JP2013162064A - Liquid injection head, liquid injection device, and piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element.
圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。このようなアクチュエーターでは、高密度に配置するために、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子、すなわち変位の大きな圧電素子が求められている。 As a liquid ejecting head using a piezoelectric element, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by the piezoelectric element to There is an ink jet recording head that pressurizes ink and ejects ink droplets from nozzle openings. In such an actuator, a piezoelectric element capable of obtaining a large strain with a small driving voltage, that is, a piezoelectric element having a large displacement is required in order to arrange the actuators at a high density.
このような圧電素子は、長期間に亘る使用により変位量が低下してしまうという問題がある。このため、実使用前に、実使用持の電圧より高電圧の電圧を印加するエージング処理を行って変位量の低下を図り、その後の実使用の際の変位量の低下を低減することが行われている（特許文献１など参照）。 Such a piezoelectric element has a problem that the amount of displacement is reduced by long-term use. For this reason, before actual use, an aging process that applies a voltage higher than the actual use voltage is performed to reduce the amount of displacement, thereby reducing the amount of displacement during actual use thereafter. (See Patent Document 1).
かかるエージング処理は、破壊の有無を確認するなどの信頼性を確認するスクリーニングの目的もあり広く用いられているが、エージング処理により変位量は低下してしまうため、更なる改善が求められている。 Such aging treatment is widely used for the purpose of screening to confirm reliability such as confirmation of the presence or absence of destruction, but since the amount of displacement is reduced by aging treatment, further improvement is required. .
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の圧電素子においても同様に存在する。 Such a problem is not limited to the liquid ejecting head represented by the ink jet recording head, and similarly exists in other piezoelectric elements.
本発明はこのような事情に鑑み、長期使用によっても変位量の低下の小さな液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element that have a small amount of displacement even after long-term use.
上記課題を解決する本発明の態様は、圧電体層および前記圧電体層に設けられた電極を具備する圧電素子を備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層は、ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、前記圧電素子の電流電圧特性における電流のピーク位置が２８Ｖ〜３２Ｖの範囲にあることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、エージング処理による変位量の低下が小さく、変位特性に優れた圧電素子を備える液体噴射ヘッドとすることができる。
An aspect of the present invention that solves the above problem is a liquid ejecting head including a piezoelectric layer and a piezoelectric element including an electrode provided on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer is formed of a lanthanum nickelate film. A liquid characterized by comprising a composite oxide having a perovskite structure including at least Pb, Ti and Zr, and having a current peak position in a current-voltage characteristic of the piezoelectric element in a range of 28V to 32V. Located in the jet head.
In this aspect, a liquid ejecting head including a piezoelectric element that is small in the amount of displacement due to the aging process and excellent in displacement characteristics can be obtained.
本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、変位特性に優れた圧電素子を具備するため、信頼性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head.
In this aspect, since the piezoelectric element having excellent displacement characteristics is provided, a liquid ejecting apparatus having excellent reliability can be realized.
本発明の他の態様は、圧電体層および前記圧電体層に設けられた電極を具備する圧電素子であって、前記圧電体層は、ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、前記圧電素子の電流電圧特性における電流のピーク位置が２８Ｖ〜３２Ｖの範囲にあることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、変位特性に優れた圧電素子とすることができる。
Another aspect of the present invention is a piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer is provided above a lanthanum nickelate film, and Pb, Ti and The piezoelectric element is characterized in that it is made of a complex oxide having a perovskite structure including at least Zr, and the current peak position in the current-voltage characteristics of the piezoelectric element is in the range of 28V to 32V.
In this aspect, a piezoelectric element having excellent displacement characteristics can be obtained.
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. .
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には、振動板を構成する二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。 As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and on one surface thereof, a thickness 0.5 made of silicon dioxide constituting the diaphragm. An elastic film 50 of ˜2 μm is formed.
