JP4920867B2 - アクチュエータおよびインクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、力学的変位を発生するアクチュエータおよびそれを用いたインクジェットヘッドである。マイクロマシンに適した微細な加工が出来るアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。特に高密度なインクジェットヘッドとそれを具現化出来るアクチュエータである。

力学的な変位を発生するアクチュエータとして種々の物が知られている。その中でも特に、ユニモルフタイプ及びバイモルフタイプのアクチュエータは構造が簡易であり、マイクロマシンの構造体として適した物である。

上記タイプのアクチュエータの構造は、弾性体と電極を有する圧電膜を有する物である。このアクチュエータを利用したインクジェットヘッドとしては、ベンダータイプのヘッドとして利用されているが、その圧電膜の特性上、高密度で吐出力のあるヘッドが実現できていない状況である。

その中で、変位部の剛性を低下させ、高密度をする検討がなされており、例えば特許文献１には、圧電膜を薄膜化したインクジェットヘッドの製造方法が記載されている。しかし、上記特許には、圧電膜の組成に関しての詳細な記載がなく、汎用の材料を利用したにすぎないものである。これに対して、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を主成分とする圧電膜の組成を鉛過剰にすることにより、薄膜での特性が向上されたとする発明が、特許文献２に記載されている。

一般的に、セラミックス体のPZTは高温で処理され製造されることより、消失し易い鉛を過剰に添加しておくことは、従来より用いられてきた手法であり、セラミックス体の場合は、それにより良特性の材料を得ることが出来ていた。

しかし、本発明者らの検討によると、優先配向あるいは単結晶系の圧電/電歪膜で鉛を過剰に添加しても粒界部が増えるのみで、圧電特性に良い影響をおよぼす事が出来ないばかりか、結晶性も不良となり、電気抵抗も下がる等の好ましくない結果を与えることが判った。
米国特許5265315号 特開2000-299510号

従って、本発明は、微細加工した場合でも高性能を発現できるアクチュエータを提供するものであり、かつ高密度で吐出パワーの大きいインクジェットヘッドを提供するものである。特に単一配向結晶あるいは単結晶の薄膜で圧電特性に更に優れた薄膜を有するアクチュエータおよびインクジェットヘッドを提供するものである。

本発明は、ペロブスカイト型構造でＡサイト成分がＢサイト成分より量論比で１より小さい組成成分を有する圧電膜を有するアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。さらには、圧電膜のペロブスカイト型構造の単位体積あたりのＡサイト元素の成分量をａとし、Ｂサイト元素の成分量をｂとした場合、ａ／ｂが０．８より大きく、０．９６以下であり、前記圧電膜の断面における粒界の幅が０．０２μｍ以上、０．０５μｍ以下であることを特徴とするアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。より好ましくは、ａ／ｂが０．８５より大きい。

a／b比の測定は、ICP発光分光法により測定することが出来る。

a／bが0.8以下の場合は、ペロブスカイト構造のAサイトの占有率が低すぎる場合であり、いくら結晶性の良い膜構造を有していても圧電特性の巨大化が達成出来ないため、好ましくない。また、a／bが1.0以上の場合は、1.0を超えて含有されるAサイト成分が粒界を作成し、結晶性のみだれを発生したり、電気抵抗の低下を起こす要因となる。Aサイト元素がBサイトや酸素サイトに含有されることも予想され、圧電特性の発現を阻害する要因となる。

本発明の圧電/電歪膜は、a／b比が特定範囲にあるため、単一配向結晶あるいは単結晶膜で粒界部の幅が0.05μｍ以下の良質な膜を得ることが出来る。また、粒界部の占有面積が、0.5％以下の膜である。

本発明の圧電/電歪膜材料は、ペロブスカイト型結晶構造を有する鉛系材料及び非鉛系材料が挙げられる。圧電膜材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等である。これらに微量の添加元素が加えられても良い。

チタン酸ジルコン酸鉛でのZrとTiの割合は、Zrが40％から70％であるのが、好ましい。

電歪膜材料としては、ニオブ酸亜鉛酸鉛、ニオブ酸マグネシウム酸鉛、二オブ酸亜鉛酸チタン酸鉛、ニオブ酸マグネシウム酸チタン酸鉛、二オブ酸スカンジウム酸チタン酸鉛、ニオブ酸インジウム酸チタン酸鉛、ニオブ酸ニッケル酸ジルコン酸チタン酸鉛、二オブ酸カリウム、二オブ酸リチウム等である。また、これらに微量の添加元素が加えられても良い。

