JP5265973B2 - Piezoelectric element and liquid ejection device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子及び圧電素子を用いた液体吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element and a liquid ejection apparatus using the piezoelectric element.
近年、微細加工技術の進展と相まって、半導体素子のみならず圧電素子に関しても小型化のニーズが高まっている。例えば、電界強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。インクジェット式記録ヘッドにおいて、より高画質化するためには圧電素子の高密度化が必要である。そのためには、加工精度の関係から、圧電素子に用いられる圧電体はできるだけ薄い方が好ましく、従って、膜厚の薄い圧電体膜を備え、且つ圧電性の良好な圧電素子が求められている。特に、高粘度のインクを吐出する用途に用いる場合等は、より高い圧電性能が要求される。 In recent years, coupled with the progress of microfabrication technology, there is an increasing need for downsizing not only semiconductor elements but also piezoelectric elements. For example, a piezoelectric element including a piezoelectric body having a piezoelectric property that expands and contracts as the electric field strength increases and decreases and an electrode that applies an electric field to the piezoelectric body is used as an actuator or the like mounted on an ink jet recording head. ing. In an ink jet recording head, it is necessary to increase the density of piezoelectric elements in order to achieve higher image quality. For this purpose, it is preferable that the piezoelectric body used for the piezoelectric element is as thin as possible from the viewpoint of processing accuracy. Accordingly, there is a demand for a piezoelectric element having a thin piezoelectric film and having good piezoelectricity. In particular, higher piezoelectric performance is required when used in applications that eject high viscosity ink.
バルク焼結体の圧電体を備えた圧電素子では、2枚の圧電体により中間電極を挟持した構造を有するバイモルフ型の圧電素子が、既存の圧電材料を用いて圧電性能を高めることのできる圧電素子として利用されている。バイモルフ型圧電素子は、所定の電圧を印加することによりそれぞれの圧電体において電圧に比例した歪みを発生するため、圧電体が１枚である通常の圧電素子に比して大きな変位量を得ることができる。このようなバイモルフ型の圧電素子の薄型化においては、圧電性能の安定性や製造効率、信頼性の改善が必要とされている。 In a piezoelectric element with a bulk sintered body, a bimorph type piezoelectric element having a structure in which an intermediate electrode is sandwiched between two piezoelectric bodies can increase the piezoelectric performance using an existing piezoelectric material. It is used as an element. A bimorph type piezoelectric element generates a distortion proportional to the voltage in each piezoelectric body by applying a predetermined voltage, so that a large displacement amount can be obtained as compared with a normal piezoelectric element having a single piezoelectric body. Can do. In order to reduce the thickness of such a bimorph type piezoelectric element, it is necessary to improve the stability of piezoelectric performance, the manufacturing efficiency, and the reliability.
特許文献１には、下層圧電体層と上層圧電体層との間に駆動電極を設けたバイモルフ型の圧電素子を振動板の表面に形成された圧電アクチュエータにおいて、上層圧電体層の膜厚を下層圧電体層の膜厚より厚くした圧電アクチュエータが開示されており、圧電体層の層厚が約２０μmのバイモルフ型の圧電素子を用いて得られた圧電アクチュエータにおいて、変形安定性が高められることが記載されている。また、この圧電素子において駆動電極を上層圧電体層で覆う構成にすることにより、空中放電を防止して短絡等による誤動作を防止して信頼性を向上させることが記載されている。 In Patent Document 1, in a piezoelectric actuator in which a bimorph type piezoelectric element having a drive electrode provided between a lower piezoelectric layer and an upper piezoelectric layer is formed on the surface of a diaphragm, the film thickness of the upper piezoelectric layer is set. A piezoelectric actuator having a thickness greater than that of the lower piezoelectric layer is disclosed, and deformation stability is improved in a piezoelectric actuator obtained using a bimorph type piezoelectric element having a piezoelectric layer thickness of about 20 μm. Is described. Further, it is described that the drive electrode is covered with an upper piezoelectric layer in this piezoelectric element, thereby preventing air discharge and preventing malfunction due to a short circuit or the like to improve reliability.
また、特許文献２には、側壁部を含む複数の面によって形成された複数の圧力室の一面を圧電体素子の振動面にて構成し、この圧電素子を振動させることにより圧力室内のインクの圧力を制御して圧力室に連続するノズルから外部にインクを吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、圧電素子が、駆動用内部電極が配置された板状の圧電体の積層体であるインクジェットヘッドの製造方法が開示されている。
特許文献１に記載の圧電アクチュエータにおいて、圧電素子の圧電体層は段落［０００２］に記載されているように、焼結体を対象としており、［００２２］には、電極まで形成した後に一括焼成することにより製造されることが記載されている。焼結体は、表面粗さが大きく特に特許文献１に記載の圧電体層のように、１０μm程度の膜厚になると均一性のよい焼結体を得ることが難しく、また、焼結体の粒サイズは数μｍ程度あるため表面粗さは大きくなりやすい。 In the piezoelectric actuator described in Patent Document 1, the piezoelectric layer of the piezoelectric element is a sintered body as described in paragraph [0002]. In [0022], after the electrodes are formed, batch firing is performed. It is described that it is manufactured. When the sintered body has a large surface roughness, particularly a piezoelectric layer described in Patent Document 1, it is difficult to obtain a sintered body with good uniformity when the film thickness is about 10 μm. Since the grain size is about several μm, the surface roughness tends to increase.
また特許文献２に記載の製造方法により得られる圧電体層も焼結体であり、同様に表面粗さが大きくなりやすい。 Further, the piezoelectric layer obtained by the manufacturing method described in Patent Document 2 is also a sintered body, and similarly the surface roughness tends to increase.
圧電体表面の表面粗さが大きい場合には、電界印加時に電極との接触点に電界集中を生じやすく、それにより圧電体が劣化して動作寿命や動作安定性が悪くなる恐れがある。特に膜厚が薄い場合は圧電体劣化による素子動作への影響が生じやすいため、表面粗さはできるだけ小さい値を有していることが好ましく、膜厚１０μm以下においては算術平均表面粗さＲａが０．５μm以下、好ましくは0.1μｍ以下、さらに好ましくは500nm以下である。従って、特許文献１に記載の圧電アクチュエータの圧電素子は、電圧印加により電界集中を生じやすく安定した圧電性能及び信頼性を提供できない恐れがある。 When the surface roughness of the surface of the piezoelectric body is large, electric field concentration is likely to occur at the contact point with the electrode when an electric field is applied, which may deteriorate the piezoelectric body and deteriorate the operating life and operation stability. In particular, when the film thickness is thin, the element operation is likely to be affected by the deterioration of the piezoelectric material. Therefore, the surface roughness is preferably as small as possible, and the arithmetic average surface roughness Ra is less than 10 μm. It is 0.5 μm or less, preferably 0.1 μm or less, and more preferably 500 nm or less. Therefore, the piezoelectric element of the piezoelectric actuator described in Patent Document 1 is likely to cause electric field concentration due to voltage application and may not provide stable piezoelectric performance and reliability.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電体膜を備えた、圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric element having a piezoelectric film and high piezoelectric performance and operational stability.
本発明の圧電素子は、基板上に、第1の電極と、第1の圧電体膜と、第2の圧電体膜と、第２の電極とを順次有し、第1の圧電体膜と第2の圧電体膜との間に中間電極を備えてなる圧電素子であって、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜の膜厚が１０μm以下であり、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜の、前記基板と反対側の表面及び／又は前記基板側の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下であることを特徴とするものである。
本明細書において、表面粗さＲａとは、JIS B 0601-2001で示される算術平均表面粗さである。
The piezoelectric element of the present invention has a first electrode, a first piezoelectric film, a second piezoelectric film, and a second electrode in order on a substrate, and the first piezoelectric film, A piezoelectric element comprising an intermediate electrode between the first piezoelectric film and the second piezoelectric film, wherein the first piezoelectric film and the second piezoelectric film have a thickness of 10 μm or less, and the first piezoelectric film The surface roughness Ra of the surface of the second piezoelectric film opposite to the substrate and / or the surface of the substrate is 0.5 μm or less.
