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JP2007335489A - Piezoelectric thin film element, thin film actuator, ink jet head, and ink jet recording apparatus - Google Patents

Piezoelectric thin film element, thin film actuator, ink jet head, and ink jet recording apparatus Download PDF

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JP2007335489A
JP2007335489A JP2006163154A JP2006163154A JP2007335489A JP 2007335489 A JP2007335489 A JP 2007335489A JP 2006163154 A JP2006163154 A JP 2006163154A JP 2006163154 A JP2006163154 A JP 2006163154A JP 2007335489 A JP2007335489 A JP 2007335489A
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thin film
piezoelectric
layer
film element
piezoelectric thin
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Application number
JP2006163154A
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Japanese (ja)
Inventor
Yosuke Koga
陽介 古賀
Akiyuki Fujii
映志 藤井
Shintaro Hara
慎太郎 原
Osamu Watanabe
修 渡邊
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子、それを用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置を得ること。
【解決手段】ペロブスカイト型結晶構造を有するPbを含む酸化物で成膜した圧電体層14と、圧電体層14の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層13,15とを備えている圧電体薄膜素子において、圧電体層14は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第1の値と前記所定値よりも小さい第2の値とを有するように成膜されている。残留歪みが異なる2種類の値のいずれか一つの値を有するように用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できる。圧電体層は必ずしも分極処理を必要とせず、かつ圧電特性が外的影響を受け難くなる。
【選択図】図1
A piezoelectric thin film element having good piezoelectric characteristics even when various internal stresses are present during the formation of the thin film, a thin film actuator and an ink jet head using the piezoelectric thin film element, and an ink jet recording provided with the ink jet head as a printing means To get the equipment.
A piezoelectric layer 14 formed of an oxide containing Pb having a perovskite crystal structure, and electrode layers 13 and 15 formed on layer surfaces on both sides in the thickness direction of the piezoelectric layer 14 are provided. In the piezoelectric thin film element, the piezoelectric layer 14 is formed such that the residual strain has a first value larger than a predetermined value and a second value smaller than the predetermined value depending on the direction of voltage application. . The linearity between the applied voltage and the displacement can be ensured by using one of two types of values having different residual strains. The piezoelectric layer does not necessarily require a polarization process, and the piezoelectric characteristics are hardly affected by external influences.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子、この圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric thin film element exhibiting an electromechanical conversion function, a thin film actuator and an ink jet head using the piezoelectric thin film element, and an ink jet recording apparatus including the ink jet head as a printing unit.

電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子は、一般に、圧電体薄膜をその厚み方向に2つの電極で挟んでなる積層体を備えている。圧電体材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)(以降「PZT」と記す)や、このPZTにマグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブなどを添加したものなどがある。 A piezoelectric thin film element exhibiting an electromechanical conversion function generally includes a laminated body in which a piezoelectric thin film is sandwiched between two electrodes in the thickness direction. Typical examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) (hereinafter referred to as “PZT”), which is an oxide having a perovskite crystal structure, and magnesium, manganese, and PZT. , Nickel, niobium and the like.

特に、ペロブスカイト型結晶構造の正方晶系PZTの場合には、<001>軸方向(C軸方向)に大きな圧電変位が得られ、菱面体晶系PZTの場合には、<111>軸方向に大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体(圧電セラミックス)であり、各結晶軸はでたらめな方向を向いている。そのために自発分極Psもでたらめに配列しているが、圧電体薄膜素子の場合には、それらのベクトルの総和が電界方向と平行になるように作られている。そして、圧電体薄膜素子の1つの利用形態である薄膜アクチュエータにおいては、両電極間に電圧を印加すると、その電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。インクジェットヘッドは、この圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振動子として用いている。   In particular, in the case of tetragonal PZT having a perovskite crystal structure, a large piezoelectric displacement is obtained in the <001> axial direction (C-axis direction), and in the case of rhombohedral PZT, in the <111> axial direction. Large piezoelectric displacement is obtained. However, many piezoelectric materials are polycrystals (piezoelectric ceramics) composed of aggregates of crystal particles, and each crystal axis faces a random direction. For this purpose, the spontaneous polarization Ps is also randomly arranged, but in the case of a piezoelectric thin film element, the sum of those vectors is made to be parallel to the electric field direction. In a thin film actuator that is one form of use of a piezoelectric thin film element, when a voltage is applied between both electrodes, a mechanical displacement proportional to the magnitude of the voltage is obtained. The ink jet head uses this piezoelectric thin film element as a vibrator serving as an ink discharge drive source.

ところで、PZT系の圧電セラミックスでは、ある大きさの電界を印加したときの電界と歪みとの関係は、印加電界が小さい場合はほぼ線形的であるが、印加電界がある臨界以上になると、左右対称のバタフライ形になる(例えば、非特許文献1参照)。また、基板上に形成した圧電体薄膜の場合においても同様である(例えば、特許文献1参照)。   By the way, in the PZT-based piezoelectric ceramics, the relationship between the electric field and strain when an electric field of a certain magnitude is applied is almost linear when the applied electric field is small, but when the applied electric field exceeds a certain critical value, It becomes a symmetrical butterfly shape (see, for example, Non-Patent Document 1). The same applies to the case of a piezoelectric thin film formed on a substrate (see, for example, Patent Document 1).

なお、(特許文献1)では、処女状態の圧電体薄膜素子に電界を印加した後は、電界を取り除いても残留歪みや分極歪みが発生し、良好な圧電特性を得ることが出来ないため、結晶粒子間に存在する異物存在量を低減し、残留歪みを2.5×10-4以下にすることにより、圧電効果の向上を図る方法が提案されている。ここで残留歪みとは、電界強度が0(kV/cm)の時に呈する変位である。
特開平11−214763号公報 内野研二著「圧電/電歪アクチュエータ」森北出版株式会社(第34頁)
In (Patent Document 1), after applying an electric field to a virgin state piezoelectric thin film element, residual strain and polarization distortion occur even if the electric field is removed, and good piezoelectric characteristics cannot be obtained. There has been proposed a method for improving the piezoelectric effect by reducing the amount of foreign matter existing between crystal grains and reducing the residual strain to 2.5 × 10 −4 or less. Here, the residual strain is a displacement exhibited when the electric field strength is 0 (kV / cm).
Japanese Patent Laid-Open No. 11-214763 Kenji Uchino “Piezoelectric / Electrostrictive Actuator” Morikita Publishing Co., Ltd. (page 34)

しかしながら、圧電体材料を用いて圧電体薄膜を形成する場合は、形成時に薄膜内部に発生する応力や下地基板との線膨張係数の違いから受ける応力、電極膜など積層する薄膜から受ける応力など様々な内部応力が存在する。これらの応力は、圧電体薄膜の結晶粒子間に異物が存在するときと同様に、圧電体薄膜に電界を印加し、その電界を取り除いた後に発生する残留歪みの原因となるので、良好な圧電特性を得るための障害となる。例えば、圧電体薄膜素子を薄膜アクチュエータに応用する場合、印加した電圧に対してリニアな変位が得られ難いばかりでなく、長期の使用においては電圧に対する変位の再現性が得られない。しかし、これらの内部応力は、薄膜形成の場合に必ず発生するものであり、なくすことは非常に困難である。   However, when a piezoelectric thin film is formed using a piezoelectric material, there are various stresses such as stress generated in the thin film at the time of formation, stress due to the difference in linear expansion coefficient from the base substrate, stress received from thin films such as electrode films There are various internal stresses. These stresses cause residual strain that occurs after applying an electric field to the piezoelectric thin film and removing the electric field in the same way as when foreign matter exists between crystal grains of the piezoelectric thin film. It becomes an obstacle to obtain the characteristics. For example, when a piezoelectric thin film element is applied to a thin film actuator, not only is it difficult to obtain a linear displacement with respect to an applied voltage, but reproducibility of the displacement with respect to the voltage is not obtained in a long-term use. However, these internal stresses are inevitably generated in the case of forming a thin film and are very difficult to eliminate.

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子、それを用いた薄膜アクチュエータおよびインクジェットヘッド、並びに前記インクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and a piezoelectric thin film element having good piezoelectric characteristics even when various internal stresses exist at the time of thin film formation, a thin film actuator and an ink jet head using the piezoelectric thin film element, and the above-mentioned An object of the present invention is to obtain an ink jet recording apparatus provided with an ink jet head as printing means.

上述した目的を達成するために、この発明は、ペロブスカイト型結晶構造を有するPbを含む酸化物で成膜した圧電体層と、前記圧電体層の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、前記圧電体層は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第1の値と前記所定値よりも小さい第2の値とを有するように成膜されていることを特徴とする。   In order to achieve the above-described object, the present invention provides a piezoelectric layer formed of an oxide containing Pb having a perovskite crystal structure, and an electrode layer formed on each of the layer surfaces on both sides in the thickness direction of the piezoelectric layer. In the piezoelectric thin film element, the piezoelectric layer has a first value whose residual strain is larger than a predetermined value and a second value smaller than the predetermined value depending on a voltage application direction. It is characterized by being formed into a film.

この発明によれば、圧電体層を、形成後には分極が既に一方向に向いているような条件で成膜するので、残留歪みが電圧の印加方向によって異なる2種類の値を有するように形成することができる。換言すれば、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、残留歪みが異なる2種類の値のいずれか一つの値を有するように用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できる。そして、圧電体層は必ずしも分極処理を必要とせず、かつ圧電特性が外的影響を受け難くなる。つまり、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子を得ることができる。   According to the present invention, since the piezoelectric layer is formed under the condition that the polarization is already oriented in one direction after the formation, the residual strain is formed so that the residual strain has two kinds of values depending on the voltage application direction. can do. In other words, even when various internal stresses are present during the formation of the thin film, the linearity between the applied voltage and the displacement can be ensured by using one of two values having different residual strains. . In addition, the piezoelectric layer does not necessarily require a polarization process, and the piezoelectric characteristics are hardly affected by external influences. That is, a piezoelectric thin film element having good piezoelectric characteristics can be obtained.