本発明の圧電/電歪膜の結晶性は、単一配向結晶膜あるいは単結晶膜であり、単一配向結晶膜としては、X線解析により特定の結晶方位が80％以上、好ましくは95％以上の膜である。上記結晶性の測定は、X線解析装置（リガク製RINTインプレーン）でアウトプレーン測定により結晶解析によるピーク強度の総和で主ピークのピーク強度を割ることにより算出する。例えば、[001]のピーク強度が10万であり、[110]のピーク強度および[111]のピーク強度がそれぞれ1万と1000であった場合、この膜の結晶性は、100000÷111000＝0.9009で結晶性は90.1％となる。

また、圧電/電歪膜の粒界部の測定には、膜の断面をTEM観察することにより、粒界部の幅および占有面積を測定することが出来る。

結晶構造としては、正方晶、菱面体晶、斜方晶、単斜晶であり、好ましくは正方晶、菱面体晶である。

上記結晶構造の結晶方位は、<100>、<110>、<111>であり、圧電特性の良さから、好ましくは<100>である。

本発明でa／b比が上記特定範囲に入れるために、製造時の原料にAサイト成分を量論比と等量以下で仕込むことで達成される。特にAサイト成分が鉛の場合は、等量未満でなくても熱処理工程により消失するので、a／bが1.0未満となる。

本発明の圧電/電歪膜の製造方法は、スパッタ法、ゾルゲル法、水熱法、MO−CVD法、ガスデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等で成膜することが出来る。
好ましくは、単一配向結晶あるいは単結晶膜を成膜しやすいスパッタ法、MO−CVD法である。

次に本発明のアクチュエータの構造について説明する。本発明のアクチュエータは図１に示すように、弾性膜１、下部電極２、圧電/電歪膜３、上部電極４を含む。弾性膜１と下部電極２の間に剥離防止のために接着層を有していても良い。圧電/電歪膜と弾性膜は薄膜にすることで、剛性が低下して変位量を増すことが出来る。圧電/電歪膜の膜厚は、好ましくは、１μｍ〜１０μｍである。弾性膜の好ましい膜厚は、２〜１５μｍである。

図２に、本発明のインクジェットヘッドの構造を示す。図２はインクジェットヘッドの横断面が図示されている。１１は液体が入る個別液室で、１２は個別液室と吐出口１４を結ぶ連通孔である。２は下部電極であり、共通電極として使われるためにパターニングされていない。一方、圧電/電歪膜３と上部電極４は個別液室の幅に応じてパターニングされている。圧電/電歪膜をパターニングせずに構成することも可能であるが、変位量を上げるためには、パターニングする事が好ましい。１３は個別液室と連通孔を独立させるための隔壁である。隔壁部が薄すぎると、弾性膜１の振動を受け隔壁部も振動し、吐出口１４から、液滴の吐出が不安定あるいは、不可能となる。

図３には、インクジェットヘッドの縦断面が図示されている。図３で２２は個別液室に液体を搬入するために設けられた共通液室である。共通液室２２に入れられた液体は個別液室１１とつながっている絞り部２１を通って送られる。絞り部１１は、個別液室および共通液室と比べて断面積が小さく作製されているため、弾性膜１が変位して液体を吐出口１４から吐出する際の共通液室への液体の逆流を防止することが出来る。

共通液室２２は、図示されていない液体タンクと連通しており、随時、吐出された液体を共通液室に満たすように作製されている。図２での個別液室の幅wと、図３での個別液室の幅lは、異なっているが、l/wは、このましくは、５から１００であるが、吐出液滴量により５未満であっても良い。

吐出口１４の形状は、円形、星型など種々の形を採ることが出来るが、１０〜４０μｍの大きさが好ましい。
特に、直径１０〜２５μｍの円状が好ましい。本発明では、吐出口が一直線状に並べらた形態を図示したが、千鳥状に交互に配置された形態であっても良い。

本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドの下部電極および上部電極の材質は、金属、合金、導電性酸化物などであり、具体的には、金属としては、例えば、Pt,Au,Ir,Ni,Sn,Al、Cu、In、Ti,Ag,Pd、Crなどである。合金としては、例えば、Au−In, Mo−Ag, Au−Pd−In, Ag−Ni, Ag−Cu、Cu−Ti, Ag−Cu−Tiなどである。導電性酸化物としては、例えば、SuRuO₃,（La−Sr）TiO₃、LaNiO₃、LaCrO₃,CaRuO₃,BaPbO₃、などのペロブスカイト型酸化物やIrO_２、InO、In−SnOなどの一成分酸化物あるいは二成分酸化物である。

本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドの下部電極および上部電極の膜厚は、50nmから1μｍで、好ましくは、100nmから500nmである。