In the present specification, the surface roughness Ra is an arithmetic average surface roughness indicated by JIS B 0601-2001.
本発明の圧電素子において、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜は、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜からなることが好ましく、また、（１００）配向又は（１１１）配向の結晶配向性を有することが好ましい。 In the piezoelectric element of the present invention, the first piezoelectric film and the second piezoelectric film are preferably formed of a columnar structure film composed of a number of columnar crystals extending in a non-parallel direction with respect to the substrate surface. It preferably has crystal orientation of (100) orientation or (111) orientation.
また、第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜は、気相成長法により成膜されたものであることが好ましい。 Further, the first piezoelectric film and the second piezoelectric film are preferably formed by a vapor phase growth method.
本発明の圧電素子において、第1の電極及び第２の電極は印加電圧が固定されるグランド電極であり、中間電極は印加電圧が変動されるアドレス電極であることが好ましい。 In the piezoelectric element of the present invention, the first electrode and the second electrode are preferably ground electrodes to which the applied voltage is fixed, and the intermediate electrode is preferably an address electrode in which the applied voltage is varied.
本発明の圧電アクチュエータは、本発明の圧電素子と、その圧電素子の前記第1の圧電体膜及び第2の圧電体膜に電界を印加して圧電素子を駆動する駆動ドライバとを備えたことを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator of the present invention includes the piezoelectric element of the present invention and a drive driver that drives the piezoelectric element by applying an electric field to the first piezoelectric film and the second piezoelectric film of the piezoelectric element. It is characterized by.
本発明の圧電アクチュエータは、第1の圧電体膜の下層に、圧電素子を駆動することにより第1の圧電体膜及び第２の圧電体膜に生じる変位を外部に伝える振動板を備えてもよいし、第1の圧電体膜が、この振動板として機能するものであってもよい。 The piezoelectric actuator of the present invention may further include a diaphragm that transmits the displacement generated in the first piezoelectric film and the second piezoelectric film to the outside by driving the piezoelectric element below the first piezoelectric film. Alternatively, the first piezoelectric film may function as this diaphragm.
また本発明の圧電アクチュエータは、前記駆動ドライバの出力電圧を２０V以下とすることができる。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the output voltage of the drive driver can be 20 V or less.
本発明の液体吐出装置は、上記本発明の圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータの基板に一体的にまたは別体として設けられた液体吐出部材とを備え、この液体吐出部材が、液体が貯留される液体貯留室と、液体貯留室から外部に液体が吐出される液体吐出口とを有するものであることを特徴とするものである。 The liquid ejection apparatus of the present invention includes the piezoelectric actuator of the present invention and a liquid ejection member provided integrally or separately on the substrate of the piezoelectric actuator, and the liquid ejection member stores liquid. It has a liquid storage chamber and a liquid discharge port through which liquid is discharged from the liquid storage chamber to the outside.
本発明の圧電素子は、膜厚が１０μm以下の圧電体膜を用いたバイモルフ型の圧電素子であって、圧電体膜の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下のものである。かかる構成によれば、圧電体膜の電極との接触面の表面粗さＲａが０．５μm以下と小さいため、電界印加時に電界集中を生じにくく、電界集中による圧電体の劣化を抑制することができる。従って、本発明によれば、膜厚が１０μm以下の圧電体膜により圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子を提供することができる。 The piezoelectric element of the present invention is a bimorph type piezoelectric element using a piezoelectric film having a film thickness of 10 μm or less, and the surface roughness Ra of the surface of the piezoelectric film is 0.5 μm or less. According to such a configuration, since the surface roughness Ra of the contact surface with the electrode of the piezoelectric film is as small as 0.5 μm or less, electric field concentration hardly occurs when an electric field is applied, and deterioration of the piezoelectric body due to electric field concentration can be suppressed. it can. Therefore, according to the present invention, a piezoelectric element having high piezoelectric performance and high operational stability can be provided by a piezoelectric film having a thickness of 10 μm or less.
また、気相成長法により成膜された圧電体膜を備えた構成では、圧電体膜の分極方向がａｓｄｅｐｏ状態において下部から上部に分極されているものが多い。本発明の圧電素子は、バイモルフ型であるため、中間電極をアドレス電極としてプラスドライバによりパラレル駆動させることが可能である。従って、圧電体膜に逆分極処理を施すことなく駆動させることができる。 Further, in the configuration including the piezoelectric film formed by the vapor phase growth method, the polarization direction of the piezoelectric film is often polarized from the lower part to the upper part in the asdepo state. Since the piezoelectric element of the present invention is a bimorph type, it can be driven in parallel by a plus driver using the intermediate electrode as an address electrode. Therefore, the piezoelectric film can be driven without performing reverse polarization processing.
「圧電素子、インクジェット式記録ヘッド」
図面を参照して本発明に係る実施形態の圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造について説明する。図１は、インクジェット式記録ヘッドの要部断面図、図２は製造工程図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。本実施形態では、中間電極をアドレス電極としてパラレル駆動により駆動させるバイモルフ型の圧電素子を例に説明する。
"Piezoelectric element, inkjet recording head"
A structure of a piezoelectric element and an ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of an essential part of an ink jet recording head, and FIG. 2 is a manufacturing process diagram. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one. In the present embodiment, a bimorph type piezoelectric element that is driven by parallel drive using an intermediate electrode as an address electrode will be described as an example.
図１に示されるように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３は、概略、圧電アクチュエータ２の裏面に、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）３１及びインク室３１から外部にインクが吐出されるインク吐出口（液体吐出口）３２を有するインクノズル（液体貯留吐出部材）３０が取り付けられたものである。
インクジェット式記録ヘッド３では、圧電素子１に印加する電界強度を増減させて圧電素子１を伸縮させ、これによってインク室３１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
As shown in FIG. 1, the ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) 3 according to the present embodiment is roughly an ink chamber (liquid storage chamber) 31 in which ink is stored and an ink chamber 31 on the back surface of the piezoelectric actuator 2. An ink nozzle (liquid storage and discharge member) 30 having an ink discharge port (liquid discharge port) 32 through which ink is discharged to the outside is attached.
In the ink jet recording head 3, the electric field strength applied to the piezoelectric element 1 is increased or decreased to expand and contract the piezoelectric element 1, thereby controlling the ejection of ink from the ink chamber 31 and the ejection amount.
通常、圧電アクチュエータは圧電素子の基板の裏面に、圧電体層の伸縮により振動する振動板を設けた構成としているが、本実施形態では、振動板を設けずに圧電素子１に駆動ドライバ４０を備えた構成としている。本実施形態の圧電素子１は、第１の圧電体膜１３と第２の圧電体膜１４の２枚の圧電体膜により構成されているので、下層の第１の圧電体膜１３が振動板の機能を兼ねることができる。圧電体膜１３に加えて、電極や基板１１の一部（例えば、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉ熱酸化膜やＳｉ膜）が振動板機能を有していても構わない。 Usually, the piezoelectric actuator has a configuration in which a vibration plate that vibrates due to expansion and contraction of the piezoelectric layer is provided on the back surface of the substrate of the piezoelectric element. However, in this embodiment, the drive driver 40 is provided on the piezoelectric element 1 without providing the vibration plate. It has a configuration with. Since the piezoelectric element 1 of the present embodiment is composed of two piezoelectric films, the first piezoelectric film 13 and the second piezoelectric film 14, the lower first piezoelectric film 13 is the diaphragm. It can also serve as a function. In addition to the piezoelectric film 13, a part of the electrode or the substrate 11 (for example, a Si thermal oxide film or a Si film formed on the Si substrate) may have a diaphragm function.
