JP2021061271A - 電気−機械変換素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置 - Google Patents
電気−機械変換素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明の電気−機械変換素子は、下部電極上に電気−機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層され、最上部に形成された前記電気−機械変換膜上に上部電極が形成された電気−機械変換素子であって、前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜との間には前記内部電極膜が形成されておらず、前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜は、(100)配向率が95%以上であることを特徴とする。
以下、本実施形態における電気−機械変換素子の詳細を説明する。
基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、液体吐出ヘッドでも主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用することができる。
振動板としては、電気−機械変換膜(例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛))によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室内のインク滴を吐出させる。そのため、振動板としては所定の強度を有したものであることが好ましい。具体的には、Si、SiO2、Si3N4等をCVD法等により作製したものが挙げられる。更に、振動板の材料としては、下部電極、電気−機械変換膜の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
下部電極としては、金属材料として高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができる。但し、白金は、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、その場合には、イリジウムや白金−ロジウム等の白金族元素や、これらの合金膜を用いることができる。
電気機械変換膜としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を好適に用いることができる。PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体であり、PbZrO3とPbTiO3の比率によって、PZTの特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、例えばPbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合であり、これを化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3と表すことができ、一般的にはPZT(53/47)と示される。
Ti/(Zr+Ti)が0.40以上である場合、回転歪をともなう変位量が少なくなることを防止できる。Ti/(Zr+Ti)が0.55以下である場合、圧電歪による変位量が少なくなることを防止でき、変位量を確保しやすくなる。
(100)配向率[%]=(100)配向している結晶粒領域の面積/全領域の面積×100
により算出する。このような測定を1層目の電気−機械変換膜やその他の電気−機械変換膜に対して行うことにより、各層の(100)配向率を求める。
なお、下部電極側から順にSrRuOとPtを積層した場合を「SrRuO/Pt」と表記することもある。
上部電極としては、例えば、Pt、SrRuO、LaNiO3等を用いることができる。中でも、下層側から順に、SrRuOとPtを積層させる構成やLaNiO3とPtを積層させる構成など、酸化物電極層とPtからなる層とを積層させる構成が好ましい。Pt自体の密着性が低いために、間に酸化物電極層を加えることで密着力向上を図るとともに、PZTの酸素欠損による連続駆動耐久時の性能低下を抑制する機能も併せて持たせることができる。
次に、本実施形態の電気−機械変換素子における他の構成例について、配線、層間膜等とあわせて説明する。本例について図5を用いて説明する。図5は図1と同様に、電気−機械変換素子の断面模式図を示すものである。
配線の厚みとしては、0.1〜20μmが好ましく、0.2〜10μmがさらに好ましい。0.1μm以上にすることで、抵抗が大きくなり過ぎることを防止し、電極に十分な電流を流しやすくなる。これによりヘッドの吐出安定性を向上させることができる。20μm以下にすることで、プロセス時間が長くなり過ぎることを防止できる。
なお、本実施形態においては、上部電極を個別電極、下部電極を共通電極としてもよいし、上部電極を共通電極、下部電極を個別電極としてもよい(後述の図11参照)。
本例において、配線は、電気−機械変換膜(又は内部電極膜)の長手方向に沿った左右に引き出され、配線を下部電極側から上部電極側へ番号付けしたときに、奇数番号の配線は同じ方向に引き出され、偶数番号の配線は奇数番号の配線とは異なる方向に引き出されている。
次に、本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置について説明する。
基板としての6インチシリコンウェハ上に、振動板としてSiO2膜(膜厚約2.5μm)を形成した。このSiO2膜上に、スパッタ法により350℃でTi膜(膜厚約20nm)成膜し、RTA(急速熱処理)により750℃で熱酸化した。引き続き、下部電極としてPt膜(膜厚約160nm)をスパッタ法により約300℃で成膜した。なお、Ti膜を熱酸化したTiO2膜は、SiO2膜とPt膜との間の密着層としての役割を持つ。
PZT膜の材料としてPb:Zr:Ti=115:49:51の組成比で調合したPZT前駆体塗布液を準備した。具体的なPZT前駆体塗布液の合成は次のように行った。まず、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することで、PZT前駆体塗布液を合成した。このPZT濃度は0.5mol/lにした。
次いで、PZT前駆体塗布液をスピンコートにより成膜し、120℃で乾燥した後、380℃で熱分解を行った。なお、熱分解は仮焼とも称する。更に塗布、乾燥、仮焼を繰り返し、PZT膜を合計で3層形成した。3層目の熱分解処理の後に、結晶化のための熱処理(温度730℃)をRTA(急速熱処理)にて行った。この結晶化の熱処理が終わったときのPZT膜の膜厚は240nmであった。このPZT前駆体溶液の塗布、乾燥、熱分解及び結晶化の熱処理の工程を合計4回実施し、約1μmの膜厚のPZT膜を得た。すなわち、結晶化の熱処理までにPZT膜は3層であり、4回で合計12層形成している。