この発明によれば、薄膜形成時に様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を有する圧電体薄膜素子が得られるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that a piezoelectric thin film element having good piezoelectric characteristics can be obtained even when various internal stresses exist during the formation of the thin film.

以下に図面を参照して、この発明にかかる圧電体薄膜素子、薄膜アクチュエータ、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a piezoelectric thin film element, a thin film actuator, an ink jet head, and an ink jet recording apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。図1に示すように、この実施の形態1による圧電体薄膜素子は、基板11の上に、密着層12、下部電極である第1の電極層13、圧電体薄膜である圧電体層14および上部電極である第2の電極層15を、この順に成膜して形成したものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a piezoelectric thin film element according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric thin film element according to the first embodiment includes an adhesion layer 12, a first electrode layer 13 that is a lower electrode, a piezoelectric layer 14 that is a piezoelectric thin film, and a substrate 11. The second electrode layer 15 that is the upper electrode is formed by depositing in this order.

この圧電体薄膜素子の成膜法には、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、MBE法、PVD法、MOCVD法、プラズマCVD法、ゾルゲル法、MOD法など各種あるが、この実施の形態1では、圧電体層14の形成ではスパッタリング法を用いることにする。その他の要素は、任意である。   There are various film forming methods for this piezoelectric thin film element, such as sputtering, vacuum deposition, laser ablation, ion plating, MBE, PVD, MOCVD, plasma CVD, sol-gel, and MOD. In the first embodiment, a sputtering method is used for forming the piezoelectric layer 14. Other elements are optional.

基板11は、この実施の形態1では、シリコン基板を用いるが、その他、ガラス基板や金属基板、セラミックス基板等も当然に使用可能である。   As the substrate 11, a silicon substrate is used in the first embodiment, but a glass substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like can also be used as a matter of course.

密着層12は、基板11と第1の電極層13との密着性を高めるためのものである。この実施の形態1では、一般性を保つ趣旨から密着層12を設ける場合を示すが、基板11と第1の電極層13との密着性に問題がなければ、設ける必要はない。密着層12の膜厚は、0.005〜1μmの範囲内であればよい。密着層12に用いる材料は、この実施の形態1ではチタン(Ti)を用いているが、その他に、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しくはクロムまたはそれらの化合物等でもよい。   The adhesion layer 12 is for enhancing the adhesion between the substrate 11 and the first electrode layer 13. In the first embodiment, the case where the adhesion layer 12 is provided for the purpose of maintaining generality is shown. However, if there is no problem in the adhesion between the substrate 11 and the first electrode layer 13, it is not necessary to provide the adhesion layer 12. The film thickness of the adhesion layer 12 should just be in the range of 0.005-1 micrometer. The material used for the adhesion layer 12 is titanium (Ti) in the first embodiment, but may be tantalum, iron, cobalt, nickel, chromium, a compound thereof, or the like.

第1の電極層13に用いる材料は、通常は白金(Pt)を用いるが、Pt、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも1種の貴金属又はそれらの化合物であればよく、膜厚は、0.05〜2μmの範囲内であればよい。   The material used for the first electrode layer 13 is usually platinum (Pt), but may be at least one noble metal selected from the group of Pt, iridium, palladium and ruthenium or a compound thereof. Should just be in the range of 0.05-2 micrometers.

最後の第2の電極層15は、通常は白金(Pt)を用いるが、任意の導電材料を用いてよい。その厚さは、0.1〜0.4μmの範囲内であればよい。   The last second electrode layer 15 is usually made of platinum (Pt), but any conductive material may be used. The thickness should just be in the range of 0.1-0.4 micrometer.

さて、圧電体層14は、薄膜形成後には既に分極が一方向に向いているように成膜することを可能にするチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などペロブスカイト型結晶構造を有する鉛(Pb)を含む酸化物を用いて形成するが、上記のようにスパッタリング法を用いて成膜形成することで、「残留歪みが電圧の印加方向によって異なる特性を有すること」「所望の結晶配向性を得ること」「柱状粒子径と膜厚比を所望の範囲内にすること」「柱状粒子間に異物が存在しないようにすること」「薄膜形成後は高温での分極処理を不要にすること」を実現する。   The piezoelectric layer 14 is lead (Pb) having a perovskite crystal structure such as lead zirconate titanate (PZT) that can be formed so that the polarization is already in one direction after the thin film is formed. However, by forming the film using a sputtering method as described above, “residual strain has different characteristics depending on the direction of voltage application” and “obtains desired crystal orientation. "Make columnar particle diameter and film thickness ratio within desired range" "Make foreign matter not exist between columnar particles" "Make polarization treatment at high temperature unnecessary after thin film formation" Realize.

まず、圧電体層14では、薄膜形成後は既に分極が一方向に向いているので、<111>面または<001>面のいずれかに優先配向している。この優先配向によって残留歪みが電圧の印加方向によって異なり、一方が2.5×10-4を超える値となり、他方が2.5×10-4を下回る値となる特性を実現でき、優れた圧電特性が得られる。この<111>面または<001>面での配向率は、90%以上であることが望ましいが、70%以上であれば一応の特性は得られる。 First, the piezoelectric layer 14 is preferentially oriented in either the <111> plane or the <001> plane because the polarization is already in one direction after the thin film is formed. Due to this preferential orientation, the residual strain varies depending on the direction of voltage application, one of which has a value exceeding 2.5 × 10 −4 and the other has a value of less than 2.5 × 10 −4. Characteristics are obtained. The orientation ratio in the <111> plane or the <001> plane is desirably 90% or more, but if it is 70% or more, a temporary characteristic can be obtained.

ここで、<111>面での配向率をα<111>と表記し、<001>面での配向率をα<001>と表記すれば、α<111>=I<111>/ΣI(hkl)、α<001>=I<001>/ΣI(hkl)と定義している。なお、ΣI(hkl)は、X線回折法において、Cu−Kα線を用いたときの2θが10°〜70°でのペロブスカイト型結晶構造のPZTにおける各結晶面からの回折ピーク強度の総和である。   Here, if the orientation rate in the <111> plane is expressed as α <111> and the orientation rate in the <001> plane is expressed as α <001>, α <111> = I <111> / ΣI ( hkl), α <001> = I <001> / ΣI (hkl). Note that ΣI (hkl) is the sum of diffraction peak intensities from each crystal plane in PZT of a perovskite crystal structure with 2θ of 10 ° to 70 ° when using Cu-Kα rays in the X-ray diffraction method. is there.

また、圧電体層14は、厚みは1μm〜10μmの範囲内であるが、膜構造は厚み方向に成長した柱状構造である。そして、その柱状粒子の粒子径は0.1μm〜0.8μmであり、その柱状粒子の粒子径と膜厚との比は、1/2〜1/100である。このような形状を有することにより上記した残留歪みが電圧の印加方向によって異なるが実現できる。つまり、異なる2種類の値のいずれか一つを用いることで、印加電圧と変位との線形性が確保できるので、優れた圧電特性が実現できる。   The piezoelectric layer 14 has a thickness in the range of 1 μm to 10 μm, but the film structure is a columnar structure grown in the thickness direction. And the particle diameter of the columnar particles is 0.1 μm to 0.8 μm, and the ratio of the particle diameter of the columnar particles to the film thickness is 1/2 to 1/100. By having such a shape, the above-described residual strain varies depending on the voltage application direction, and can be realized. That is, by using any one of two different values, the linearity between the applied voltage and the displacement can be ensured, so that excellent piezoelectric characteristics can be realized.

そして、圧電体層14は、膜構造が厚み方向に成長した柱状構造であるが、柱状粒子と柱状粒子の間には異物が存在しない。この点からも、上記した残留歪みが電圧の印加方向によって異なり、優れた圧電特性が実現できる。   The piezoelectric layer 14 has a columnar structure in which the film structure grows in the thickness direction, but no foreign matter exists between the columnar particles. Also from this point, the residual strain described above varies depending on the voltage application direction, and excellent piezoelectric characteristics can be realized.

加えて、圧電体薄膜の場合は、下地基板や電極膜などが存在するため、通常のセラミックスのように分極処理の際に自由に結晶の歪みを変化させることが出来ない。そのため、分極処理を行うと、分極の反転などによる歪みが緩和されずに残ってしまうので、十分な分極処理が行い難い。電圧を高くするなどして、無理に分極処理を行うと、圧電体薄膜の内部にマイクロクラックが発生したり、電極膜や基板との界面で剥離が生じたりしやすい。この実施の形態による圧電体薄膜素子の要部である圧電体層14は、形成後に分極が一方向に揃っているので、高温での分極処理を行う必要がない。そのため、圧電特性が外的影響を受け難くなるので、上述したような信頼性を低下させるようなことは生じない。   In addition, in the case of a piezoelectric thin film, since a base substrate, an electrode film, and the like exist, it is not possible to freely change crystal distortion during polarization treatment as in normal ceramics. For this reason, when polarization processing is performed, distortion due to inversion of polarization or the like remains without being relaxed, and thus sufficient polarization processing is difficult to perform. When the polarization treatment is forcibly performed by increasing the voltage, microcracks are easily generated inside the piezoelectric thin film, or peeling is likely to occur at the interface with the electrode film or the substrate. Since the piezoelectric layer 14 which is the main part of the piezoelectric thin film element according to this embodiment has the polarization aligned in one direction after formation, it is not necessary to perform a polarization process at a high temperature. Therefore, since the piezoelectric characteristics are not easily affected by external influences, the above-described reliability is not lowered.