基板１１とは独立した部材のインクノズル３０を取り付ける代わりに、基板１１の一部を加工して基板１１と一体的にインクノズル３０を設けた構成としてもよい。例えば、基板１１を裏面側からエッチングしてインク室３１を形成した後（図２（ｈ））、インク吐出口３２を取り付けることによりインクノズル３０を形成することができる（図２（ｉ））。例えば、基板１１として表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）が形成されたＳｉ基板を用いる場合は、ＳｉＯ２膜がエッチングストッパ層として機能して良好にエッチングすることができる。基板１１のエッチングは、基板１１の裏面にＡｌ等の金属によりマスクを形成し、そのマスクを用いて行えばよい。 Instead of attaching the ink nozzle 30 which is a member independent of the substrate 11, a part of the substrate 11 may be processed to provide the ink nozzle 30 integrally with the substrate 11. For example, after the substrate 11 is etched from the back side to form the ink chamber 31 (FIG. 2 (h)), the ink nozzle 30 can be formed by attaching the ink discharge port 32 (FIG. 2 (i)). . For example, when a Si substrate having a thermal oxide film (SiO 2 film) formed on the surface is used as the substrate 11, the SiO 2 film functions as an etching stopper layer and can be etched well. The substrate 11 may be etched by forming a mask with a metal such as Al on the back surface of the substrate 11 and using the mask.
圧電素子１は、基板１１の表面に、下部電極（第1の電極）２１と第1の圧電体膜１３と第2の圧電体膜１４と上部電極（第２の電極）２３とが順次積層された素子であり、第1の圧電体膜１３と第2の圧電体膜１４との間には中間電極２２がパターン形成されている。 In the piezoelectric element 1, a lower electrode (first electrode) 21, a first piezoelectric film 13, a second piezoelectric film 14, and an upper electrode (second electrode) 23 are sequentially stacked on the surface of a substrate 11. An intermediate electrode 22 is patterned between the first piezoelectric film 13 and the second piezoelectric film 14.
第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４は、下部電極２１と中間電極２２と上部電極２３とにより膜厚方向に電界が印加されるようになっている。圧電アクチュエータ２はたわみ振動モードのアクチュエータであるので、中間電極２２はインク室３１毎に駆動電圧を変動可能なように、各圧電体膜と共にパターニングされている。圧電アクチュエータ２には、中間電極２２の印加電圧を変動させる駆動制御を行う駆動ドライバ４０も備えられている。 An electric field is applied to the first piezoelectric film 13 and the second piezoelectric film 14 in the film thickness direction by the lower electrode 21, the intermediate electrode 22, and the upper electrode 23. Since the piezoelectric actuator 2 is a flexural vibration mode actuator, the intermediate electrode 22 is patterned together with each piezoelectric film so that the drive voltage can be varied for each ink chamber 31. The piezoelectric actuator 2 is also provided with a drive driver 40 that performs drive control to vary the voltage applied to the intermediate electrode 22.
本実施形態において、第1の圧電体膜１３及び第2の圧電体膜１４は、いずれも自発分極のマイナス側が下部電極２１側であり、自発分極のプラス側が上部電極２３側（＝自発分極が上向き）であるパラレル型である。下部電極２１及び上部電極２３を印加電圧が固定されるグランド（ＧＮＤ）電極とし、中間電極２２を印加電圧が変動されるアドレス電極とすることにより、パラレル駆動させることが可能である。 In the present embodiment, in each of the first piezoelectric film 13 and the second piezoelectric film 14, the negative side of the spontaneous polarization is the lower electrode 21 side, and the positive side of the spontaneous polarization is the upper electrode 23 side (= the spontaneous polarization is Parallel type that is upward). Parallel driving is possible by using the lower electrode 21 and the upper electrode 23 as ground (GND) electrodes to which the applied voltage is fixed, and the intermediate electrode 22 as address electrodes whose applied voltage is varied.
バイモルフ型ではない通常の圧電素子では、従来下部電極のパターニングが難しいため、下部電極をベタ膜構造としてパターニングを行わず、圧電体層及び上部電極を複数のインク室に応じた分離パターンとし、下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として駆動することが一般的である。 In conventional piezoelectric elements that are not bimorph type, it is difficult to pattern the lower electrode in the past, so the lower electrode is not patterned with a solid film structure, and the piezoelectric layer and upper electrode are separated according to a plurality of ink chambers. In general, the electrode is driven as a ground electrode and the upper electrode is driven as an address electrode.
スパッタ法等の気相成長法により成膜された圧電体膜、特にＰＺＴ系圧電体膜は、組成や添加物の材料によっても異なるが、成膜直後の特段の分極処理を行わない状態で通常、自発分極が上向きとなりやすい。一方、駆動ドライバとしては、プラス電圧を印加するプラス出力ドライバが一般的であり、そのため、圧電体層の自発分極が下向き（自発分極のマイナス側が上部電極側であり、自発分極のプラス側が下部電極側）となるように逆分極処理を行い、上部電極をプラス出力ドライバで駆動することが一般になされている。 Piezoelectric films formed by vapor phase epitaxy such as sputtering, especially PZT-based piezoelectric films, vary depending on the composition and material of the additive, but usually without special polarization treatment immediately after film formation. Spontaneous polarization tends to be upward. On the other hand, as a drive driver, a positive output driver that applies a positive voltage is generally used, so that the spontaneous polarization of the piezoelectric layer is downward (the negative side of the spontaneous polarization is the upper electrode side, and the positive side of the spontaneous polarization is the lower electrode) In general, reverse polarization processing is performed so that the upper electrode is driven by a plus output driver.
しかしながら逆分極処理は、圧電体が本来持っている圧電性能が充分に引き出されない恐れがある上、元々上向きの分極を有する圧電体膜に逆分極処理を行うことは非効率的である。 However, the reverse polarization treatment may not sufficiently bring out the piezoelectric performance inherent to the piezoelectric body, and it is inefficient to perform the reverse polarization treatment on the piezoelectric film that originally has upward polarization.
本実施形態の圧電素子１は、上記のように中間電極２２をアドレス電極としてパラレル駆動が可能である。従って気相成長法により得られた上向きの自発分極を有する圧電体膜を、逆分極処理を施すことなく、かつ、プラス出力の駆動ドライバにより駆動可能とすることができる。 The piezoelectric element 1 of the present embodiment can be driven in parallel using the intermediate electrode 22 as an address electrode as described above. Therefore, the piezoelectric film having upward spontaneous polarization obtained by the vapor phase growth method can be driven by a positive output driver without performing reverse polarization.
また、下部電極２１はインク室３１に近接して形成されているため、グランド電極であることが好ましい。下部電極２１がアドレス電極であると、高周波電界をかけた場合にインク室３１の周りに電界がかかりやすくインク室３１内のインクが電気分解する恐れがある。かかる構成とすることにより、インクを変質させることなく駆動させることができる。 Since the lower electrode 21 is formed close to the ink chamber 31, it is preferably a ground electrode. If the lower electrode 21 is an address electrode, an electric field is likely to be applied around the ink chamber 31 when a high-frequency electric field is applied, and the ink in the ink chamber 31 may be electrolyzed. With this configuration, it is possible to drive the ink without deteriorating it.
