La / Ni = 1.5 / 1.0, 1.25 / 1.0, 1.0 / 1.0 (stoichiometric composition), 1.0 / 1.25, 1.0 /1.5 LNO sintering target is prepared.

そして、Ar/O2混合ガスをスパッタリング装置に導入し、それぞれのLNO焼結ターゲットによって基板温度300°CでLNO膜を形成させ、各LNO膜の組成分析を蛍光X線分析で定量化して測定した。その結果を図5の表1に示す。   Then, an Ar / O2 mixed gas was introduced into the sputtering apparatus, an LNO film was formed at a substrate temperature of 300 ° C. with each LNO sintering target, and the composition analysis of each LNO film was quantified and measured by fluorescent X-ray analysis. . The results are shown in Table 1 in FIG.

ここでLNO膜を形成する基板は、熱酸化膜付きSiウェハ上にチタン密着膜を形成し、さらにその上にPt膜を積層したものである。   Here, the substrate on which the LNO film is formed is obtained by forming a titanium adhesion film on a Si wafer with a thermal oxide film and further stacking a Pt film thereon.

表1の結果から分かるように、ターゲット組成に応じてLNO膜の組成も変化し、膜組成(La/Ni)を「1」以上にするには、ターゲット組成をLa/Ni=1.0/1.0以上のものを使用すればよい。
[PZT膜の形成]
PZT膜は、一般的に知られているCSD法(化学溶液法)によって形成する。
このCSD法は、基板上に従来と同様な組成の塗工液を滴下しスピンコート法によって均一な被膜(塗工膜)を形成させ、この後、塗工膜に含まれる溶剤を除去するために、200°C程度の温度で塗工膜を乾燥させる。さらに、乾燥した塗工膜に含まれる有機成分を除去するために、400〜500°C程度の温度で加熱処理する。この後、700〜750°C程度の温度で1〜60分程度熱処理することにより結晶化させる。これら処理を複数回繰り返すことにより、所望するPTZ膜を得る。
As can be seen from the results in Table 1, the composition of the LNO film also changes according to the target composition, and in order to make the film composition (La / Ni) “1” or more, the target composition is La / Ni = 1.0 / What is more than 1.0 may be used.
[Formation of PZT film]
The PZT film is formed by a generally known CSD method (chemical solution method).
In this CSD method, a coating solution having the same composition as that of the conventional one is dropped on a substrate to form a uniform film (coating film) by a spin coating method, and then the solvent contained in the coating film is removed. The coating film is dried at a temperature of about 200 ° C. Furthermore, in order to remove the organic component contained in the dried coating film, heat treatment is performed at a temperature of about 400 to 500 ° C. Thereafter, crystallization is performed by heat treatment at a temperature of about 700 to 750 ° C. for about 1 to 60 minutes. By repeating these processes a plurality of times, a desired PTZ film is obtained.

そして、各LNO膜の組成毎の圧電体素子を作成し、これら圧電体素子の圧電特性の評価を行った結果を図6の表2に示す。   Table 2 in FIG. 6 shows the results of creating piezoelectric elements for each composition of each LNO film and evaluating the piezoelectric characteristics of these piezoelectric elements.

圧電特性の評価は、P−Eヒステリシス曲線(電界強度に対する分極量の曲線、横軸に電界強度、縦軸に分極量)を測定し、残留分極値を代用特性として用いる。そして、初期値に対し、±15kV/cmの両電界を印加し、印加回数に対する残留分極値の変化率(初期の残留分極値に対する変化率)を求め、Pt電極を用いた場合を比較例として記す。   The piezoelectric characteristics are evaluated by measuring a PE hysteresis curve (curve of polarization amount with respect to electric field strength, electric field strength on the horizontal axis and polarization amount on the vertical axis), and using the residual polarization value as a substitute characteristic. Then, both electric fields of ± 15 kV / cm are applied to the initial value, the change rate of the remanent polarization value with respect to the number of times of application (the change rate with respect to the initial remanent polarization value) is obtained, and the case where a Pt electrode is used as a comparative example I write.

表2から分かるように、LNO膜の下部電極を用いることで、Pt電極と比較して特性が向上していることが確認できる。また、La/Niの比率は1.1以上であればさらに変化率が小さくなることが分かる。すなわち、La/Niの比率は1.1以上で圧電体層(圧電体素子)の信頼性が向上することが分かる。   As can be seen from Table 2, by using the lower electrode of the LNO film, it can be confirmed that the characteristics are improved as compared with the Pt electrode. It can also be seen that the rate of change is further reduced if the ratio of La / Ni is 1.1 or more. That is, it can be seen that the La / Ni ratio is 1.1 or more, and the reliability of the piezoelectric layer (piezoelectric element) is improved.

つまり、PZT膜の形成にニッケル酸ランタンを用いた場合、A/B=1:1より少しずれた場合(Laリッチの場合)、PTZ膜の圧電特性が向上することが分かった。
[第2実施例]
LNO膜をCSD法で作成した電極の場合について説明する。
That is, it was found that when lanthanum nickelate was used for forming the PZT film, the piezoelectric characteristics of the PTZ film were improved when it was slightly shifted from A / B = 1: 1 (in the case of La rich).
[Second Embodiment]
The case of an electrode in which an LNO film is produced by the CSD method will be described.