次に、図2は、図1に示す圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータの外観を示す斜視図である。図2に示す薄膜アクチュエータ50は、基板11に対応する支持部51と、密着層12に対応する密着層52と、第1の電極層13に対応する第1の電極層53と、圧電体層14に対応する圧電体層54と、第2の電極層15に対応する第2の電極層55とで構成されている。   Next, FIG. 2 is a perspective view showing an external appearance of a thin film actuator manufactured using the piezoelectric thin film element shown in FIG. A thin film actuator 50 shown in FIG. 2 includes a support portion 51 corresponding to the substrate 11, an adhesion layer 52 corresponding to the adhesion layer 12, a first electrode layer 53 corresponding to the first electrode layer 13, and a piezoelectric layer. 14 and a second electrode layer 55 corresponding to the second electrode layer 15.

この実施の形態1による圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータ50では、駆動する電圧の印加方向は、残留歪みが2.5×10-4を超える値を有する方向としている。これによって、当該薄膜アクチュエータ50は、その使用時に、圧電体薄膜層の圧電特性の低下は発生しないので、耐久性能に優れた薄膜アクチュエータとなる。 In the thin film actuator 50 using the piezoelectric thin film element according to the first embodiment, the application direction of the driving voltage is a direction in which the residual strain has a value exceeding 2.5 × 10 −4 . As a result, the thin film actuator 50 is a thin film actuator having excellent durability performance since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film layer do not deteriorate during use.

以下では、圧電体層14のみの成膜条件(スパッタ条件)を違えた2つの製造例(実施例1,2)を示し、上記した内容の圧電特性を有するこの実施の形態1による圧電体薄膜素子が得られる圧電体層14の成膜条件(スパッタ条件)がどのようなものであるかを示す。   In the following, two production examples (Examples 1 and 2) with different film formation conditions (sputtering conditions) for only the piezoelectric layer 14 are shown, and the piezoelectric thin film according to the first embodiment having the above-described piezoelectric characteristics. The film forming conditions (sputtering conditions) of the piezoelectric layer 14 from which the element is obtained are shown.

成膜条件を違えたのは、圧電体層14のみであり、各層の厚さは同じであるので、まず全体の製造手順を示す。即ち、図1において、基板11は、厚さが0.3mm、直径が4インチの円盤状シリコンウェハ基板である。この円盤状シリコン基板11の上面に、厚さ0.02μmの密着層12、厚さ0.22μmの第1の電極層13、厚さ3.0μmの圧電体層14及び厚さ0.02μmの第2の電極層15をスパッタリング法によって順に成膜することで作製した。   The film forming conditions are different only in the piezoelectric layer 14, and the thickness of each layer is the same. Therefore, the entire manufacturing procedure is described first. That is, in FIG. 1, a substrate 11 is a disk-shaped silicon wafer substrate having a thickness of 0.3 mm and a diameter of 4 inches. On the upper surface of the disk-shaped silicon substrate 11, an adhesion layer 12 having a thickness of 0.02 μm, a first electrode layer 13 having a thickness of 0.22 μm, a piezoelectric layer 14 having a thickness of 3.0 μm, and a thickness of 0.02 μm. The second electrode layer 15 was formed by sequentially forming a film by a sputtering method.

密着層12は、例えばチタン(Ti)ターゲットを用いて、真空度1Paのアルゴンガス中において基板11を400℃に加熱しながら100Wの高周波電力を1分間印加して成膜した。第1の電極層13は、例えば白金(Pt)ターゲットを用い、真空度1Paのアルゴンガス中において基板11を400℃に加熱しながら200Wの高周波電力を12分間印加して成膜した。第2の電極層15は、例えば白金(Pt)ターゲットを用い、室温において真空度1Paのアルゴンガス中において200Wの高周波電力を10分間印加して成膜した。   The adhesion layer 12 was formed using, for example, a titanium (Ti) target and applying high frequency power of 100 W for 1 minute while heating the substrate 11 to 400 ° C. in an argon gas with a vacuum degree of 1 Pa. The first electrode layer 13 was formed by using, for example, a platinum (Pt) target and applying high-frequency power of 200 W for 12 minutes while heating the substrate 11 at 400 ° C. in an argon gas with a vacuum degree of 1 Pa. The second electrode layer 15 was formed using, for example, a platinum (Pt) target and applying high-frequency power of 200 W for 10 minutes in an argon gas having a degree of vacuum of 1 Pa at room temperature.

ここで、圧電体層14は、組成がZr/Ti=53/47のPZT焼結体ターゲットを用いたが、PZTのZr/Ti組成は、正方晶と菱面体晶との境界(モルフォトロピック相境界)付近ではZr/Ti=52/48であることから、圧電体層14におけるZr/Ti組成は上記組成に限らない。また、圧電体層14の構成材料は、PZTにLa、Sr、Nb、Al等の添加物を含有したもの等のように、PZTを主成分とする圧電材料であればよく、PMNやPZNであってもよい。   Here, a PZT sintered target having a composition of Zr / Ti = 53/47 was used for the piezoelectric layer 14, but the Zr / Ti composition of PZT was a boundary between a tetragonal crystal and a rhombohedral crystal (morphotropic phase). Since Zr / Ti = 52/48 near the boundary), the Zr / Ti composition in the piezoelectric layer 14 is not limited to the above composition. The constituent material of the piezoelectric layer 14 may be a piezoelectric material mainly composed of PZT, such as PZT containing additives such as La, Sr, Nb, and Al. There may be.

さて、『実施例1:圧電体層14は、真空度0.3Paのアルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=15:5)において、基板11を610℃に加熱しながら200Wの高周波電力を240分間印加して成膜した。』場合と、『実施例2:圧電体層14は、真空度0.4Paのアルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=18:2)において、基板11を650℃に加熱しながら、150Wの高周波電力を80分間印加して成膜した。』場合とについて説明する。 [Example 1: The piezoelectric layer 14 is obtained by heating the substrate 11 to 610 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen with a degree of vacuum of 0.3 Pa (gas volume ratio Ar: O 2 = 15: 5). The film was formed by applying high-frequency power of 200 W for 240 minutes. And “Example 2: The piezoelectric layer 14 has the substrate 11 at 650 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen with a degree of vacuum of 0.4 Pa (gas volume ratio Ar: O 2 = 18: 2). While heating, 150 W high frequency power was applied for 80 minutes to form a film. The case will be described.

(A)実施例1について
圧電体層14は、結晶構造、結晶配向性をX線回折によって調べた結果、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、<111>配向をしていた。その<111>配向率は99%であった。SEM観察を行った結果、圧電体層14は柱状構造を有していた。膜厚は、3.0μmであった。柱状粒子径は、平均して0.3μmであり、柱状粒子径と膜厚との比は、1/10であった。TEMにて柱状粒子と柱状粒子との間の異物の存在有無を調べた結果、柱状粒子との間には異物は見られなかった。さらに、X線マイクロアナライザーにて柱状粒子内部と結晶粒界(柱状粒子の間)の組成を調べた結果、いずれも同じ組成であり、Pb1.08(Zr0.535,Ti0.465)O3であった。
(A) About Example 1 As a result of examining the crystal structure and crystal orientation by X-ray diffraction, the piezoelectric layer 14 had a rhombohedral perovskite crystal structure and had a <111> orientation. . The <111> orientation ratio was 99%. As a result of SEM observation, the piezoelectric layer 14 had a columnar structure. The film thickness was 3.0 μm. The columnar particle diameter was 0.3 μm on average, and the ratio between the columnar particle diameter and the film thickness was 1/10. As a result of examining the presence or absence of foreign matter between the columnar particles by TEM, no foreign matter was found between the columnar particles. Furthermore, as a result of examining the composition of the inside of the columnar particles and the crystal grain boundary (between the columnar particles) with an X-ray microanalyzer, both had the same composition and were Pb 1.08 (Zr 0.535 , Ti 0.465 ) O 3 .

次に、ダイシングによって20mm×2.5mmに切り出したカンチレバーを作製し、電界と歪みとの関係、および圧電定数d31の測定を行った。なお、測定方法は、(特許文献1)と基本的に同じである。 Next, a cantilever cut out to 20 mm × 2.5 mm was manufactured by dicing, and the relationship between the electric field and strain and the piezoelectric constant d 31 were measured. The measurement method is basically the same as (Patent Document 1).

図3は、実施例1にて得られた圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図である。図3に示すように、実施例1にて得られた圧電体薄膜素子の電界に対する歪みの変化は、左右対称のバタフライ形ではなく、左右非対称になっていた。これは、圧電体層14の成膜後にすでに分極が一方向に向いていることを示している。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between applied electric field and strain in the piezoelectric thin film element obtained in Example 1. As shown in FIG. 3, the change in distortion with respect to the electric field of the piezoelectric thin film element obtained in Example 1 was not a symmetrical butterfly shape, but asymmetrical left and right. This indicates that the polarization is already directed in one direction after the formation of the piezoelectric layer 14.