以下に、本実施形態の圧電素子１及び圧電アクチュエータ２の製造工程の一例を示す。
まず、基板１１を用意し、基板１１上に下部電極２１、その上に第１の圧電体膜１３を形成する（図２（ａ））。
Below, an example of the manufacturing process of the piezoelectric element 1 and the piezoelectric actuator 2 of this embodiment is shown.
First, the substrate 11 is prepared, and the lower electrode 21 is formed on the substrate 11, and the first piezoelectric film 13 is formed thereon (FIG. 2A).
基板１１としては特に制限なく、シリコン，ガラス，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），ＳｒＴｉＯ３，アルミナ，サファイヤ，及びシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。振動板を有する構成とする場合は、シリコン基板上にＳｉＯ２膜とＳｉ活性層とが順次積層された高価なＳＯＩ基板を用い、Ｓｉ層を振動板とする構成が多いが、本実施形態では、振動板を必要としないためＳＯＩ基板を用いる必要がなく、また、あらたに振動板を設ける必要もないことから、小型化及び低コスト化ができ好ましい。 The substrate 11 is not particularly limited, and examples thereof include silicon, glass, stainless steel (SUS), yttrium stabilized zirconia (YSZ), SrTiO 3 , alumina, sapphire, and silicon carbide. In the case of a configuration having a vibration plate, an expensive SOI substrate in which a SiO 2 film and a Si active layer are sequentially laminated on a silicon substrate is used, and there are many configurations in which the Si layer is a vibration plate. Since no diaphragm is required, it is not necessary to use an SOI substrate, and it is not necessary to newly provide a diaphragm, which is preferable because it can be reduced in size and cost.
また、基板１１を、格子整合性を良好にするためのバッファ層１２を設けたものとしてもよい。例えば、熱酸化膜つきＳｉ基板を用いれば、熱酸化膜がバッファ層１２として機能し、格子不整合等による欠陥を抑制することができる。 Further, the substrate 11 may be provided with a buffer layer 12 for improving lattice matching. For example, if a Si substrate with a thermal oxide film is used, the thermal oxide film functions as the buffer layer 12 and defects due to lattice mismatch or the like can be suppressed.
下部電極２１としては、特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３等の金属又は金属酸化物及びこれらの組み合わせ、また、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｔａ等の非貴金属及びこれらの合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とするもの、及びこれらの組合せ等が挙げられる。 The lower electrode 21 is not particularly limited, and is a metal or metal oxide such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3 and combinations thereof, and Cr, W, Ti, Al, Examples include non-noble metals such as Fe, Mo, In, Sn, Ni, Cu, Co, and Ta, at least one metal selected from the group consisting of these alloys, and combinations thereof. .
下部電極２１の成膜方法は特に制限なく、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、及びプラズマＣＶＤ法等のプラズマを用いる気相成長法等が挙げられる。 The method for forming the lower electrode 21 is not particularly limited, and examples thereof include a vapor deposition method using plasma such as a sputtering method, an ion beam sputtering method, an ion plating method, and a plasma CVD method.
下部電極２１の厚みは特に制限ないが、厚すぎると電極自体に剛性を有して圧電体膜の変位を制限してしまう恐れがあるため、３００ｎｍ以下であることが好ましい。 The thickness of the lower electrode 21 is not particularly limited. However, if the thickness is too large, the electrode itself has rigidity and may limit the displacement of the piezoelectric film.
また、下部電極２１を形成する前に、電極と基板との密着性を良好にするための密着層を設けても構わない。例えば、Ｓｉ基板上にＩｒ電極を形成する場合には、密着層としてはＴｉ密着層を用いることができる。 In addition, an adhesion layer for improving the adhesion between the electrode and the substrate may be provided before forming the lower electrode 21. For example, when an Ir electrode is formed on a Si substrate, a Ti adhesion layer can be used as the adhesion layer.
第1の圧電体膜１３としては特に制限なく、ペロブスカイト型酸化物からなるもの（不可避不純物を含んでいてもよい。）が挙げられ、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなるものが好ましい。
一般式ＡａＢｂＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素元素。
ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
The first piezoelectric film 13 is not particularly limited, and may be one made of a perovskite oxide (which may contain inevitable impurities), and one or more kinds represented by the following general formula (P) Those composed of the perovskite type oxide are preferred.
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: Oxygen element.
The case where a = 1.0 and b = 1.0 is a standard, but these numerical values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. )
上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物；
及び、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。
第1の圧電体膜１３は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。
Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, zirconium magnesium niobate Lead-containing compounds such as lead titanate, lead nickel niobate and zirconium titanate;
And non-lead-containing compounds such as barium titanate, bismuth sodium titanate, bismuth potassium titanate, sodium niobate, potassium niobate, and lithium niobate.
The first piezoelectric film 13 may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P).
本発明は、下記一般式（Ｐ−１）で表されるＰＺＴ又はそのＢサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Ｐｂａ（Ｚｒｂ１Ｔｉｂ２Ｘｂ３）Ｏ３・・・（Ｐ−１）
（式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ＝１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
The present invention is preferably applicable to PZT represented by the following general formula (P-1) or a B site substitution system thereof, and mixed crystal systems thereof.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)
圧電素子の小型化という点で、圧電体膜１３の膜厚は薄い方が好ましく、本実施形態では１０μm以下である。例えばピエゾ素子の用途では、実質上１μm以上５μm以下であることが好ましい。圧電体膜１３の成膜方法は特に限定されないが、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、及びプラズマＣＶＤ法等のプラズマを用いる気相成長法が好ましい。 In terms of miniaturization of the piezoelectric element, the piezoelectric film 13 is preferably thin, and in the present embodiment, it is 10 μm or less. For example, in the use of a piezo element, it is preferably substantially 1 μm or more and 5 μm or less. The method for forming the piezoelectric film 13 is not particularly limited, but a vapor phase growth method using plasma such as a sputtering method, an ion beam sputtering method, an ion plating method, and a plasma CVD method is preferable.
膜厚が１０μm以下の圧電体膜１３は、例えばスクリーン印刷法によっても作製可能であるが、かかる膜厚の場合は、均一性が悪く、圧電体膜表面の表面粗さRaが大きくなりやすい。図３は、スクリーン印刷により作製された厚さ７μm程度のＰＺＴ焼結体を圧電体膜として用いたバイモルフ型の圧電素子の厚み方向のSEM像であり、図からもその均一性の悪さを確認することができる。 The piezoelectric film 13 having a film thickness of 10 μm or less can be manufactured by, for example, a screen printing method, but in the case of such a film thickness, the uniformity is poor and the surface roughness Ra of the surface of the piezoelectric film tends to increase. Fig. 3 is a SEM image in the thickness direction of a bimorph type piezoelectric element using a PZT sintered body with a thickness of about 7μm produced by screen printing as a piezoelectric film, and the poor uniformity was also confirmed from the figure can do.
背景技術の項において述べたように、圧電体膜表面の表面粗さRaが大きい場合には、電界印加時に電極との接触点に電界集中を生じやすく、それにより圧電体が劣化して動作寿命や動作安定性が悪くなる恐れがある。特に膜厚が薄い場合は圧電体劣化による素子動作への影響が生じやすいため、表面粗さはできるだけ小さい値を有していることが好ましい。本実施形態において、圧電体膜１３の基板１１側の表面及び基板１１と反対側の表面の両方の表面粗さができるだけ小さい値を有していることが好ましいが、少なくとも基板１１と反対側の表面の表面粗さができるだけ小さい値を有していればよい。 As described in the Background section, when the surface roughness Ra of the piezoelectric film surface is large, electric field concentration is likely to occur at the contact point with the electrode when an electric field is applied, which causes deterioration of the piezoelectric material and operating life. Otherwise, the operation stability may deteriorate. In particular, when the film thickness is small, the surface roughness is preferably as small as possible because the deterioration of the piezoelectric material tends to affect the device operation. In the present embodiment, it is preferable that the surface roughness of both the surface of the piezoelectric film 13 on the substrate 11 side and the surface on the opposite side of the substrate 11 has a value as small as possible. It is sufficient that the surface roughness of the surface has a value as small as possible.