流路形成基板１０には、一方の面とは反対側の面となる他方面側から異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１方向と称し、これと直交する方向を第２方向と称する。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の第２方向の一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１４、連通路１５及び連通部１３からなる液体流路が設けられている。 A pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10 by anisotropic etching from the other surface side which is the surface opposite to the one surface. The pressure generating chambers 12 partitioned by the plurality of partition walls 11 are arranged in parallel along the direction in which the plurality of nozzle openings 21 for discharging the same color ink are arranged in parallel. Hereinafter, this direction will be referred to as the juxtaposed direction of the pressure generating chambers 12 or the first direction, and the direction orthogonal thereto will be referred to as the second direction. In addition, an ink supply path 14 and a communication path 15 are partitioned by a partition wall 11 at one end side in the second direction of the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 that forms a part of the manifold 100 serving as an ink chamber (liquid chamber) common to the pressure generation chambers 12 is formed at one end of the communication passage 15. That is, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including a pressure generation chamber 12, an ink supply path 14, a communication path 15, and a communication portion 13.
インク供給路１４は、圧力発生室１２の第２方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、マニホールド１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（第１方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。 The ink supply path 14 communicates with the one end side in the second direction of the pressure generation chamber 12 and has a smaller cross-sectional area than the pressure generation chamber 12. For example, in this embodiment, the ink supply path 14 has a width smaller than the width of the pressure generation chamber 12 by narrowing the flow path on the pressure generation chamber 12 side between the manifold 100 and each pressure generation chamber 12 in the width direction. It is formed with. As described above, in this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. Further, each communication path 15 communicates with the side of the ink supply path 14 opposite to the pressure generation chamber 12 and has a larger cross-sectional area than the width direction (first direction) of the ink supply path 14. In the present embodiment, the communication passage 15 is formed with the same cross-sectional area as the pressure generation chamber 12.
すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、インク供給路１４と、連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の一方面は、振動板を構成する弾性膜５０によって画成されている。 That is, the flow path forming substrate 10 is provided with the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14, and the communication path 15 that are partitioned by the plurality of partition walls 11. Further, one surface of the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10 is defined by an elastic film 50 that constitutes a vibration plate.
一方、流路形成基板１０の圧力発生室１２等の液体流路が開口する一方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱用着フィルム等を介して接合されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。 On the other hand, on one surface side of the flow path forming substrate 10 where the liquid flow path such as the pressure generation chamber 12 opens, a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of the pressure generation chamber 12 opposite to the ink supply path 14. The nozzle plate 20 in which is drilled is bonded via an adhesive, a thermal film, or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体膜５５が積層形成されている。 On the other hand, an elastic film 50 made of silicon dioxide and having a thickness of, for example, about 1.0 μm is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. For example, an insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) or the like is laminated.
また、絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、第１電極６０の上方に設けられて厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、圧電体層７０の上方に設けられた第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。なお、ここで言う上方とは、直上だけでなく、間に他の部材が介在した状態も含むものである。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０、及び第２電極８０を含む部分をいう。 Further, on the insulator film 55, a first electrode 60 and a piezoelectric layer 70 which is provided above the first electrode 60 and is a thin film having a thickness of 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm, The second electrode 80 provided above the piezoelectric layer 70 is laminated to form the piezoelectric element 300. In addition, the upper direction said here includes not only immediately above but the state where the other member intervened. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80.
圧電素子３００は、一般的には、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極をそれぞれ独立する個別電極とする。本実施形態では、圧電素子３００の実質的な駆動部となる各圧電体能動部の個別電極として第１電極６０を設け、複数の圧電体能動部に共通する共通電極として第２電極８０を設けるようにした。ここで、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部といい、圧電体能動部から連続するが第１電極６０と第２電極８０に挟まれておらず、電圧駆動されない部分を圧電体非能動部という。 In the piezoelectric element 300, generally, one of the electrodes is a common electrode, and the other electrode is an independent electrode. In the present embodiment, the first electrode 60 is provided as an individual electrode of each piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is provided as a common electrode common to a plurality of piezoelectric active parts. I did it. Here, a portion where piezoelectric distortion is caused by application of voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion, which is continuous from the piezoelectric active portion but is not sandwiched between the first electrode 60 and the second electrode 80, and is voltage driven. The part that is not used is called a piezoelectric non-active part.
なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５、及び第１電極６０が圧電素子３００と共に変形する振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。例えば、弾性膜５０のみを振動板とした場合、絶縁体膜５５を設けた場合よりも剛性が低いため、変位量を大きくすることができる。 In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, and the first electrode 60 act as a diaphragm that is deformed together with the piezoelectric element 300. However, the present invention is not limited to this, and for example, the elastic film 50 Further, without providing the insulator film 55, only the first electrode 60 may function as a diaphragm. For example, when only the elastic film 50 is a diaphragm, the rigidity is lower than when the insulator film 55 is provided, so that the amount of displacement can be increased.
ここで、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の第１電極６０は、例えば、白金からなる配線層６１と、配線層６１上に形成されたニッケル酸ランタン層（ＬＮＯ層）６２との二層から構成されるものである。 Here, as shown in FIG. 2B, the first electrode 60 of the present embodiment includes, for example, a wiring layer 61 made of platinum and a lanthanum nickelate layer (LNO layer) 62 formed on the wiring layer 61. And is composed of two layers.
かかるニッケル酸ランタン層６２は、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物、具体的には、少なくとも酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸、及び水を混合して混合溶液を得た後、混合溶液を加熱することにより得られたニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されているものである。化学溶液法（ＣＳＤ法：Chemical Solution Deposition）とは、ニッケル酸ランタン膜形成用組成物を塗布してニッケル酸ランタン前駆体膜を形成する工程と、ニッケル酸ランタン前駆体膜を加熱することにより結晶化させてニッケル酸ランタン膜を形成する工程と、を備えるものであり、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法等が挙げられる。このニッケル酸ランタン膜形成用組成物により形成されたニッケル酸ランタン膜は、（００１）面又は（１００）面に優先配向（自然配向）する。 The lanthanum nickelate layer 62 is obtained by mixing a predetermined lanthanum nickelate film forming composition, specifically, at least lanthanum acetate, nickel acetate, acetic acid, and water to obtain a mixed solution, and then heating the mixed solution. It is formed by the chemical solution method using the lanthanum nickelate film forming composition obtained by doing so. The chemical solution deposition (CSD method) is a process in which a composition for forming a lanthanum nickelate film is applied to form a lanthanum nickelate precursor film, and a crystal is produced by heating the lanthanum nickelate precursor film. And a step of forming a lanthanum nickelate film, and examples thereof include a sol-gel method and a MOD method. The lanthanum nickelate film formed by this composition for forming a lanthanum nickelate film is preferentially oriented (natural orientation) on the (001) plane or the (100) plane.
上述したように、ニッケル酸ランタン層６２は、結晶の配向面が（００１）面又は（１００）面に優先配向（自然配向）している。ニッケル酸ランタンとしては、ＬａＮｉＯ３、Ｌａ３Ｎｉ２Ｏ６、ＬａＮｉＯ２、Ｌａ２ＮｉＯ４、Ｌａ３Ｎｉ２Ｏ７、Ｌａ４Ｎｉ３Ｏ１０等が挙げられ、本実施形態では、ＬａＮｉＯ３を用い、（００１）面に優先配向したものとした。 As described above, in the lanthanum nickelate layer 62, the crystal orientation plane is preferentially oriented (natural orientation) to the (001) plane or the (100) plane. Examples of lanthanum nickelate include LaNiO 3 , La 3 Ni 2 O 6 , LaNiO 2 , La 2 NiO 4 , La 3 Ni 2 O 7 , La 4 Ni 3 O 10, etc. In this embodiment, LaNiO 3 is used. Used and preferentially oriented in the (001) plane.