電界強度がゼロの場合の残留歪みの値は、第1の電極層13側(基板11側の下部電極)をアース電位に維持して、第2の電極層15側(上部電極)に負の電圧を印加した場合では、3.4×10-4であったが、正の電圧を印加した場合には、0.1×10-4であった。 When the electric field strength is zero, the value of residual strain is negative on the second electrode layer 15 side (upper electrode) while maintaining the first electrode layer 13 side (lower electrode on the substrate 11 side) at the ground potential. When a voltage was applied, it was 3.4 × 10 −4 , but when a positive voltage was applied, it was 0.1 × 10 −4 .

このことから、残留歪みが電圧の印加方向によって有する2種類の値の一方は、2.5×10-4を超える値であり、他方は、2.5×10-4を下回る値であることが解る。なお、この場合、第2の電極層15に負の電圧を印加した場合が分極方向に対して順方向になる。 From this, one of the two types of values that the residual strain has depending on the voltage application direction is a value that exceeds 2.5 × 10 −4 , and the other is a value that is less than 2.5 × 10 −4. I understand. In this case, the case where a negative voltage is applied to the second electrode layer 15 is forward with respect to the polarization direction.

また、第2の電極層15に負の電圧を印加した場合の圧電定数d31を(表1)に示す。 In addition, Table 1 shows the piezoelectric constant d 31 when a negative voltage is applied to the second electrode layer 15.

Figure 2007335489
Figure 2007335489

(表1)から、圧電定数d31は、電界強度、即ち印加電圧に対してほぼ一定であることが解る。これは、電圧の増加に伴う分極の回転による歪みが生じていないためであり、分極が安定に一方向を向いていることを示している。 From Table 1, it can be seen that the piezoelectric constant d 31 is substantially constant with respect to the electric field strength, that is, the applied voltage. This is because there is no distortion due to the rotation of the polarization accompanying an increase in voltage, indicating that the polarization is stably oriented in one direction.

次に、実施例1にて得られた圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータ(図2)の特性は、次の通りであった。即ち、薄膜アクチュエータ50の第1の電極層53をアース電位に維持し、第2の電極層55に電界強度が−100(V/cm)、周期が1kHzであるsin波を1000時間連続して印加した状態で25時間おきにアクチュエータの変位を測定し、経時変化を調べた結果、1000時間の連続駆動に対して変位の経時変化を示す変位量の低下は2%であり、優れた圧電特性の耐久性能を有していることが解った。   Next, the characteristics of the thin film actuator (FIG. 2) produced using the piezoelectric thin film element obtained in Example 1 were as follows. That is, the first electrode layer 53 of the thin film actuator 50 is maintained at the ground potential, and a sin wave having an electric field intensity of −100 (V / cm) and a period of 1 kHz is continuously applied to the second electrode layer 55 for 1000 hours. As a result of measuring the displacement of the actuator every 25 hours in the applied state and investigating the change over time, the decrease in the displacement amount showing the change over time of 1000 hours of continuous driving is 2%, and excellent piezoelectric characteristics It was found that it has the durability performance.

(B)実施例2について
成膜条件を変更した圧電体層14の観察結果は、次の通りであった。即ち、X線回折の結果では、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有していたが、結晶配向はしていなかった。SEM観察の結果では、同様に柱状構造を有していた。膜厚は、1.0μmであった。柱状粒子径は、平均して0.55μmであり、柱状粒子径と膜厚との比は、1.1/2であった。さらに、TEMによって柱状粒子と柱状粒子との間の異物の存在有無を調べた結果、結晶粒界には、結晶粒子とは異なる構造の異物は観察されなかった。そして、X線マイクロアナライザーにて柱状粒子内部と結晶粒界(柱状粒子の間)の組成を調べた結果、いずれも組成は、Pb1.03(Zr0.533,Ti0.467)O3であった。
(B) About Example 2 The observation results of the piezoelectric layer 14 with the film forming conditions changed were as follows. That is, as a result of X-ray diffraction, it had a rhombohedral perovskite crystal structure, but no crystal orientation. As a result of SEM observation, it similarly had a columnar structure. The film thickness was 1.0 μm. The columnar particle diameter was 0.55 μm on average, and the ratio between the columnar particle diameter and the film thickness was 1.1 / 2. Furthermore, as a result of examining the presence or absence of foreign matter between the columnar particles by TEM, no foreign matter having a structure different from that of the crystal particles was observed at the crystal grain boundary. As a result of examining the composition of the inside of the columnar particles and the crystal grain boundary (between the columnar particles) with an X-ray microanalyzer, the compositions were both Pb 1.03 (Zr 0.533 , Ti 0.467 ) O 3 .

次に、ダイシングによって20mm×2.5mmに切り出したカンチレバーを作製し、電界と歪みとの関係および圧電定数d31の測定を行った。なお、測定方法は、(特許文献1)と基本的に同じである。 Next, a cantilever cut out to 20 mm × 2.5 mm by dicing was prepared, and the relationship between the electric field and strain and the piezoelectric constant d 31 were measured. The measurement method is basically the same as (Patent Document 1).

図4は、実施例2にて得られた圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図である。図4に示すように、実施例2にて得られた圧電体薄膜素子では、印加電界に対する歪みの変化は、図3とは異なり左右対称のバタフライ形であった。これは、製法を変更した圧電体層14では、成膜後に分極は一方向には向いていないことを示している。電界強度がゼロの場合の残留歪みの値は、電界の印加方向に関係なく同じ値の1.5×10-4であった。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between applied electric field and strain in the piezoelectric thin film element obtained in Example 2. As shown in FIG. 4, in the piezoelectric thin film element obtained in Example 2, the distortion change with respect to the applied electric field was a symmetrical butterfly shape unlike FIG. This indicates that in the piezoelectric layer 14 whose manufacturing method is changed, the polarization is not directed in one direction after the film formation. When the electric field strength was zero, the value of residual strain was 1.5 × 10 −4 , the same value, regardless of the direction of application of the electric field.

また、第2の電極層15に負の電圧を印加した場合の圧電定数d31を(表2)に示す。 The piezoelectric constant d 31 when a negative voltage is applied to the second electrode layer 15 is shown in (Table 2).

Figure 2007335489
Figure 2007335489

(表2)から、圧電定数d31は、電界強度、即ち印加電圧に対して一定ではなく、電圧の増加に伴って大きくなっていくことが解る。これは、電圧の増加に伴う分極の回転による歪みが生じているためであり、分極が安定に一方向を向いていないことを示している。 From Table 2, it can be seen that the piezoelectric constant d 31 is not constant with respect to the electric field strength, that is, the applied voltage, and increases as the voltage increases. This is because distortion due to the rotation of the polarization accompanying an increase in voltage occurs, indicating that the polarization is not stably oriented in one direction.

次に、同様に、図2に示した薄膜アクチュエータ50を実施例2にて得られた圧電体薄膜素子を用いて作製し、上記したのと同じ方法でアクチュエータ特性を調べた。即ち、上記したように、薄膜アクチュエータ50の第1の電極層53をアース電位に維持し、第2の電極層55に電界強度が−100(V/cm)、周期が1kHzであるsin波を1000時間連続して印加した状態で25時間おきにアクチュエータの変位を測定し、経時変化を調べた。その結果、1000時間の連続駆動に対して変位の経時変化を示す変位量の低下は18%であり、大きな低下が見られた。   Next, similarly, the thin film actuator 50 shown in FIG. 2 was manufactured using the piezoelectric thin film element obtained in Example 2, and the actuator characteristics were examined by the same method as described above. That is, as described above, the first electrode layer 53 of the thin film actuator 50 is maintained at the ground potential, and a sine wave having an electric field strength of −100 (V / cm) and a period of 1 kHz is applied to the second electrode layer 55. The displacement of the actuator was measured every 25 hours in the state of being continuously applied for 1000 hours, and the change with time was examined. As a result, the decrease of the displacement amount showing the change with time of displacement with respect to 1000 hours of continuous driving was 18%, and a large decrease was observed.

以上の比較結果から、この実施の形態1による「圧電体層の残留歪みが電圧の印加方向によって異なる2種類の値を有し、一方が2.5×10-4を超える値であり、他方が2.5×10-4を下回る値である」圧電体薄膜素子は、圧電体層の成膜条件(スパッタ条件)を適切に選択することで製造できることが理解できる。 From the above comparison results, according to the first embodiment, “the residual strain of the piezoelectric layer has two different values depending on the application direction of the voltage, and one of the values exceeds 2.5 × 10 −4. It can be understood that a piezoelectric thin film element having a value less than 2.5 × 10 −4 can be manufactured by appropriately selecting the film formation conditions (sputtering conditions) of the piezoelectric layer.

そして、それを用いて作製した薄膜アクチュエータは、使用する際に、残留歪みが2.5×10-4を超える値を有する方向に電圧を印加して用いることにすれば、分極の反転などを生じさせないので、2.5×10-4を超える大きな残留歪みを有していても、圧電特性が低下することはなく、優れた圧電性能と優れた長期安定性とを有していることが理解できる。 When a thin film actuator manufactured using the same is used by applying a voltage in a direction in which the residual strain has a value exceeding 2.5 × 10 −4 , the reversal of polarization can be achieved. Since it does not occur, even if it has a large residual strain exceeding 2.5 × 10 −4 , the piezoelectric characteristics do not deteriorate, and it has excellent piezoelectric performance and excellent long-term stability. Understandable.