圧電素子１は、膜厚を１０μm以下としているので、表面粗さＲａが０．５μm以下であれば動作特性に影響を与えるような電界集中を生じる恐れがない。気相成長法によって成膜された圧電体膜は、膜厚が１０μm以下であっても高い均一性を有し、また表面粗さRaも０．５μm以下のものを容易に得ることが可能であるため好ましい。 Since the piezoelectric element 1 has a film thickness of 10 μm or less, if the surface roughness Ra is 0.5 μm or less, there is no fear of electric field concentration affecting the operating characteristics. Piezoelectric films formed by vapor deposition have high uniformity even when the film thickness is 10 μm or less, and can easily obtain a surface roughness Ra of 0.5 μm or less. This is preferable.
圧電体膜では、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、電界誘起歪による圧電効果が効果的に得られる。したがって、第1の圧電体膜１３としては自発分極軸方向のばらつきの少ない結晶配向膜が好ましい。 In the piezoelectric film, when the vector component of the spontaneous polarization axis coincides with the electric field application direction, the expansion / contraction accompanying the increase / decrease in the electric field application intensity occurs effectively, and the piezoelectric effect due to the electric field induced strain is effectively obtained. Accordingly, the first piezoelectric film 13 is preferably a crystal orientation film with little variation in the direction of spontaneous polarization axis.
第1の圧電体膜１３の結晶構造は特に制限なく、ＰＺＴ系では、正方晶系、菱面体晶系、及びこれらの混晶系が挙げられる。例えば、ＭＰＢ組成のＰｂ１．３Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３であれば、成膜条件によって、正方晶単晶構造、正方晶と菱面体晶との混晶構造、あるいは菱面体単晶構造が得られる。 The crystal structure of the first piezoelectric film 13 is not particularly limited. Examples of the PZT system include tetragonal system, rhombohedral system, and mixed crystals thereof. For example, in the case of Pb 1.3 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 having an MPB composition, a tetragonal single crystal structure, a mixed crystal structure of tetragonal crystals and rhombohedral crystals, or a rhombohedral single crystal, depending on the film forming conditions. A crystal structure is obtained.
本実施形態において、第1の圧電体膜１３は、自発分極が上向きであることを述べた。逆分極処理は圧電性能を充分に引き出せない恐れがあるため、成膜直後の特段の分極処理を行わない状態で、圧電体層１３は、自発分極が上向きであることが好ましい。 In the present embodiment, it has been described that the first piezoelectric film 13 has upward spontaneous polarization. Since the reverse polarization treatment may not sufficiently bring out the piezoelectric performance, it is preferable that the piezoelectric layer 13 has upward spontaneous polarization in a state in which no special polarization treatment is performed immediately after film formation.
例えば、菱面体晶相を含む系（正方晶と菱面体晶との混晶系、あるいは菱面体晶系）であれば、第1の圧電体膜１３は（１００）配向又は（１１１）配向の結晶配向性を有することが好ましい。菱面体晶の自発分極軸方向は＜１１１＞であるため、（１００）配向のときでも自発分極は上向きのベクトル成分を有することとなる。気相成長法により成膜された圧電体膜１３は、ある成膜条件では基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜となり、既に述べたように上向きの自発分極を有するものとなりやすく、好ましい。 For example, in the case of a system including a rhombohedral phase (tetragonal and rhombohedral crystal system, or rhombohedral system), the first piezoelectric film 13 has a (100) orientation or a (111) orientation. It preferably has crystal orientation. Since the spontaneous polarization axis direction of the rhombohedral crystal is <111>, the spontaneous polarization has an upward vector component even in the (100) orientation. The piezoelectric film 13 formed by the vapor phase growth method becomes a columnar structure film made up of a number of columnar crystals extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface under a certain film formation condition. It tends to have polarization, which is preferable.
次に、中間電極２２をパターン形成する。中間電極２２としては、上記下部電極２１と同様のものが例示できるが、中間電極２２はパターニング性の良好なものであることが好ましい。中間電極２２のパターニング方法は制限されないが、本実施形態ではリフトオフ法により形成する。 Next, the intermediate electrode 22 is patterned. Examples of the intermediate electrode 22 are the same as those of the lower electrode 21, but the intermediate electrode 22 preferably has good patternability. Although the patterning method of the intermediate electrode 22 is not limited, in the present embodiment, the intermediate electrode 22 is formed by a lift-off method.
まず電極材料を成膜する前に、中間電極２２の非パターン形成領域に、リフトオフによって選択的に除去可能な犠牲層２２ｓを転写成型法等によりパターン形成し（図２（ｂ））、その上に中間電極２２の構成材料を全面成膜（２２ｘ）した後（図２（ｃ））、リフトオフにより犠牲層２２ｓ上の不要部分を除去して中間電極２２を得る（図２（ｄ））。 First, before the electrode material is deposited, a sacrificial layer 22s that can be selectively removed by lift-off is formed in a non-pattern forming region of the intermediate electrode 22 by a transfer molding method or the like (FIG. 2B), Then, after forming the entire surface of the constituent material of the intermediate electrode 22 (22x) (FIG. 2C), unnecessary portions on the sacrificial layer 22s are removed by lift-off to obtain the intermediate electrode 22 (FIG. 2D).
本実施形態において中間電極２２の成膜方法は、下部電極２１と同様の方法が挙げられる。気相成長法により成膜された中間電極２２は、第1の圧電体膜１３と同様、ある成膜条件では基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜となる。柱状構造膜は、リフトオフによるパターニングにおいて隣接する柱状体同士が機械的に分離されやすいため、柱状体の側面で切れやすい。従って、リフトオフ法により、切断面の形状が良好で均一性の高いパターニングをすることができる。 In the present embodiment, the method for forming the intermediate electrode 22 includes the same method as that for the lower electrode 21. Similar to the first piezoelectric film 13, the intermediate electrode 22 formed by vapor deposition is a columnar structure film composed of a number of columnar bodies extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface under certain film formation conditions. . Since the columnar structure film is easily mechanically separated from each other in the patterning by lift-off, the columnar structure film is easily cut at the side surface of the columnar body. Therefore, by the lift-off method, patterning with a good cut surface shape and high uniformity can be performed.
リフトオフは、熱処理により犠牲層２２ｓを酸化して剥離する方法、あるいは犠牲層２２ｓが可溶な有機溶剤により溶解させる方法等により実施することができる。リフトオフ条件は、犠牲層の構成材料に応じて適宜設計すればよい。 The lift-off can be performed by a method in which the sacrificial layer 22s is oxidized and peeled off by heat treatment, or a method in which the sacrificial layer 22s is dissolved in a soluble organic solvent. The lift-off conditions may be appropriately designed according to the constituent material of the sacrificial layer.
次に、第２の圧電体膜１４を形成し（図２（ｅ））、更に上部電極２３をパターン形成した後（図２（ｆ））、アクセスホール１４ｈを形成して圧電素子１を得る。第２の圧電体膜１４としては、第１の圧電体膜１３と同様のものが挙げられ、好ましい膜厚や表面粗さ、成膜方法も第１の圧電体膜１３と同様である。 Next, the second piezoelectric film 14 is formed (FIG. 2 (e)), the upper electrode 23 is further patterned (FIG. 2 (f)), and then the access hole 14h is formed to obtain the piezoelectric element 1. . Examples of the second piezoelectric film 14 include the same film as the first piezoelectric film 13, and a preferable film thickness, surface roughness, and film formation method are the same as those of the first piezoelectric film 13.