図8にCSD法によるLNO膜の作製フローを示す。   FIG. 8 shows a flow of producing an LNO film by the CSD method.

まず、ニッケルアセチルアセトナート2水和物を減圧乾燥してニッケルアセチルアセトナートにする。次に、イソプロポキシドランタンとニッケルアセチルアセトナートを2−メトキシエタノールに溶解する。   First, nickel acetylacetonate dihydrate is dried under reduced pressure to form nickel acetylacetonate. Next, isopropoxide lanthanum and nickel acetylacetonate are dissolved in 2-methoxyethanol.

これを130°Cで還流することでLNO前駆体溶液(濃度0.1〜0.5モル/リットル)を調整する。   This is refluxed at 130 ° C. to adjust the LNO precursor solution (concentration 0.1 to 0.5 mol / liter).

この調整したLNO前駆体溶液をPt/Ti/SiO2/Si基板上にスピンコート法で塗布する。塗膜は200°Cで溶媒乾燥し、400〜500°Cで熱分解し、700〜750°Cで結晶化の各熱処理を実施する。   This adjusted LNO precursor solution is applied onto a Pt / Ti / SiO2 / Si substrate by spin coating. The coating film is solvent-dried at 200 ° C., thermally decomposed at 400 to 500 ° C., and subjected to crystallization heat treatment at 700 to 750 ° C.

前駆体溶液濃度0.1モル/リットルを用い、上記成膜工程を3回繰り替えして、膜厚120nmのLNO膜を作製する。   Using the precursor solution concentration of 0.1 mol / liter, the above film forming process is repeated three times to produce an LNO film having a thickness of 120 nm.

Ni,Laの出発材料の比率を変化させることで成膜後のLNO組成を変化させ、これらLNO膜の圧電特性を実施例1と同様に求めた。その結果を図7の表3に示す。   The LNO composition after film formation was changed by changing the ratio of Ni and La starting materials, and the piezoelectric characteristics of these LNO films were obtained in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3 in FIG.

表3から分かるように、出発材料比率を変化させることでLNO組成を変化させることができ、La/Ni比率が1.0以上(表3では1.4)で変化率に優位な差が認められ、変化率の少ないこと、すなわち圧電体層(圧電体素子)の信頼性が向上することが分かる。   As can be seen from Table 3, by changing the starting material ratio, the LNO composition can be changed, and when the La / Ni ratio is 1.0 or more (1.4 in Table 3), there is a significant difference in the change rate. It can be seen that the rate of change is small, that is, the reliability of the piezoelectric layer (piezoelectric element) is improved.

この発明は、上記実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and design changes and additions are permitted without departing from the scope of the claimed invention.

80 インクジェット記録装置(インクジェットプリンター)
94 記録ヘッド(プリンターヘッド)
230 基板(振動板)
240 圧電体素子(電気−機械変換素子)
242 下部電極層
243 圧電体層
244 上部電極層
80 Inkjet recording device (inkjet printer)
94 Recording head (printer head)
230 Substrate (diaphragm)
240 Piezoelectric element (electro-mechanical conversion element)
242 Lower electrode layer 243 Piezoelectric layer 244 Upper electrode layer

特開2009・54934号公報JP 2009/54934 A

Claims (6)

基板と、前記基板の上に形成された下部電極層と、この下部電極層の上に形成された圧電体層と、この圧電体層の上に形成された上部電極層とを備えた圧電体素子であって、
前記下部電極層が化学式ABO3で示され、AサイトとBサイトの比率(A/B)が1.1ないし1.6の導電性酸化物からなり、
前記化学式ABO3はニッケル酸ランタンであり、
前記Aサイトはランタン、前記Bサイトはニッケルであり、
前記圧電体層がCSD法により形成された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするペロブスカイト型酸化物強誘電体材料からなる圧電体素子。
A piezoelectric body comprising a substrate, a lower electrode layer formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the lower electrode layer, and an upper electrode layer formed on the piezoelectric layer An element,
The lower electrode layer is made of a conductive oxide having a chemical formula ABO3 and a ratio of A site to B site (A / B) of 1.1 to 1.6 .
The chemical formula ABO3 is lanthanum nickelate,
The A site is lanthanum, the B site is nickel,
A piezoelectric element made of a perovskite oxide ferroelectric material mainly composed of lead zirconate titanate, wherein the piezoelectric layer is formed by a CSD method.
前記導電性酸化物がLNO膜であるニッケル酸ランタンであることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the conductive oxide is lanthanum nickelate which is an LNO film. 前記LNO膜がスパッタリングで成膜されたことを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 Piezoelectric element according to claim 2, characterized in that the LNO film is deposited by sputtering. 前記LNO膜がCSD法で成膜されたことを特徴とする請求項2に記載の圧電体素子。 Piezoelectric element according to claim 2, characterized in that the LNO film is formed in the CSD method. 請求項1ないし請求項4の何れかの1つに記載の圧電体素子を備えたことを特徴とするインクジェットプリンター用のプリンターヘッド。   A printer head for an ink jet printer, comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載のプリンターヘッドを備えたことを特徴とするインクジェットプリンター。   An ink jet printer comprising the printer head according to claim 5.
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