(実施の形態2)
この実施の形態2では、実施の形態1による圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振動子として用いるインクジェットヘッドの構成例を示す。端的には、このインクジェットヘッドは、実施の形態1による圧電体薄膜素子のいずれかの電極側の面に設けた振動板層と、前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、前記圧電体薄膜素子の圧電効果によって前記振動板層を層厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるように構成される。以下、具体的な構成例(図5〜図7)とその製造手順(図8〜図13)とを示す。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a configuration example of an inkjet head using the piezoelectric thin film element according to the first embodiment as a vibrator serving as an ink discharge drive source will be described. Briefly, the inkjet head includes a diaphragm layer provided on one of the electrode-side surfaces of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment, and a surface of the diaphragm layer opposite to the piezoelectric thin film element. And a pressure chamber member having a pressure chamber for containing ink, and the diaphragm layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element so that the ink in the pressure chamber is ejected. Composed. Hereinafter, a specific configuration example (FIGS. 5 to 7) and a manufacturing procedure (FIGS. 8 to 13) will be shown.

図5は、本発明の実施の形態2によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図である。図6は、図5に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図である。図5、図6に示すように、インクジェットヘッド100は、主な要素として、圧力室部材Aとアクチュエータ部Bとインク流路部材Cとノズル板Dとを備えている。   FIG. 5 is an external view showing the overall configuration of the inkjet head according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a main part of the ink jet head shown in FIG. As shown in FIGS. 5 and 6, the inkjet head 100 includes a pressure chamber member A, an actuator part B, an ink flow path member C, and a nozzle plate D as main elements.

図5、図6において、圧力室部材Aには、その厚み方向(上下方向)に貫通する多数の圧力室開口部101が千鳥状に形成されている。この多数の圧力室開口部101は、その上端開口部を共通に被覆するように配置されるアクチュエータ部Bと、その下端開口部を共通に被覆するように配置されるインク流路部材Cとによってその上下端が閉塞されることで、個別の圧力室102となる。   5 and 6, the pressure chamber member A is formed with a large number of pressure chamber openings 101 penetrating in the thickness direction (vertical direction). The large number of pressure chamber openings 101 are constituted by an actuator part B arranged so as to cover the upper end opening in common and an ink flow path member C arranged so as to cover the lower end opening in common. By closing the upper and lower ends, individual pressure chambers 102 are formed.

インク流路部材Cは、インク供給方向に並ぶ圧力室102間で共用する共通液室105と、この共通液室105のインクを圧力室102に供給するための供給口106と、圧力室102内のインクを吐出させるためのインク流路107とを有している。ノズル板Dには、インク流路107に連通するノズル孔108が形成されている。また、ICチップEから各個別電極103に対してボンディングワイヤBWを通して電圧をそれぞれ供給するようになっている。   The ink flow path member C includes a common liquid chamber 105 shared by the pressure chambers 102 arranged in the ink supply direction, a supply port 106 for supplying ink in the common liquid chamber 105 to the pressure chamber 102, And an ink flow path 107 for discharging the ink. A nozzle hole 108 communicating with the ink flow path 107 is formed in the nozzle plate D. In addition, a voltage is supplied from the IC chip E to each individual electrode 103 through the bonding wire BW.

次に、図7は、図5に示すインクジェットヘッドの要部であるアクチュエータ部の構成を示す断面図である。図7では、図5に示したインク供給方向とは直交する方向での断面構成が示され、上記直交方向に並ぶ4個の圧力室102を持つ圧力室部材Aが参照的に描かれている。4個の圧力室102は、区画壁102aで仕切られている。   Next, FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of an actuator part that is a main part of the ink jet head shown in FIG. FIG. 7 shows a cross-sectional configuration in a direction orthogonal to the ink supply direction shown in FIG. 5, and a pressure chamber member A having four pressure chambers 102 arranged in the orthogonal direction is drawn for reference. . The four pressure chambers 102 are partitioned by a partition wall 102a.

図7に示すように、アクチュエータ部Bは、各圧力室102に共通の天井面を構成する部材として、区画壁102aの上端面に接着剤114にて接着される中間層(区画壁102aの側壁面と面一に形成される)113と、その上に積層される振動層111と、その上に積層される共通電極である第2の電極層112とを備えている。   As shown in FIG. 7, the actuator portion B is a member constituting a common ceiling surface for each pressure chamber 102, and is an intermediate layer (on the side of the partition wall 102a) bonded to the upper end surface of the partition wall 102a with an adhesive 114. 113 formed on the same surface as the wall surface, a vibration layer 111 laminated thereon, and a second electrode layer 112 which is a common electrode laminated thereon.

そして、アクチュエータ部Bは、圧力室102毎の駆動手段として、第2の電極層112の上面における各圧力室102の直上位置に設けられる圧電体層110と、その上に積層される個別電極である第1の電極層103とを備えている。   The actuator portion B is a driving means for each pressure chamber 102, and includes a piezoelectric layer 110 provided at a position immediately above each pressure chamber 102 on the upper surface of the second electrode layer 112, and individual electrodes stacked thereon. A first electrode layer 103 is provided.

つまり、アクチュエータ部Bは、圧力室102毎に、第2の電極層112、圧電体層110及び第1の電極層103が順に積層される構成の圧電体薄膜素子を備えている。そして、振動層111が共通電極である第2の電極層112側に設けられている。第1の電極層103、圧電体層110及び第2の電極層112の各構成材料は、実施の形態1にて説明した第1の電極層13、圧電体層14及び第2の電極層15のそれぞれと同様であり、圧電体層110の構造も、圧電体層14とそれぞれ同様である。但し、構成元素の含有量が異なるものもある。   That is, the actuator unit B includes a piezoelectric thin film element having a configuration in which the second electrode layer 112, the piezoelectric layer 110, and the first electrode layer 103 are sequentially stacked for each pressure chamber 102. The vibration layer 111 is provided on the second electrode layer 112 side which is a common electrode. The constituent materials of the first electrode layer 103, the piezoelectric layer 110, and the second electrode layer 112 are the first electrode layer 13, the piezoelectric layer 14, and the second electrode layer 15 described in the first embodiment. The structure of the piezoelectric layer 110 is the same as that of the piezoelectric layer 14. However, some of the constituent elements have different contents.

アクチュエータ部Bでは、この構成によれば、1つの圧力室102に対する圧電体層110の圧電効果によって振動層111が層厚方向に変位し振動することで、その圧力室102の容積を変化させることができる。   In the actuator portion B, according to this configuration, the vibration layer 111 is displaced in the layer thickness direction and vibrates by the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 110 with respect to one pressure chamber 102, thereby changing the volume of the pressure chamber 102. Can do.

なお、圧力室部材Aとアクチュエータ部Bとは、接着剤114によって接着されているが、各中間層113は、この接着剤114を用いた接着時に、その一部の接着剤114が区画壁102aの外方にはみ出した場合でも、この接着剤114が振動層111に付着しないで振動層111が所期通りの変位及び振動を起こすように、区画壁102aの上端面である圧力室102の上面と振動層111の下面との距離を拡げる役割を有している。したがって、中間層113を設けずに、区画壁102aの上端面に直接振動層111を支持させる構成を採る場合もある。   The pressure chamber member A and the actuator portion B are bonded to each other with an adhesive 114. However, when the intermediate layer 113 is bonded using the adhesive 114, a part of the adhesive 114 is separated from the partition wall 102a. Even when the adhesive layer 114 protrudes outward, the upper surface of the pressure chamber 102, which is the upper end surface of the partition wall 102a, causes the vibration layer 111 to undergo the desired displacement and vibration without adhering to the vibration layer 111. And has a role of expanding the distance between the lower surface of the vibration layer 111. Therefore, there is a case in which the vibration layer 111 is directly supported on the upper end surface of the partition wall 102a without providing the intermediate layer 113.

次に、図8〜図12を参照して、図5に示すICチップEを除く要部、つまり、図6に示す圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dからなるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。   Next, referring to FIG. 8 to FIG. 12, from the main part excluding the IC chip E shown in FIG. 5, that is, from the pressure chamber member A, the actuator part B, the ink flow path member C and the nozzle plate D shown in FIG. A method for manufacturing the inkjet head will be described.

図8は、積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程を説明する断面図である。図8(a)に示すように、基板120上に、順次、密着層121、第1の電極層103、圧電体層110、第2の電極層112、振動層111、中間層(縦壁)113をスパッタリング法によって成膜して積層する。   FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a laminating process, a pressure chamber opening forming process, and an adhesive attaching process. As shown in FIG. 8A, an adhesion layer 121, a first electrode layer 103, a piezoelectric layer 110, a second electrode layer 112, a vibration layer 111, an intermediate layer (vertical wall) are sequentially formed on a substrate 120. A film 113 is deposited by sputtering.

なお、密着層121は、実施の形態1にて説明した密着層12と同様であって、基板120と第1の電極層103との密着性を高めるために両者間に介在させてある。つまり、密着層121は、必須のものではない。後述するように、密着層121は、基板120と同様に除去される。   Note that the adhesion layer 121 is the same as the adhesion layer 12 described in Embodiment 1, and is interposed between the two in order to improve the adhesion between the substrate 120 and the first electrode layer 103. That is, the adhesion layer 121 is not essential. As will be described later, the adhesion layer 121 is removed in the same manner as the substrate 120.

ここで、基板120は、成膜用の基板、つまり、1つの圧電体薄膜素子を作製する単位となる基板である。この基板120は、実施の形態1にて説明した基板11と同様であって、シリコン(Si)基板や、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれで構成してもよい。そして、形状は、実施例1にて示したように適宜厚さの円盤状でもよいが、ここでは、基板120には、例えば厚さ18mmの4角形状に切り落としたSi基板を用いた。   Here, the substrate 120 is a substrate for film formation, that is, a substrate serving as a unit for producing one piezoelectric thin film element. The substrate 120 is the same as the substrate 11 described in the first embodiment, and may be any of a silicon (Si) substrate, a glass substrate, a metal substrate, and a ceramic substrate. The shape may be a disc shape having an appropriate thickness as shown in Example 1, but here, for the substrate 120, for example, a Si substrate cut into a square shape with a thickness of 18 mm was used.