上部電極２３としては、中間電極２２と同様のものが挙げられ、好ましい厚みや成膜方法も中間電極２２と同様である。上部電極２３は、所定の場所にパターン形成され、パターニング方法等は中間電極２２と同様の方法が挙げられる。 The upper electrode 23 may be the same as the intermediate electrode 22, and the preferred thickness and film formation method are the same as those of the intermediate electrode 22. The upper electrode 23 is patterned at a predetermined location, and the patterning method and the like can be the same method as the intermediate electrode 22.
アクセスホール１４ｈは、第１の圧電体膜１３を駆動させるために中間電極２２への配線可能とするものであり、後記する上部電極２３を形成した後、アクセスホール１４ｈのエッチングパターンをフォトリソグラフィにより形成し、そのエッチングパターンを利用してウエットエッチング等により形成すればよい（図２（ｇ））。 The access hole 14h can be wired to the intermediate electrode 22 to drive the first piezoelectric film 13, and after forming the upper electrode 23 described later, the etching pattern of the access hole 14h is formed by photolithography. It may be formed by wet etching using the etching pattern (FIG. 2G).
最後に、配線を施して駆動ドライバ４０を設けて圧電アクチュエータ２とする。駆動ドライバ４０は、プラス出力ドライバである。本実施形態では、圧電体膜１３，１４はいずれも上向きの分極方向を有しているパラレル型であり、抗電界を超えない範囲で駆動ドライバ４０を駆動させて電界を印加させると、下部電極２１と中間電極２２との間には分極方向に対して逆方向の電界がかかるため、下層の第１の圧電体膜１３は厚み方向に対して縮み、一方、上部電極２３と中間電極２２との間には、順方向の電界がかかるため、上層の第２の圧電体膜１４は厚み方向に延びる。従って、圧電体素子１では、圧電体膜１３，１４の２層分の変位の合計の変位を得ることができる。 Finally, wiring is provided and a drive driver 40 is provided to form the piezoelectric actuator 2. The drive driver 40 is a plus output driver. In the present embodiment, each of the piezoelectric films 13 and 14 is a parallel type having an upward polarization direction, and when the drive driver 40 is driven within a range not exceeding the coercive electric field to apply an electric field, the lower electrode Since an electric field in a direction opposite to the polarization direction is applied between the intermediate electrode 22 and the intermediate electrode 22, the lower first piezoelectric film 13 contracts in the thickness direction, while the upper electrode 23, the intermediate electrode 22, Since a forward electric field is applied between them, the upper second piezoelectric film 14 extends in the thickness direction. Therefore, in the piezoelectric element 1, the total displacement of the displacements of the two layers of the piezoelectric films 13 and 14 can be obtained.
このように、圧電素子１は１層構造の圧電素子において得られる変位より大きな変位が得られるため、圧電素子１を備えた圧電アクチュエータ２は、駆動ドライバ４０を安価な低電圧ドライバとすることができ、例えば、出力電圧が２０Ｖ以下のドライバを用いても、高い圧電性能を得ることが可能である。出力電圧を低くすることができれば、圧電体膜の疲労を抑制し、耐久性も向上させることができる。 As described above, since the piezoelectric element 1 can obtain a displacement larger than that obtained in the piezoelectric element having a single-layer structure, the piezoelectric actuator 2 including the piezoelectric element 1 can make the drive driver 40 an inexpensive low-voltage driver. For example, even if a driver having an output voltage of 20 V or less is used, high piezoelectric performance can be obtained. If the output voltage can be lowered, fatigue of the piezoelectric film can be suppressed and durability can be improved.
本実施形態の圧電素子１は、膜厚が１０μm以下の圧電体膜１３，１４を用いたバイモルフ型の圧電素子であり、圧電体膜１３及び１４の表面の表面粗さＲａが０．５μm以下のものである。かかる構成によれば、圧電体膜１３，１４の電極との接触面の表面粗さＲａが０．５μm以下と小さいため、電界印加時に電界集中を生じにくく、電界集中による圧電体膜１３，１４の劣化を抑制することができる。従って、本発明によれば、膜厚が１０μm以下の圧電体膜により圧電性能及び動作安定性の高い圧電素子１を提供することができる。 The piezoelectric element 1 of the present embodiment is a bimorph type piezoelectric element using piezoelectric films 13 and 14 having a film thickness of 10 μm or less, and the surface roughness Ra of the surfaces of the piezoelectric films 13 and 14 is 0.5 μm or less. belongs to. According to this configuration, since the surface roughness Ra of the contact surfaces of the piezoelectric films 13 and 14 with the electrodes is as small as 0.5 μm or less, the electric field concentration hardly occurs when an electric field is applied, and the piezoelectric films 13 and 14 due to the electric field concentration. Can be prevented. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide the piezoelectric element 1 having high piezoelectric performance and operational stability by the piezoelectric film having a film thickness of 10 μm or less.
また、気相成長法により成膜された圧電体膜１３，１４を備えた構成では、圧電体膜１３，１４の分極方向がａｓｄｅｐｏ状態（as-deposited：成膜直後の状態）において下部から上部に分極されているものが多い。本実施形態の圧電素子１は、バイモルフ型であるため、中間電極２２をアドレス電極としてプラスドライバによりパラレル駆動させることが可能である。従って、圧電体膜１３，１４に逆分極処理を施すことなく駆動させることができる。 Further, in the configuration including the piezoelectric films 13 and 14 formed by the vapor deposition method, the polarization directions of the piezoelectric films 13 and 14 are in the as-depo state (as-deposited: the state immediately after the film formation) from the bottom to the top. Many are polarized. Since the piezoelectric element 1 of this embodiment is a bimorph type, it can be driven in parallel by a plus driver using the intermediate electrode 22 as an address electrode. Accordingly, the piezoelectric films 13 and 14 can be driven without being subjected to reverse polarization processing.
「インクジェット式記録装置」
図４及び図５を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図４は装置全体図であり、図５は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head 3 of the above embodiment will be described. 4 is an overall view of the apparatus, and FIG. 5 is a partial top view.
図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。 The illustrated ink jet recording apparatus 100 includes a printing unit 102 having a plurality of ink jet recording heads (hereinafter simply referred to as “heads”) 3K, 3C, 3M, and 3Y provided for each ink color, and each head 3K, An ink storage / loading unit 114 that stores ink to be supplied to 3C, 3M, and 3Y, a paper feeding unit 118 that supplies recording paper 116, a decurling unit 120 that removes curling of the recording paper 116, and a printing unit An adsorption belt conveyance unit 122 that conveys the recording paper 116 while maintaining the flatness of the recording paper 116, and a print detection unit that reads a printing result by the printing unit 102. 124 and a paper discharge unit 126 that discharges printed recording paper (printed matter) to the outside.
印字部１０２をなすヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３である。 Each of the heads 3K, 3C, 3M, and 3Y forming the printing unit 102 is the ink jet recording head 3 of the above embodiment.
デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図４のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。
In the decurling unit 120, heat is applied to the recording paper 116 by the heating drum 130 in the direction opposite to the curl direction, and the decurling process is performed.
In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 4, a cutter 128 is provided at the subsequent stage of the decurling unit 120, and the roll paper is cut into a desired size by this cutter. The cutter 128 includes a fixed blade 128A having a length equal to or larger than the conveyance path width of the recording paper 116, and a round blade 128B that moves along the fixed blade 128A. The fixed blade 128A is provided on the back side of the print. The round blade 128B is arranged on the print surface side with the conveyance path interposed therebetween. In an apparatus using cut paper, the cutter 128 is unnecessary.
デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。 The decurled and cut recording paper 116 is sent to the suction belt conveyance unit 122. The suction belt conveyance unit 122 has a structure in which an endless belt 133 is wound between rollers 131 and 132, and at least portions facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the printing detection unit 124 are horizontal ( Flat surface).
ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。 The belt 133 has a width that is wider than the width of the recording paper 116, and a plurality of suction holes (not shown) are formed on the belt surface. An adsorption chamber 134 is provided at a position facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the print detection unit 124 inside the belt 133 that is stretched between the rollers 131 and 132. The recording paper 116 on the belt 133 is sucked and held by suctioning at 135 to make a negative pressure.
ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図４上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図４の左から右へと搬送される。 When the power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the rollers 131 and 132 around which the belt 133 is wound, the belt 133 is driven in the clockwise direction in FIG. 4 and is held on the belt 133. The recording paper 116 is conveyed from left to right in FIG.
縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。
Since ink adheres to the belt 133 when a borderless print or the like is printed, the belt cleaning unit 136 is provided at a predetermined position outside the belt 133 (an appropriate position other than the print region).
A heating fan 140 is provided on the upstream side of the printing unit 102 on the paper conveyance path formed by the suction belt conveyance unit 122. The heating fan 140 heats the recording paper 116 by blowing heated air onto the recording paper 116 before printing. Heating the recording paper 116 immediately before printing makes it easier for the ink to dry after landing.
印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図５を参照）。各印字ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。 The printing unit 102 is a so-called full line type head in which line type heads having a length corresponding to the maximum paper width are arranged in a direction (main scanning direction) perpendicular to the paper feed direction (see FIG. 5). Each of the print heads 3K, 3C, 3M, and 3Y is a line-type head in which a plurality of ink discharge ports (nozzles) are arranged over a length exceeding at least one side of the maximum-size recording paper 116 targeted by the ink jet recording apparatus 100. It is configured.
記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。 Heads 3K, 3C, 3M, and 3Y corresponding to the respective color inks are arranged in the order of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) from the upstream side along the feeding direction of the recording paper 116. ing. A color image is recorded on the recording paper 116 by ejecting the color ink from each of the heads 3K, 3C, 3M, 3Y while conveying the recording paper 116.
印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
The print detection unit 124 includes a line sensor that images the droplet ejection result of the print unit 102 and detects ejection defects such as nozzle clogging from the droplet ejection image read by the line sensor.
A post-drying unit 142 including a heating fan or the like for drying the printed image surface is provided at the subsequent stage of the print detection unit 124. Since it is preferable to avoid contact with the printing surface until the ink after printing is dried, a method of blowing hot air is preferred.
後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。 A heating / pressurizing unit 144 is provided downstream of the post-drying unit 142 in order to control the glossiness of the image surface. The heating / pressurizing unit 144 presses the image surface with a pressure roller 145 having a predetermined surface irregularity shape while heating the image surface, and transfers the irregular shape to the image surface.
こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。
The printed matter obtained in this manner is outputted from the paper output unit 126. It is preferable that the original image to be printed (printed target image) and the test print are discharged separately. In the ink jet recording apparatus 100, there is provided sorting means (not shown) for switching the paper discharge path in order to select the print product of the main image and the print product of the test print and send them to the discharge units 126A and 126B. It has been.
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the cutter 148 may be provided to separate the test print portion.
The ink jet recording apparatus 100 is configured as described above.
「設計変更」
上記実施形態では、第１の圧電体膜１３及び第２の圧電体膜１４の分極方向が上向きであるパラレル駆動の圧電素子について説明したが、圧電体の分極方向及び駆動方法はこれに制限されない。例えば、図６に示されるように、中間電極２２をＧＮＤ電極とした構成とすることもできる。このように、下部電極、中間電極、上部電極に印加する電圧と圧電体の分極方向を選ぶことで適切な駆動方向を選ぶことが可能となる。
"Design changes"
In the above embodiment, the parallel-drive piezoelectric element in which the polarization directions of the first piezoelectric film 13 and the second piezoelectric film 14 are upward has been described, but the polarization direction and the driving method of the piezoelectric body are not limited to this. . For example, as shown in FIG. 6, the intermediate electrode 22 may be a GND electrode. As described above, it is possible to select an appropriate driving direction by selecting the voltage applied to the lower electrode, the intermediate electrode, and the upper electrode and the polarization direction of the piezoelectric body.
また、中間電極２２等のパターニングをリフトオフ法により実施したが、フォトリソグラフィ法等を用いてもよい。フォトリソグラフィ法も用いる場合は、エッチング性が良好であり、ウエットエッチングにより容易にパターニングが可能であることが好ましい。かかる中間電極２２としては、Ｆｅ及び／又はＦｅ合金を主成分とするものが挙げられ、ステンレス（ＳＵＳ）が特に好ましい。 Further, the patterning of the intermediate electrode 22 and the like is performed by the lift-off method, but a photolithography method or the like may be used. When the photolithography method is also used, it is preferable that the etching property is good and the patterning can be easily performed by wet etching. Examples of the intermediate electrode 22 include those mainly composed of Fe and / or an Fe alloy, and stainless steel (SUS) is particularly preferable.
また、上記実施形態では、第１の電極を下部電極とし、第２の電極を上部電極とした構成の圧電素子としたが、第１の電極を上部電極とし、第２の電極を下部電極としても構わない。 In the above-described embodiment, the piezoelectric element has a configuration in which the first electrode is the lower electrode and the second electrode is the upper electrode. However, the first electrode is the upper electrode and the second electrode is the lower electrode. It doesn't matter.
圧電アクチュエータ２において振動板を設けない構成としたが、振動板を設けた構成としてもよい。 Although the piezoelectric actuator 2 is not provided with a diaphragm, it may be configured with a diaphragm.
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。 Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
（実施例１）
熱酸化膜つきＳｉ基板を用意し、スパッタ法によりＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）、次いでＩｒ下部電極（膜厚１５０ｎｍ）を基板温度１５０℃にて成膜した。次に、真空度０．５Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率１．０％）、基板温度４８０℃、ｒｆパワー５００Ｗの条件下で、Ｐｂ１．３（（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）０．９Ｎｂ０．１）Ｏ３のターゲット（１２０φ）を用いて、膜厚５μmのＮｂドープＰＺＴ（以下、Ｎｂ−ＰＺＴとする）からなる第１の圧電体膜の成膜を行った。得られた膜のＸＲＤパターンを図７に示す。図７に示されるように、得られた膜は（１００）配向の結晶配向性を有する膜（配向度９０％以上）であった。
Example 1
A Si substrate with a thermal oxide film was prepared, and a Ti adhesion layer (film thickness: 10 nm) and then an Ir lower electrode (film thickness: 150 nm) were formed at a substrate temperature of 150 ° C. by sputtering. Next, Pb 1.3 ((Zr 0.52) under conditions of a vacuum degree of 0.5 Pa, an Ar / O 2 mixed atmosphere (O 2 volume fraction of 1.0%), a substrate temperature of 480 ° C., and an rf power of 500 W. Formation of a first piezoelectric film made of Nb-doped PZT (hereinafter referred to as Nb-PZT) having a film thickness of 5 μm using a target (120φ) of Ti 0.48 ) 0.9 Nb 0.1 ) O 3 Membrane was performed. The XRD pattern of the obtained film is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the obtained film was a film having a crystal orientation of (100) orientation (degree of orientation 90% or more).