次に、第1の層間膜として、ALD工法を用いてAl2O3膜を50nm成膜した。このとき原材料として、AlについてはTMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたO3を用い、交互に積層させることで成膜を進めた。
その後、図8に示すように、エッチングによりコンタクトホール部を形成する。
次いで、図9に示すように、配線電極としてAlをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成し、第2の層間膜としてSi3N4をプラズマCVDにより500nm成膜した。このようにして、本実施例の電気−機械変換素子を作製した。
実施例2、3はシード層を表1に示すように変更した。
実施例4はシード層を表1に示すように変更し、更に下部電極上のPbTiO3層(PTシード層)の膜厚を6nmから3nmに変更した。
実施例5は内部電極膜及びシード層を表1に示すように変更した。
比較例1は表1に示すように、内部電極膜を設けず、PZT膜を約3μm形成した。
上記実施例及び比較例の構成を下記表1に示す。
<(100)配向率>
得られた電気−機械変換素子の断面を形成し、各電気−機械変換膜に対してEBSD法を用いて後方散乱電子回折を解析することで結晶粒ごとに方位解析を実施した。これにより(100)配向の領域や(100)配向以外の領域を有する画像を得て、
(100)配向率[%]=(100)配向している結晶粒領域の面積/全領域の面積×100
により(100)配向率を算出した。なお、全領域の面積は各電気−機械変換膜に対して測定したときの測定領域の面積である。
作製した電気−機械変換素子を用いて変位特性の評価を行った。変位評価については、図10に示すように、基板裏面側から掘加工(短手方向の幅:60μm、長手方向の幅900μm)を行い、振動評価を実施している。図9に示すように、配線として奇数番号となるものを基準に、偶数番号となるものに30V印加し、そのときの変形量をレーザードップラー振動計で計測することにより変位量を求めた。結果を表1に示す。
実施例1〜5で作製した電気−機械変換素子を用いて、図11(A)の液体吐出ヘッドを作製し、液体の吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出できていることを確認した。
11 ノズル
12 振動板
14 下部電極
16 電気−機械変換膜
18 内部電極膜
20 上部電極
22 シード層
26 配線
28 コンタクトホール
32 第1の層間膜
34 第2の層間膜
41 加圧室
43 ノズル板
81 記録装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112、114 拍車
113 排紙ローラ
115、116 ガイド部材
117 回復装置
Claims (12)
- 下部電極上に電気−機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層され、最上部に形成された前記電気−機械変換膜上に上部電極が形成された電気−機械変換素子であって、
前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜との間には前記内部電極膜が形成されておらず、
前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜は、(100)配向率が95%以上であることを特徴とする電気−機械変換素子。 - 前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜との間にPbTiO3からなる層が形成されており、該PbTiO3からなる層は前記下部電極に最も近い前記電気−機械変換膜と接して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。
- 前記内部電極膜は、SrRuOである、又は、前記下部電極側から順にSrRuOとPtを積層してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気−機械変換素子。
- 前記内部電極膜上にSrRuOが形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記電気−機械変換膜及び前記内部電極膜は、各層を比較したときに前記下部電極側から前記上部電極側にかけて徐々に面積が小さくなっていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記下部電極から引き出した配線と、前記内部電極膜から引き出した配線と、前記上部電極から引き出した配線とを有し、
前記下部電極から引き出した配線、前記内部電極膜から引き出した配線及び前記上部電極から引き出した配線の一部が同一平面上に存在することを特徴とする請求項5に記載の電気−機械変換素子。 - 前記電気−機械変換膜は、積層方向と垂直な方向に長手方向と短手方向を有し、
前記配線は、前記長手方向に沿った左右に引き出され、前記配線を前記下部電極側から前記上部電極側へ番号付けしたときに、奇数番号の前記配線は同じ方向に引き出され、偶数番号の前記配線は奇数番号の前記配線とは異なる方向に引き出されていることを特徴とする請求項6に記載の電気−機械変換素子。 - 前記電気−機械変換膜は、各層の(100)配向率を用いて求められる(100)配向率の平均値が95%以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 液体を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧室と、該加圧室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備え、
前記圧力発生手段として、請求項1〜8のいずれかに記載の電気−機械変換素子を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項9に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。
- 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする請求項10に記載の液体吐出ユニット。
- 請求項9に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項10若しくは11に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
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