そして、密着層121、第1の電極層103、圧電体層110、および第2の電極層112は、上記した実施例1と同様の方法で作製したが、ここでは、追加要素である振動層111及び中間層113の材料と作製方法とを説明する。   The adhesion layer 121, the first electrode layer 103, the piezoelectric layer 110, and the second electrode layer 112 were produced by the same method as in Example 1 described above, but here, the vibration layer that is an additional element The material of 111 and the intermediate layer 113 and the manufacturing method will be described.

即ち、振動層111は、Cr、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン等の単体又はこれらの酸化物若しくは窒化物(例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン)等のいずれか一つ、例えばCrターゲットを用いて、真空度1Paのアルゴンガス中において基板120を室温に維持して200Wの高周波電力を6時間印加することで形成した。膜厚は、ここでは3μmであるが、1μm〜10μmの範囲内であればよい。   That is, the vibration layer 111 is a single element such as Cr, nickel, aluminum, tantalum, tungsten, silicon, or any one of these oxides or nitrides (for example, silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, silicon nitride), For example, a Cr target was used to maintain the substrate 120 at room temperature in an argon gas with a vacuum degree of 1 Pa and apply 200 W of high frequency power for 6 hours. The film thickness is 3 μm here, but may be in the range of 1 μm to 10 μm.

また、中間層113は、TiやCr等の導電性金属、例えばTiターゲットを用いて、真空度1Paのアルゴンガス中において基板120を室温に維持して200Wの高周波電力を5時間印加することで形成した。膜厚は、ここでは5μmであるが、3μm〜10μmの範囲内であればよい。   Further, the intermediate layer 113 is formed by applying a high-frequency power of 200 W for 5 hours while maintaining the substrate 120 at room temperature in an argon gas having a degree of vacuum of 1 Pa using a conductive metal such as Ti or Cr, for example, a Ti target. Formed. The film thickness is 5 μm here, but may be in the range of 3 μm to 10 μm.

次に、図8(b)(c)及び図13に示すように圧力室部材Aを形成する。なお、図13は、成膜用基板と圧力室部材用基板との関係を説明する平面図である。図13に示すように、圧力室部材Aで使用する基板130は、必要数の基板120が搭載できる程度に大きいサイズのSiウェハ基板である。具体的には、基板130は、径が2インチ〜10インチの範囲内の適宜直径(ここでは4インチとした)の円盤状をしている。   Next, a pressure chamber member A is formed as shown in FIGS. FIG. 13 is a plan view for explaining the relationship between the film formation substrate and the pressure chamber member substrate. As shown in FIG. 13, the substrate 130 used in the pressure chamber member A is a Si wafer substrate that is large enough to mount the required number of substrates 120. Specifically, the substrate 130 has a disk shape with an appropriate diameter (here, 4 inches) within a range of 2 inches to 10 inches.

圧力室部材Aは、この基板130を使用して形成される。具体的には、先ず、基板130に対して複数の圧力室開口部101をパターンニングする。このパターンニングは、図8(b)から判るように、4つの圧力室開口部101を1組として、各組を区画する区画壁102bの厚幅は、各組内の圧力室開口部101を区画する区画壁102aの幅の約2倍に設定される。   The pressure chamber member A is formed using this substrate 130. Specifically, first, a plurality of pressure chamber openings 101 are patterned on the substrate 130. In this patterning, as can be seen from FIG. 8B, the four pressure chamber openings 101 are set as one set, and the thickness width of the partition wall 102b dividing each set is determined by the pressure chamber openings 101 in each set. It is set to approximately twice the width of the partition wall 102a to be partitioned.

その後、上記パターンニングされた基板130をケミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して各組で4個の圧力室開口部101を形成することで、圧力室部材Aを得る。   Then, the pressure chamber member A is obtained by processing the patterned substrate 130 by chemical etching or dry etching to form four pressure chamber openings 101 in each group.

その後は、図8(c)に示すように、圧力室部材Aと基板130とを接着剤114にて接着する。この接着剤114の形成は電着による。図8(c)において、まず、圧力室部材A側の接着面として圧力室の区画壁102a,102bの上面に接着剤114を電着によって付着させる。具体的には、図示しないが、区画壁102a,102bの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのNi薄膜をスパッタ法によって形成し、その後、当該Ni薄膜上に、パターニングされた接着剤114を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 8C, the pressure chamber member A and the substrate 130 are bonded with an adhesive 114. The formation of the adhesive 114 is by electrodeposition. In FIG. 8C, first, an adhesive 114 is attached by electrodeposition to the upper surfaces of the partition walls 102a and 102b of the pressure chamber as an adhesive surface on the pressure chamber member A side. Specifically, although not shown in the drawing, a Ni thin film of several hundreds of centimeters thin enough to transmit light is formed as a base electrode film on the upper surfaces of the partition walls 102a and 102b by a sputtering method, and then on the Ni thin film. Then, a patterned adhesive 114 is formed.

ここで、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に0〜50重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液を使用する。また、Ni薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設定するのは、基板130に接着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。電着条件は、実験によると、液温約25℃、直流電圧30V、通電時間60秒が好適である。この条件下で約3〜10μmのアクリル樹脂を、圧力室部材用基板130のNi薄膜上に電着形成する。   Here, as the electrodeposition liquid, a solution obtained by adding 0 to 50 parts by weight of pure water to the acrylic resin aqueous dispersion and stirring and mixing it well is used. The reason why the thickness of the Ni thin film is set so thin that light is transmitted is to make it easy to visually recognize that the adhesive resin is completely attached to the substrate 130. According to experiments, the electrodeposition conditions are preferably a liquid temperature of about 25 ° C., a DC voltage of 30 V, and an energization time of 60 seconds. Under this condition, an acrylic resin of about 3 to 10 μm is electrodeposited on the Ni thin film of the pressure chamber member substrate 130.

次に、図9は、成膜後の基板と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程を説明する断面図である。図9(a)に示すように、上記のように積層された成膜用基板120の所定数と圧力室部材A(つまり基板130)とを上記のように電着された接着剤114を用いて接着する。この接着は、基板120に成膜された中間層113を基板側接着面として行う。   Next, FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a bonding process between the substrate after film formation and the pressure chamber member and a vertical wall forming process. As shown in FIG. 9A, an adhesive 114 is used in which a predetermined number of film-forming substrates 120 stacked as described above and the pressure chamber member A (that is, the substrate 130) are electrodeposited as described above. And glue. This adhesion is performed using the intermediate layer 113 formed on the substrate 120 as a substrate-side adhesion surface.

図13は、この状態を示している。図13に示す例では、基板120は18mm角の矩形状であるのに対し、基板130の盤面は、4インチサイズという大きな円形状をしているので、14個の成膜用基板120が圧力室部材Aで使用する1つの基板130に貼り付けられている。   FIG. 13 shows this state. In the example shown in FIG. 13, the substrate 120 has a rectangular shape of 18 mm square, whereas the disk surface of the substrate 130 has a large circular shape of 4 inches, so that the 14 film-forming substrates 120 have pressure. It is attached to one substrate 130 used in the chamber member A.

この貼り付けは、図9(a)に示すように、各基板120の中心が圧力室部材Aの区画壁102bの中心に位置するように位置決めした状態で行われる。貼り付け後、圧力室部材Aを基板120側に押圧、密着させて、両者の接着を液密性高くする。さらに、上記接着した基板120及び圧力室部材Aを加熱炉において徐々に昇温加熱して接着剤114を完全に硬化させる。続いて、図9(b)に示すように、プラズマ処理を行って接着剤114のうち、圧力室開口部101内にはみ出した断片を除去する。また、圧力室部材Aの各区画壁102a,102bをマスクとして中間層113をエッチングし、各区画壁102a,102bの縦壁に連続するような所定形状に仕上げる。   This affixing is performed in a state where the center of each substrate 120 is positioned so as to be positioned at the center of the partition wall 102b of the pressure chamber member A, as shown in FIG. After pasting, the pressure chamber member A is pressed and brought into close contact with the substrate 120 side to enhance the adhesion between them. Further, the bonded substrate 120 and pressure chamber member A are gradually heated and heated in a heating furnace to completely cure the adhesive 114. Subsequently, as shown in FIG. 9B, plasma treatment is performed to remove the fragments protruding from the pressure chamber opening 101 in the adhesive 114. Further, the intermediate layer 113 is etched using the partition walls 102a and 102b of the pressure chamber member A as a mask, and finished in a predetermined shape that is continuous with the vertical walls of the partition walls 102a and 102b.

なお、図9(a)では、成膜後の基板120と圧力室部材Aとを接着したが、圧力室開口部101を形成しない段階の圧力室部材用の基板130を成膜後の基板120と接着してもよい。   In FIG. 9A, the substrate 120 after film formation and the pressure chamber member A are bonded together, but the substrate 120 for forming the pressure chamber member at a stage where the pressure chamber opening 101 is not formed is formed. And may be adhered.

次に、図10は、成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第1の電極層の個別化工程)を説明する断面図である。図10(a)に示すように、図9(b)とした後に、成膜後の成膜用の基板120及び密着層121をエッチングによって除去する。その後は、図10(b)に示すように、圧力室部材A上に位置する第1の電極層103について、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、各圧力室102に個別化する。   Next, FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the film formation substrate and the adhesion layer removal step after film formation and the individualization step of the first electrode layer. As shown in FIG. 10A, after forming FIG. 9B, the film-forming substrate 120 and the adhesion layer 121 after film formation are removed by etching. After that, as shown in FIG. 10B, the first electrode layer 103 positioned on the pressure chamber member A is etched by using a photolithography technique and individualized into each pressure chamber 102.