弾性膜と下部電極の間に剥離防止のために挿入される接着層としては、例えば、Ti,TiO₂、Ir,IrO,Crなどの金属及び金属酸化物があげられる。接着層の厚みとしては、5nmから100nmである。

本発明の弾性膜は、ヤング率が１０から３００GPaのもので、好ましくは、３０から２００GPaである。
材質としては、金属、セラミックスが挙げられ、具体的には、Cr,SUS,Si,Pt,Irなどの金属やZrO₂,Al₂O₃、SiO₂,などのセラミックスである。

本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドは、上記特徴を有するために、変位量、変位速度に優れた素子となる。特に、インクジェットヘッドとしては、高密度で吐出力の大きい素子を得る事が出来る。

次に実施例を挙げて本発明を説明する。

以上、説明したように本発明のアクチュエータおよびそれによるインクジェットヘッドは、圧電/電歪膜のAサイトとBサイトの組成比を特定範囲に調整することにより、非常に良好な特性が得られることが判る。

特に同じサイズの個別液室を有するインクジェットヘッドから大きな吐出液滴が可能であり、素子の圧電特性に優れた材料・構成である事が理解出来る。

（実施例１、２・参考例１・比較例１）
図４に本発明のアクチュエータを有するインクジェットヘッドの断面図を示す。図４で１および４は既に述べたように弾性膜および圧電／電歪膜である。３１は、個別液室部の隔壁であり、Ｓｉ基板である、３２，３３は吐出口および絞り部が作製されるための別基板であり、ＳＵＳ基板を用いられている。個別液室の幅ｗは、６０μｍで、長さｌは、１．２ｍｍで、深さは２５０μｍである。これらの液室構造はＳＯＩ基板を用いてＩＣＰプロセスにより加工作製した。

弾性膜はBドープされたSiであり、厚みは２μｍである。液室側には、SOI基板の絶縁層としてのSiO₂膜が０．２μｍ厚でSiに付いている。下部電極はPt（0.2μｍ）/TiO₂（0.05μｍ）で、上部電極はAu（0.3μｍ）で、３はPb（Zr_0.55Ti_0.45）O₃系薄膜を2.5μｍ厚で、表１のように各種成膜した。３２、３３のSUS基板の膜厚はそれぞれ、５０μｍ厚と８０μｍ厚で、３３の基板には直径１７μｍΦの吐出口が作製されている。

表１より判るように、実施例１では、ＰｂのＢサイト元素に対する組成比は、０．９７であり、参考例１では、０．９１、実施例２では、０．８７である。これに対して比較例１で作製した膜の組成比は、１．０５であった。これらのインクジェットヘッドの特性を評価した結果を表２に示した。表２には、各ヘッドの吐出液滴の最大値とその時の吐出速度および、変位可能の最高駆動周波数を示した。表２で判るように、比較例１の素子の最高駆動周波数は、実施例と比べて低いことが判る。これは、上記周波数では、駆動周波数に対して追従性良く変位出来ないためと考えられる。また、最大吐出液滴量が小さいことから、変位量が実施例１、２及び参考例１の場合と比べて小さいことが判る。

（実施例３）
実施例１、２及び参考例１と比べて圧電膜を電歪膜の［Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３］_０．６５−［ＰｂＴｉＯ_３］_０．３５に変えた以外は、実施例１、２及び参考例１と同様にして素子を作製した。上記薄膜は、ＭＯ−ＣＶＤ法により作製したことより、結晶性（結晶性９７．２％）および密着性の良い薄膜となった。Ａサイト元素のＰｂの組成比はＢサイト元素のＭｇ，Ｎｂ，Ｔｉに対して０．９６であった。また、吐出特性の結果は、最大吐出液滴が１４ｐｌ以上であり、かつその時の吐出速度は、１５ｍ／ｓｅｃ以上であり良好であった。

本発明のアクチュエータの構造を示す。 本発明のインクジェットヘッドの構造を示す。 インクジェットヘッドの縦断面を示す。 本発明のアクチュエータを有するインクジェットヘッドの断面図を示す。

Claims (6)

1. ペロブスカイト型構造の圧電膜を有するアクチュエータであって、
   前記ペロブスカイト型構造のＡサイト成分の成分量ａと、Ｂサイト成分の成分量ｂと、の関係が、０．８＜ａ／ｂ＜０．９６であり、前記圧電膜の断面における粒界の幅が０．０２μｍ以上、０．０５μｍ以下であることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記Ａサイトの成分が鉛であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記Ｂサイトの成分が、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｎｉ，Ｉｎのうち少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記圧電膜が、単一配向結晶膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記圧電膜の膜厚が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のアクチュエータを有することを特徴とするインクジェットヘッド。

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