このＰＺＴ膜の圧電定数ｄ３１を片持ち梁にて測定したところ、ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖであった。また、分極方向を調べたところ、自発分極のマイナス側が下部電極側であり、プラス側が上部電極側である分極方向を有していた。 When the piezoelectric constant d 31 of this PZT film was measured with a cantilever, it was d 31 = 250 pm / V. Further, when the polarization direction was examined, it was found that the minus side of the spontaneous polarization was the lower electrode side and the plus side was the upper electrode side.
次いで、得られた膜上の中間電極の非パターン形成部分に犠牲層としてリフトオフ用レジスト（AZエレクトロニックマテリアルズ製、AZ-5214）を形成し、その上にＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）Ｉｒ電極層（膜厚１５０ｎｍ）を基板温度１２０℃にて成膜した後、リフトオフ法にて不要部分を除去してＩｒ中間電極を得た。 Next, a lift-off resist (AZ-5214, manufactured by AZ Electronic Materials) is formed as a sacrificial layer on the non-patterned portion of the intermediate electrode on the obtained film, and a Ti adhesion layer (film thickness: 10 nm) Ir electrode is formed thereon. After forming a layer (film thickness of 150 nm) at a substrate temperature of 120 ° C., unnecessary portions were removed by a lift-off method to obtain an Ir intermediate electrode.
次に、第１の圧電体膜と同様に第２の圧電体膜を成膜し、中間電極と同様にリフトオフ法によりＴｉ密着層及びＩｒ上部電極をパターン形成した。上部電極のサイズは１３０×６８０μmとした。 Next, the second piezoelectric film was formed in the same manner as the first piezoelectric film, and the Ti adhesion layer and the Ir upper electrode were patterned by the lift-off method in the same manner as the intermediate electrode. The size of the upper electrode was 130 × 680 μm.
最後に、Ｓｉ基板の裏面に膜厚３００ｎｍのＡｌ膜を形成してフォトリソグラフィ法によりパターニングしてインク室のパターニングマスクとし、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）により、Ｓｉ基板を熱酸化膜に到達するまでエッチングしてインク室を形成し、更にインク吐出口を有するインクノズルとを形成して、１８０×７２０μmのダイアフラム構造のインクジェット式記録ヘッドを得た。 Finally, an Al film having a film thickness of 300 nm is formed on the back surface of the Si substrate and patterned by photolithography to form a patterning mask for the ink chamber, and the Si substrate is formed into a thermal oxide film by RIE (reactive ion etching). An ink chamber was formed by etching until the ink reached, and an ink nozzle having an ink discharge port was formed to obtain an ink jet recording head having a diaphragm structure of 180 × 720 μm.
得られたインクジェット式記録ヘッドを、中間電極をアドレス電極、下部電極及び上部電極をグランド電極として、出力電圧１６Vのプラス出力ドライバを用いて３０KHｚの矩形波を印加して駆動したところ、約２００ｎｍの変位が観測され、良好に駆動することが確認された。 The obtained ink jet recording head was driven by applying a rectangular wave of 30 kHz using a positive output driver with an output voltage of 16 V using the intermediate electrode as an address electrode, the lower electrode and the upper electrode as a ground electrode. Displacement was observed and it was confirmed that it was driven well.
（比較例１）
基板としてＳＯＩ基板を用いた以外は実施例１と同様にして下部電極及びＮｂ−ＰＺＴ膜を成膜し、この膜の上にＴｉ密着層（膜厚１０ｎｍ）及びＩｒ上部電極（膜厚１５０ｎｍ）を実施例１の中間電極と同様にしてリフトオフ法によりパターン形成した。
(Comparative Example 1)
A lower electrode and an Nb-PZT film were formed in the same manner as in Example 1 except that an SOI substrate was used as the substrate, and a Ti adhesion layer (film thickness: 10 nm) and an Ir upper electrode (film thickness: 150 nm) were formed on this film. The pattern was formed by the lift-off method in the same manner as the intermediate electrode of Example 1.
更に実施例１と同様にしてＳＯＩ基板の裏面からＲＩＥによりＳｉを振動板の厚みまでエッチングして１８０×７２０μmのダイアフラム構造のインクジェット式記録ヘッドを得た。 Further, in the same manner as in Example 1, Si was etched from the back surface of the SOI substrate to the thickness of the diaphragm by RIE to obtain an ink jet recording head having a diaphragm structure of 180 × 720 μm.
得られたインクジェット式記録ヘッドを、下部電極をアドレス電極、上部電極をグランド電極として、実施例１と同様の条件で駆動したところ、約１２０ｎｍの変位が観測され、実施例１の６０％程度の変位しか得られなかった。 When the obtained ink jet recording head was driven under the same conditions as in Example 1 using the lower electrode as the address electrode and the upper electrode as the ground electrode, a displacement of about 120 nm was observed, about 60% of that in Example 1. Only displacement was obtained.
本発明の圧電素子は、インクジェット式記録ヘッド，磁気記録再生ヘッド，ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）デバイス，マイクロポンプ，超音波探触子等に搭載される圧電アクチュエータ、及び振動板等に好ましく利用できる。 The piezoelectric element of the present invention is preferably used for an ink jet recording head, a magnetic recording / reproducing head, a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device, a micro pump, an ultrasonic probe mounted on an ultrasonic probe, and a diaphragm. it can.
１ 圧電素子
２ 圧電アクチュエータ
３，３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙ インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）
２１ 下部電極（第１の電極）
１３ 第１の圧電体膜
１４ 第２の圧電体膜
２２ 中間電極
２３ 上部電極（第２の電極）
４０ 駆動ドライバ
３０ インクノズル（液体貯留吐出部材）
３１ インク室（液体貯留室）
３２ インク吐出口（液体吐出口）
１００ インクジェット式記録装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element 2 Piezoelectric actuator 3,3K, 3C, 3M, 3Y Inkjet recording head (liquid discharge apparatus)
21 Lower electrode (first electrode)
13 First piezoelectric film 14 Second piezoelectric film 22 Intermediate electrode 23 Upper electrode (second electrode)
40 Drive driver 30 Ink nozzle (liquid storage and discharge member)
31 Ink chamber (liquid storage chamber)
32 Ink ejection port (liquid ejection port)
100 Inkjet recording device
Claims (10)
前記第１の圧電体膜及び前記第２の圧電体膜の膜厚が１０μｍ以下であり、
該第１の圧電体膜及び該第２の圧電体膜の、前記基板と反対側の表面及び／又は前記基板側の表面の表面粗さＲａが０．５μｍ以下であり、
前記第１の圧電体膜および前記第２の圧電体膜のいずれもが、プラス側が前記第２の電極側である自発分極を有することを特徴とする圧電素子。 On the substrate, a first electrode, a first piezoelectric film, a second piezoelectric film, and a second electrode are sequentially provided, and the first piezoelectric film and the second piezoelectric body are provided. A piezoelectric element comprising an intermediate electrode between the film and
The film thickness of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film is 10 μm or less,
Of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film, the surface roughness Ra of the substrate opposite the surface and / or the substrate side of the surface Ri der less 0.5 [mu] m,
It said first none of the piezoelectric film and the second piezoelectric film, a piezoelectric element plus side is characterized Rukoto that have a spontaneous polarization which is the second electrode side.
該圧電アクチュエータの前記基板に一体的にまたは別体として設けられた液体吐出部材とを備え、
該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口とを有するものであることを特徴とする液体吐出装置。 A piezoelectric actuator according to any one of claims 6 to 9,
A liquid ejection member provided integrally or separately on the substrate of the piezoelectric actuator,
The liquid ejection apparatus, wherein the liquid ejection member has a liquid storage chamber in which liquid is stored, and a liquid discharge port through which the liquid is discharged from the liquid storage chamber.
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