次に、図11は、圧電体層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程を説明する断面図である。図11(a)に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて圧電体層110及び配向制御層104をエッチングして第1の電極層103と同様の形状に個別化する。これらエッチングでは、第1の電極層103及び圧電体層110が、圧力室102の各々の上方に位置し、かつ第1の電極層103及び圧電体層110の幅方向の中心が対応する圧力室102の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。   Next, FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a piezoelectric layer individualizing process and a pressure chamber member substrate cutting process. As shown in FIG. 11A, the piezoelectric layer 110 and the orientation control layer 104 are etched to be individualized into a shape similar to that of the first electrode layer 103 by using a photolithography technique. In these etchings, the first electrode layer 103 and the piezoelectric layer 110 are positioned above each of the pressure chambers 102, and the center in the width direction of the first electrode layer 103 and the piezoelectric layer 110 corresponds to the pressure chamber. It is formed so as to coincide with the center of the width direction 102 with high accuracy.

このように第1の電極層103及び圧電体層110を圧力室102毎に個別化した後、図11(b)に示すように、圧力室部材用基板(基板130)を各区画壁102bの部分で切断し、4つの圧力室102を持つ圧力室部材Aとその上面に固定されたアクチュエータ部Bとが4組完成する。   After the first electrode layer 103 and the piezoelectric layer 110 are individually provided for each pressure chamber 102 in this way, as shown in FIG. 11B, the pressure chamber member substrate (substrate 130) is attached to each partition wall 102b. By cutting at a part, four sets of pressure chamber members A having four pressure chambers 102 and actuator portions B fixed on the upper surface thereof are completed.

次に、図12は、インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッドを説明する断面図である。   Next, FIG. 12 illustrates an ink flow path member and nozzle plate generating process, an ink flow path member and nozzle plate bonding process, a pressure chamber member and ink flow path member bonding process, and a completed inkjet head. It is sectional drawing.

その後、図12(a)に示すように、インク流路部材Cに共通液室105、供給口106及びインク流路107を形成するとともに、ノズル板Dにノズル孔108を形成する。次いで、図12(b)に示すように、インク流路部材Cとノズル板Dとを接着剤109を用いて接着する。   Thereafter, as shown in FIG. 12A, the common liquid chamber 105, the supply port 106, and the ink flow path 107 are formed in the ink flow path member C, and the nozzle hole 108 is formed in the nozzle plate D. Next, as shown in FIG. 12B, the ink flow path member C and the nozzle plate D are bonded using an adhesive 109.

その後、図12(c)に示すように、圧力室部材Aの下端面又はインク流路部材Cの上端面に接着剤(図示せず)を転写し、圧力室部材Aとインク流路部材Cとのアライメント調整を行ってこの両者を上記接着剤109により接着する。以上によって、図12(d)に示すように、圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dを持つインクジェットヘッドが完成する。   Thereafter, as shown in FIG. 12C, an adhesive (not shown) is transferred to the lower end surface of the pressure chamber member A or the upper end surface of the ink channel member C, and the pressure chamber member A and the ink channel member C are transferred. The two are bonded together by the adhesive 109. Thus, an ink jet head having a pressure chamber member A, an actuator portion B, an ink flow path member C, and a nozzle plate D is completed as shown in FIG.

以上のようにして作製したインクジェットヘッドは、実施の形態1における実施例1による成膜条件で作製した圧電体薄膜(圧電体層)を有する圧電体薄膜素子を用いている。このインクジェットヘッドにおいて、第1の電極層103及び第の2電極層112間に所定電圧を印加して、周波数が20kHzで波高値30Vの交流電圧を100日間印加し続けたが、インクの吐出不良は全くなく、吐出性能の低下は見られなかった。   The ink jet head manufactured as described above uses a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film (piezoelectric layer) manufactured under the film forming conditions according to Example 1 of the first embodiment. In this ink jet head, a predetermined voltage was applied between the first electrode layer 103 and the second electrode layer 112, and an AC voltage having a frequency of 20 kHz and a peak value of 30 V was continuously applied for 100 days. There was no drop in the discharge performance.

一方、実施の形態1における実施例2による成膜条件で作製した圧電体薄膜(圧電体層)を有する圧電体薄膜素子を用いるインクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッドについて同様の試験を実施したところ、全圧力室102に対応する部分でインク吐出不良が発生した。これは、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエータ部B(圧電体薄膜素子)の圧電性能が低下したと考えられる。   On the other hand, when an inkjet head using a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film (piezoelectric layer) manufactured under the film forming conditions according to Example 2 in Embodiment 1 was manufactured, a similar test was performed on this inkjet head. Ink ejection failure occurred in a portion corresponding to all the pressure chambers 102. This is not due to ink clogging or the like, and it is considered that the piezoelectric performance of the actuator portion B (piezoelectric thin film element) has been lowered.

したがって、実施の形態1における実施例1による成膜条件で作製した圧電体薄膜(圧電体層)を有する圧電体薄膜素子を用いるこの実施の形態2によるインクジェットヘッドは、長期間の耐久性能に優れていることが判る。   Therefore, the inkjet head according to the second embodiment using the piezoelectric thin film element having the piezoelectric thin film (piezoelectric layer) manufactured under the film forming conditions according to the first embodiment in the first embodiment is excellent in long-term durability performance. You can see that

(実施の形態3)
この実施の形態3では、実施の形態2によるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の構成例を示す。端的には、このインクジェット式記録装置は、実施の形態1における実施例1による成膜条件で作製した圧電体薄膜(圧電体層)を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態2によるインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段にて前記インクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成される。以下、具体的な構成例(図14)を示す。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a configuration example of an ink jet recording apparatus using the ink jet head according to the second embodiment is shown. Briefly, this ink jet recording apparatus includes the ink jet head according to the second embodiment that uses a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film (piezoelectric layer) manufactured under the film forming conditions according to the first embodiment of the first embodiment. And a relative moving means for moving the ink jet head and the recording medium relative to each other, and the ink jet head communicates with a pressure chamber when the ink jet head is moved relative to the recording medium by the relative moving means. Recording is performed by ejecting the ink in the pressure chamber onto a recording medium from a nozzle hole provided to do so. A specific configuration example (FIG. 14) is shown below.

図14は、本発明の実施の形態3によるインクジェット式記録装置の構成を示す概略斜視図である。図14に示すインクジェット式記録装置27は、実施の形態2によるインクジェットヘッド28を備えている。このインクジェットヘッド28において圧力室(実施の形態2における圧力室102)に連通するように設けたノズル孔(実施の形態2におけるノズル孔108)から当該圧力室内のインクを記録用紙等の記録媒体29に吐出させて記録を行うように構成されている。   FIG. 14 is a schematic perspective view showing the configuration of an ink jet recording apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. An ink jet recording apparatus 27 shown in FIG. 14 includes an ink jet head 28 according to the second embodiment. In the ink jet head 28, the ink in the pressure chamber is transferred from a nozzle hole (nozzle hole 108 in the second embodiment) provided to communicate with the pressure chamber (the pressure chamber 102 in the second embodiment). It is configured to perform recording by discharging the ink.

インクジェットヘッド28は、主走査方向Xに延びるキャリッジ軸30に設けられたキャリッジ31に搭載され、このキャリッジ31がキャリッジ軸30に沿って往復動するのに応じて主走査方向Xに往復動するように構成されている。このことで、キャリッジ31は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを主走査方向Xに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。   The inkjet head 28 is mounted on a carriage 31 provided on a carriage shaft 30 that extends in the main scanning direction X, and reciprocates in the main scanning direction X as the carriage 31 reciprocates along the carriage shaft 30. It is configured. Thus, the carriage 31 constitutes a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 28 and the recording medium 29 in the main scanning direction X.

また、このインクジェット式記録装置27は、記録媒体29をインクジェットヘッド28の主走査方向X(幅方向)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数のローラ32を備えている。このことで、複数のローラ32は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを副走査方向Yに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。なお、図14中、Zは上下方向である。   In addition, the ink jet recording apparatus 27 includes a plurality of rollers 32 that move the recording medium 29 in the sub scanning direction Y substantially perpendicular to the main scanning direction X (width direction) of the ink jet head 28. Thus, the plurality of rollers 32 constitute a relative moving unit that relatively moves the inkjet head 28 and the recording medium 29 in the sub-scanning direction Y. In FIG. 14, Z is the vertical direction.

そして、インクジェットヘッド28がキャリッジ31によって主走査方向Xに移動しているときにインクジェットヘッド28のノズル孔からインクを記録媒体29に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ32によって記録媒体29を所定量移動させて次の一走査の記録を行うように、上記相対移動手段が制御される。   When the ink jet head 28 is moved in the main scanning direction X by the carriage 31, ink is ejected from the nozzle holes of the ink jet head 28 to the recording medium 29. The relative moving means is controlled so that the medium 29 is moved by a predetermined amount and printing for the next one scan is performed.

このように、実施の形態3によるインクジェット式記録装置は、実施の形態1における実施例1による成膜条件で作製した圧電体薄膜(圧電体層)を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態2によるインクジェットヘッドを備えるので、良好な印字性能及び耐久性を有することができる。   As described above, the ink jet recording apparatus according to the third embodiment uses the piezoelectric thin film element having the piezoelectric thin film (piezoelectric layer) manufactured under the film forming conditions according to the first embodiment in the first embodiment. Therefore, it is possible to have good printing performance and durability.