そして、上述したニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層６２は、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する圧電体層７０の配向制御層として機能する。このニッケル酸ランタン層６２は、例えば、チタンからなる配向制御層と比較して、圧電体層７０の配向率を著しく向上させることができる。すなわち、ニッケル酸ランタン層６２は、チタンからなる配向制御層と比較して、配向制御性が著しく高いものである。さらに、ニッケル酸ランタン層６２は、チタンのように低誘電率層となることがなく、圧電素子３００の圧電特性の低下を抑制することができる。また、ニッケル酸ランタン層６２は、例えば、スパッタリング法により形成されたニッケル酸ランタン層や、他のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層と比較して、圧電体層７０の配向率を著しく向上させることができるが、スパッタリング法などの気相法により成膜してもよい。 The lanthanum nickelate layer 62 formed by the chemical solution method using the lanthanum nickelate film forming composition described above includes at least Pb, Ti and Zr, and the orientation control layer of the piezoelectric layer 70 having a perovskite structure. Function as. This lanthanum nickelate layer 62 can remarkably improve the orientation rate of the piezoelectric layer 70 as compared with, for example, an orientation control layer made of titanium. That is, the lanthanum nickelate layer 62 has significantly higher alignment controllability than an alignment control layer made of titanium. Further, the lanthanum nickelate layer 62 does not become a low dielectric constant layer like titanium, and can suppress a decrease in piezoelectric characteristics of the piezoelectric element 300. Further, the lanthanum nickelate layer 62 is compared with, for example, a lanthanum nickelate layer formed by a sputtering method or a lanthanum nickelate layer formed by a chemical solution method using another composition for forming a lanthanum nickelate film. Thus, the orientation ratio of the piezoelectric layer 70 can be remarkably improved, but the film may be formed by a vapor phase method such as a sputtering method.
また、本実施形態では、配線層６１は、白金からなる白金層としたが、これに限定されず、例えば、イリジウム、酸化イリジウムを含む酸化イリジウム層、白金層と酸化イリジウム層の積層構造等が挙げられる。 In the present embodiment, the wiring layer 61 is a platinum layer made of platinum. However, the wiring layer 61 is not limited to this. For example, iridium, an iridium oxide layer containing iridium oxide, a laminated structure of a platinum layer and an iridium oxide layer, or the like. Can be mentioned.
配線層６１の厚さは特に限定されないが、例えば、１０〜３００ｎｍ程度とすればよい。また、ニッケル酸ランタン層６２の厚さも特に限定されないが、例えば１０〜１００ｎｍ程度とすればよい。本実施形態では、配線層６１の厚さを１００ｎｍとし、ニッケルランタン層の厚さを４０ｎｍとした。 The thickness of the wiring layer 61 is not particularly limited, but may be about 10 to 300 nm, for example. The thickness of the lanthanum nickelate layer 62 is not particularly limited, but may be, for example, about 10 to 100 nm. In this embodiment, the wiring layer 61 has a thickness of 100 nm, and the nickel lanthanum layer has a thickness of 40 nm.
また、圧電体層７０は、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなるものである。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。本実施形態の圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。 The piezoelectric layer 70 is made of a composite oxide having at least Pb, Ti and Zr and having a perovskite structure. As the piezoelectric layer 70, for example, lead zirconate titanate (PZT), or a relaxor ferroelectric material in which a metal such as niobium, nickel, magnesium, bismuth, or yttrium is added thereto is used. The piezoelectric layer 70 of this embodiment is made of lead zirconate titanate (PZT).
圧電体層７０は、ペロブスカイト構造、すなわちＡＢＯ３型構造を有する複合酸化物であることが好ましい。なお、ペロブスカイト構造は、Ａサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている構造である。 The piezoelectric layer 70 is preferably a composite oxide having a perovskite structure, that is, an ABO 3 type structure. The perovskite structure is a structure in which oxygen is 12-coordinated at the A site and oxygen is 6-coordinated at the B site to form an octahedron.
上述したように、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層６２上に、圧電体層７０を設けることにより、後述するように（試験例等参照）、変位特性に優れた圧電素子３００とすることができる。 As described above, by providing the piezoelectric layer 70 on the lanthanum nickelate layer 62 formed by a chemical solution method using a predetermined composition for forming a lanthanum nickelate film, as will be described later (test examples and the like) The piezoelectric element 300 having excellent displacement characteristics can be obtained.
第２電極８０としては、Ｉｒ，Ｐｔ，タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。 The second electrode 80 may be any of various metals such as Ir, Pt, tungsten (W), tantalum (Ta), and molybdenum (Mo), and alloys thereof and metal oxides such as iridium oxide. It is done.
このような各圧電素子３００の第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、流路形成基板１０の絶縁体膜５５上に延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加される。 The second electrode 80 of each piezoelectric element 300 is made of gold (Au) or the like drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended on the insulator film 55 of the flow path forming substrate 10. Lead electrodes 90 are connected to each other. A voltage is selectively applied to each piezoelectric element 300 via the lead electrode 90.
本実施形態の圧電素子３００は、その電流電圧特性で電流のピークを有し、ピーク位置が２８Ｖ〜３２Ｖの範囲にある。このような電流電圧特性が得られるように、ニッケル酸ランタン層６２上に圧電体層７０を設けることにより、エージング処理による変位量の低下が低減し、結果的に変位量の大きな圧電素子３００が実現できる。 The piezoelectric element 300 of this embodiment has a current peak in its current-voltage characteristics, and the peak position is in the range of 28V to 32V. By providing the piezoelectric layer 70 on the lanthanum nickelate layer 62 so as to obtain such current-voltage characteristics, a decrease in the displacement amount due to the aging treatment is reduced, and as a result, the piezoelectric element 300 having a large displacement amount is obtained. realizable.
ここで、圧電素子３００の電流電圧特性は、圧電体層７０の下地の種類、圧電体層７０の組成、焼成温度などの製造条件により変化するので、下地は、ニッケル酸ランタン層とし、圧電体層７０を成膜した後、圧電素子３００として電流電圧特性を測定して確認する以外にないが、圧電体層７０の組成や製造条件を決定すれば、本発明の範囲に包含する圧電素子３００を容易に製造することができる。 Here, the current-voltage characteristics of the piezoelectric element 300 vary depending on the manufacturing conditions such as the type of the base of the piezoelectric layer 70, the composition of the piezoelectric layer 70, the firing temperature, etc. Therefore, the base is a lanthanum nickelate layer, After the layer 70 is formed, the current-voltage characteristics of the piezoelectric element 300 are measured and confirmed, but if the composition and manufacturing conditions of the piezoelectric layer 70 are determined, the piezoelectric element 300 included in the scope of the present invention. Can be easily manufactured.
例えば、後述する試験例で示すように、圧電素子のＰｂの含有量の変化で電流電圧特性の電流のピーク位置が変化し、後述する製造条件では、Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８とし、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．１８〜１．２１とＰｂ過剰とした組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電流のピーク位置が２８〜３２Ｖに位置し、エージング処理による変位量の低下が他の組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較して著しく小さいことが確認された。 For example, as shown in a test example described later, the peak position of the current of the current-voltage characteristic changes due to the change in the Pb content of the piezoelectric element. Under the manufacturing conditions described later, Zr / Ti = 52/48, and Pb / The lead zirconate titanate (PZT) having a Pb-excess composition (Zr + Ti) = 1.18 to 1.21 has a current peak position of 28 to 32 V, and the decrease in displacement due to the aging treatment is other than that. It was confirmed that the composition was significantly smaller than that of lead zirconate titanate (PZT).
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。 On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the insulator film 55, and the lead electrode 90, a manifold portion 31 constituting at least a part of the manifold 100 is provided. The protective substrate 30 is bonded via an adhesive 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12.
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。 A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。 As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。 The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。 A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。 In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the manifold portion 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。 In such an ink jet recording head of the present embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink, and then the drive circuit 120. In accordance with the recording signal from the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, the elastic film 50, the insulator film 55, the first electrode 60, and the piezoelectric layer. By bending and deforming 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
以下、試験例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
（試験サンプル１〜６）
上述した実施形態の構成で、ニッケル酸ランタン層６２を除いて配線層６１上に、Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８とし、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．１８となる組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成したものを試験サンプル１とした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to test examples.