なお、この明細書では、実施の形態1による圧電体薄膜素子の好適な適用例として、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置への適用例を示したが、この発明はこれに限定されるものではなく、薄膜コンデンサ、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。   In this specification, as a suitable application example of the piezoelectric thin film element according to the first embodiment, an application example to an ink jet head and an ink jet recording apparatus is shown, but the present invention is not limited to this. , Thin film capacitors, charge storage capacitors for nonvolatile memory elements, various actuators, infrared sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, angular velocity sansei, acceleration sensors, flow sensors, shock sensors, piezoelectric transformers, piezoelectric ignition elements, piezoelectric speakers, piezoelectrics The present invention can also be applied to a microphone, a piezoelectric filter, a piezoelectric pickup, a tuning fork oscillator, a delay line, and the like.

以上のように、この発明にかかる圧電体薄膜素子は、薄膜形成時に存在する様々な内部応力が存在しても、良好な圧電特性を形成するのに有用であり、特に、インクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置の耐久性能を向上させるのに好適である。   As described above, the piezoelectric thin film element according to the present invention is useful for forming good piezoelectric characteristics even when various internal stresses existing at the time of thin film formation exist. It is suitable for improving the durability performance of the recording apparatus.

本発明の実施の形態1による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the piezoelectric thin film element by Embodiment 1 of this invention 図1に示す圧電体薄膜素子を用いて作製した薄膜アクチュエータの外観を示す斜視図The perspective view which shows the external appearance of the thin film actuator produced using the piezoelectric thin film element shown in FIG. 実施例1による圧電体層の成膜条件(スパッタ条件)で作製した図1に示す圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図The figure which shows the relational characteristic of the applied electric field and distortion in the piezoelectric-material thin film element shown in FIG. 1 produced on the film-forming conditions (sputtering conditions) of the piezoelectric material layer by Example 1. FIG. 実施例2による圧電体層の成膜条件(スパッタ条件)で作製した図1に示す圧電体薄膜素子での印加電界と歪みとの関係特性を示す図The figure which shows the relational characteristic of the applied electric field and distortion in the piezoelectric-material thin film element shown in FIG. 1 produced on the film-forming conditions (sputtering conditions) of the piezoelectric material layer by Example 2. FIG. 本発明の実施の形態2によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図FIG. 3 is an external view showing the overall configuration of an inkjet head according to a second embodiment of the present invention. 図5に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the principal part of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの要部であるアクチュエータ部の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the actuator part which is the principal part of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの製造手順(積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程)を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing procedure (lamination process, the formation process of the opening part for pressure chambers, and the adhesion process of an adhesive agent) of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの製造手順(成膜後の成膜用基板と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程)を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing procedure (The adhesion process of the film-forming board | substrate and pressure chamber member after film-forming, and the formation process of a vertical wall) of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの製造手順(成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第1の電極層の個別化工程)を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing procedure (The board | substrate for film-forming and the adhesion | attachment layer after film-forming, and the individualization process of the 1st electrode layer) of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの製造手順(圧電体層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程)を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing procedure (Individualization process of a piezoelectric material layer, and the cutting process of the board | substrate for pressure chamber members) of the inkjet head shown in FIG. 図5に示すインクジェットヘッドの製造手順(インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッド)を説明する断面図Manufacturing procedure of ink jet head shown in FIG. 5 (ink flow channel member and nozzle plate generating step, ink flow channel member and nozzle plate bonding step, pressure chamber member and ink flow channel member bonding step, and completed ink jet head ) 図8に示す製造過程で成膜された基板(成膜用基板)と圧力室部材で用いる基板(圧力室部材用基板)との関係を説明する平面図The top view explaining the relationship between the board | substrate (film-forming substrate) formed into a film in the manufacturing process shown in FIG. 8, and the board | substrate (pressure chamber member board | substrate) used with a pressure chamber member 本発明の実施の形態3によるインクジェット式記録装置の構成を示す概略斜視図Schematic perspective view showing the configuration of an ink jet recording apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 密着層
12 第1の電極層
14 圧電体層
15 第2の電極層
27 インクジェット式記録装置
28 インクジェットヘッド
29 記録媒体
30 キャリッジ軸
31 キャリッジ(相対移動手段)
50 薄膜アクチュエータ
51 支持部
52 密着層
53 第1の電極層
54 圧電体層
55 第2の電極層
100 インクジェットヘッド
102 圧力室
102a 区画壁
103 第1の電極層(個別電極)
104 配向制御層
105 共通液室
106 供給口
107 インク流路
108 ノズル孔
109 接着剤
110 圧電体層
111 振動層
112 第2の電極層(共通電極)
113 中間層(縦壁)
114 接着剤
120 基板(成膜用)
121 密着層
130 基板(圧力室部材用)
A 圧力室部材
B アクチュエータ部
C インク流路部材
D ノズル板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Adhesion layer 12 1st electrode layer 14 Piezoelectric layer 15 2nd electrode layer 27 Inkjet recording device 28 Inkjet head 29 Recording medium 30 Carriage shaft 31 Carriage (relative movement means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 Thin film actuator 51 Support part 52 Adhesion layer 53 1st electrode layer 54 Piezoelectric layer 55 2nd electrode layer 100 Inkjet head 102 Pressure chamber 102a Partition wall 103 1st electrode layer (individual electrode)
104 Orientation control layer 105 Common liquid chamber 106 Supply port 107 Ink flow path 108 Nozzle hole 109 Adhesive 110 Piezoelectric layer 111 Vibration layer 112 Second electrode layer (common electrode)
113 Middle layer (vertical wall)
114 Adhesive 120 Substrate (for film formation)
121 Adhesion layer 130 Substrate (for pressure chamber member)
A Pressure chamber member B Actuator part C Ink channel member D Nozzle plate

Claims (12)

ペロブスカイト型結晶構造を有するPbを含む酸化物で成膜した圧電体層と、前記圧電体層の厚み方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、
前記圧電体層は、残留歪みが電圧の印加方向によって所定値よりも大きい第1の値と前記所定値よりも小さい第2の値とを有するように成膜されている
ことを特徴とする圧電体薄膜素子。
In a piezoelectric thin film element comprising: a piezoelectric layer formed of an oxide containing Pb having a perovskite crystal structure; and an electrode layer formed on each layer surface on both sides in the thickness direction of the piezoelectric layer.
The piezoelectric layer is formed such that the residual strain has a first value larger than a predetermined value and a second value smaller than the predetermined value depending on a voltage application direction. Thin film element.
前記第1の値は、2.5×10-4を超える値であり、前記第2の値は2.5×10-4を下回る値であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric device according to claim 1, wherein the first value is a value exceeding 2.5 × 10 −4 , and the second value is a value less than 2.5 × 10 −4. Thin film element. 前記圧電体層は、<111>面と<001>面のいずれか一方の面に優先配向していることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is preferentially oriented in one of a <111> plane and a <001> plane. 前記圧電体層の膜厚は、1μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein a film thickness of the piezoelectric layer is in a range of 1 μm to 10 μm. 前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子径が0.1μm〜0.8μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer has a columnar structure grown in a thickness direction, and a columnar particle diameter thereof is in a range of 0.1 μm to 0.8 μm. 前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子の粒子径と膜厚との比は、1/2〜1/100の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 The piezoelectric layer has a columnar structure grown in a thickness direction, and a ratio between a particle diameter and a film thickness of the columnar particles is within a range of 1/2 to 1/100. 2. The piezoelectric thin film element according to 1. 前記圧電体層は、厚み方向に成長した柱状構造を有し、その柱状粒子と柱状粒子との間には異物が存在しないことを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer has a columnar structure grown in a thickness direction, and no foreign matter exists between the columnar particles. 前記圧電体層は、形成後は高温での分極処理を施さないことを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is not subjected to polarization treatment at a high temperature after being formed. 前記圧電体層は、スパッタリング法で作製することを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is produced by a sputtering method. 請求項1に記載の圧電体薄膜素子を用いた薄膜アクチュエータであって、駆動時の電圧印加方向は、前記残留歪みが前記第1の値を有する方向であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。 2. The thin film actuator using the piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein a voltage application direction during driving is a direction in which the residual strain has the first value. 請求項1に記載の圧電体薄膜素子と、
前記圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極側の面に設けられた振動板層と、
前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、前記圧電体薄膜素子の圧電効果による前記振動板層の層厚方向への変位に応じてインク吐出を行う圧力室と、
を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
The piezoelectric thin film element according to claim 1,
A diaphragm layer provided on the surface of one of the electrodes of the piezoelectric thin film element;
A pressure chamber that is bonded to a surface of the diaphragm layer opposite to the piezoelectric thin film element and that discharges ink in accordance with a displacement of the diaphragm layer in a layer thickness direction due to a piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element; ,
An ink jet head comprising:
請求項11に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段と、
前記相対移動手段によってインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように前記インクジェットヘッドが備える請求項1に記載の圧電体薄膜素子を駆動する手段と、
を備えていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
An inkjet head according to claim 11;
Relative movement means for relatively moving the inkjet head and the recording medium;
When the ink jet head is moved relative to the recording medium by the relative moving means, the ink in the pressure chamber is ejected to the recording medium from a nozzle hole provided in the ink jet head so as to communicate with the pressure chamber. Means for driving the piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the inkjet head is provided to perform
An ink jet recording apparatus comprising:
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