(Test samples 1-6)
In the configuration of the above-described embodiment, lead zirconate titanate having a composition in which Zr / Ti = 52/48 and Pb / (Zr + Ti) = 1.18 is formed on the wiring layer 61 except for the lanthanum nickelate layer 62. A sample in which a piezoelectric layer 70 made of PZT was formed was designated as test sample 1.
また、上述した実施形態と同様に、ニッケル酸ランタン層６２上に、Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８とし、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）を、１．１２、１．１５、１．１８、１．２１としたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成したものを試験サンプル２〜５とした。 Similarly to the embodiment described above, on the lanthanum nickelate layer 62, Zr / Ti = 52/48, and Pb / (Zr + Ti) is 1.12, 1.15, 1.18, 1.21. Test samples 2 to 5 were obtained by forming the piezoelectric layer 70 made of the lead zirconate titanate (PZT).
さらに、上述した実施形態の構成で、ニッケル酸ランタン層（ＬＮＯ）６２上に、Ｚｒ／Ｔｉ＝４６／５４とし、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝１．１８となる組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成したものを試験サンプル６とした。 Further, in the configuration of the embodiment described above, lead zirconate titanate (PZT) having a composition of Zr / Ti = 46/54 and Pb / (Zr + Ti) = 1.18 on the lanthanum nickelate layer (LNO) 62. The test sample 6 was formed with the piezoelectric layer 70 made of
（試験例１）Ｉ−Ｖ曲線測定
試験サンプル１〜６の各圧電素子について、ヒューレットパッカード社製「４１４０Ｂ」を用い、室温（２５℃）でＨｏｌｄ Ｔｉｍｅを０．５秒、ＤｅｌａｙＴｉｍｅを２秒に設定し、２Ｖ毎に電圧を印加して、電流密度と電圧との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を求めた。試験サンプル１〜６の結果を図３に示す。また、Ｉ−Ｖ曲線の電流密度のピーク電圧を表１に示す。
(Test Example 1) IV Curve Measurement For each of the piezoelectric elements of Test Samples 1 to 6, “4140B” manufactured by Hewlett-Packard Company was used, and at room temperature (25 ° C.), Hold Time was 0.5 seconds and Delay Time was 2 seconds. The voltage was applied every 2V, and the relationship between the current density and the voltage (IV curve) was obtained. The results of test samples 1 to 6 are shown in FIG. Table 1 shows the peak voltage of the current density on the IV curve.
この結果、試験サンプル１ではピーク電圧が観察されず、また、試験サンプル２〜６ではピーク電圧の位置が異なることがわかった。 As a result, no peak voltage was observed in the test sample 1, and it was found that the positions of the peak voltages were different in the test samples 2 to 6.
（試験例２）エージング後の変位量測定
試験サンプル１〜６の圧電素子について、４５Ｖ電圧を０．５時間連続印加するエージングを行った後、エージング後の初期と、最大電圧が２５Ｖの通常の駆動波形を１９０億回印加後において、グラフテック社製の変位測定装置（レーザードップラー変位計）を用い室温（２５℃）で、電極面積２７３００μｍ２のパターンを用いて、周波数１ｋＨｚで−２〜２５Ｖの電圧を印加して、変位量を求めた。駆動パルス印加後の変位量はエージング後の初期を基準とした変化率（低下率）で表した。この結果を表１に示す。
また、試験例１のピーク電圧と変位量の変化率との関係を図４に示す。
(Test Example 2) Measurement of displacement after aging For the piezoelectric elements of Test Samples 1 to 6, after performing aging by continuously applying 45V voltage for 0.5 hours, the initial value after aging and the normal voltage of 25V After applying the drive waveform 19 billion times, using a displacement measuring device (Laser Doppler displacement meter) manufactured by Graphtec Corporation at room temperature (25 ° C.), using a pattern with an electrode area of 27300 μm 2 and a frequency of 1 kHz, −2 to 25 V A voltage was applied to determine the amount of displacement. The amount of displacement after applying the drive pulse was expressed as the rate of change (decrease rate) based on the initial stage after aging. The results are shown in Table 1.
FIG. 4 shows the relationship between the peak voltage and the change rate of the displacement amount in Test Example 1.
この結果、試験サンプル４、５では、変化率が著しく小さいことがわかった。また、試験サンプル４、５は、ニッケル酸ランタン（ＬＮＯ）層上に圧電体層が設けられ、ピーク電圧は２８Ｖ、３２Ｖであるが、ニッケル酸ランタン（ＬＮＯ）層上に圧電体層が設けられ、ピーク電圧が２６Ｖの試験サンプル６では変化率が１９％と大きかった。 As a result, it was found that in the test samples 4 and 5, the rate of change was extremely small. Test samples 4 and 5 are provided with a piezoelectric layer on the lanthanum nickelate (LNO) layer and have peak voltages of 28 V and 32 V. However, the piezoelectric layer is provided on the lanthanum nickelate (LNO) layer. In the test sample 6 having a peak voltage of 26 V, the rate of change was as high as 19%.
この結果、圧電体層７０の下地はニッケル酸ランタン層であり、電流電圧特性の電流密度のピーク電圧が２８Ｖ〜３２Ｖの場合、エージング後の変位量の変化が著しく小さいことがわかった。すなわち、この場合、実使用時において、変位が安定した状態で長期間に亘って使用できることがわかった。 As a result, it was found that the underlayer of the piezoelectric layer 70 is a lanthanum nickelate layer, and when the peak voltage of the current density in the current-voltage characteristics is 28V to 32V, the change in displacement after aging is extremely small. That is, in this case, it was found that it can be used over a long period of time with a stable displacement during actual use.
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではない。例えば、実施形態１では、第１電極６０が配線層６１を備えるものとしたが、配線層６１を設けなくてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the first embodiment, the first electrode 60 includes the wiring layer 61, but the wiring layer 61 may not be provided.
また、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。 Moreover, although the silicon single crystal substrate was illustrated as the flow path forming substrate 10, it is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.
これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 The ink jet recording head of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 5 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図５に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。 In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 5, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting ink supply means, and the recording head units 1A and 1B. Is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。 The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
また、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター等が挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー（角速度センサー）等が挙げられる。 Further, the piezoelectric element according to the present invention is not limited to the piezoelectric element used in the liquid ejecting head, and can be used in other devices. Other devices include, for example, an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a temperature-electric converter, a pressure-electric converter, a ferroelectric transistor, a piezoelectric transformer, and a filter for blocking harmful rays such as infrared rays. And filters such as an optical filter using a photonic crystal effect due to quantum dot formation and an optical filter using optical interference of a thin film. The present invention can also be applied to a piezoelectric element used as a sensor and a piezoelectric element used as a ferroelectric memory. Examples of the sensor using the piezoelectric element include an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, and a gyro sensor (angular velocity sensor).
Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、II インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子 I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 15 communicating path, 20 nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protective substrate, 40 Compliance substrate, 50 Elastic film, 55 Insulator film, 60 First electrode, 70 Piezoelectric layer, 80 Second electrode, 90 Lead electrode, 100 Manifold, 120 Drive circuit, 300 Piezoelectric element
Claims (3)
前記圧電体層は、ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電素子の電流電圧特性における電流のピーク位置が２８Ｖ〜３２Ｖの範囲にあることを特徴とする液体噴射ヘッド。 A liquid ejecting head including a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is provided above the lanthanum nickelate film and is made of a complex oxide having a perovskite structure including at least Pb, Ti, and Zr.
A liquid ejecting head, wherein a current peak position in a current-voltage characteristic of the piezoelectric element is in a range of 28V to 32V.
前記圧電体層は、ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電素子の電流電圧特性における電流のピーク位置が２８Ｖ〜３２Ｖの範囲にあることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is provided above the lanthanum nickelate film and is made of a complex oxide having a perovskite structure including at least Pb, Ti, and Zr.
The piezoelectric element characterized in that the peak position of the current in the current-voltage characteristics of the piezoelectric element is in the range of 28V to 32V.
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