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JP2008124342A - Actuator device, liquid jet head, and liquid jet device - Google Patents

Actuator device, liquid jet head, and liquid jet device Download PDF

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JP2008124342A
JP2008124342A JP2006308367A JP2006308367A JP2008124342A JP 2008124342 A JP2008124342 A JP 2008124342A JP 2006308367 A JP2006308367 A JP 2006308367A JP 2006308367 A JP2006308367 A JP 2006308367A JP 2008124342 A JP2008124342 A JP 2008124342A
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JP
Japan
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piezoelectric layer
piezoelectric
film
actuator device
piezoelectric element
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Application number
JP2006308367A
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Japanese (ja)
Inventor
Kinzan Ri
欣山 李
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】圧電素子の駆動による圧電体層の破壊を防止することができるアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】基板上に設けられる下電極膜と、下電極膜上に設けられる圧電体層70と、圧電体層70上に設けられる上電極膜80とからなる圧電素子300を具備し、且つ圧電素子300を構成する圧電体層70の各結晶粒の厚さと幅との比が1以上100以下であるようにする。
【選択図】図3
An actuator device, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting device capable of preventing destruction of a piezoelectric layer due to driving of a piezoelectric element are provided.
A piezoelectric element includes: a lower electrode film provided on a substrate; a piezoelectric layer provided on the lower electrode film; and an upper electrode film provided on the piezoelectric layer; and The ratio of the thickness and width of each crystal grain of the piezoelectric layer 70 constituting the piezoelectric element 300 is set to be 1 or more and 100 or less.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、下電極膜、圧電材料からなる圧電体層及び上電極膜で構成される圧電素子を撓み変形可能に有するアクチュエータ装置、このアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。   The present invention relates to an actuator device having a piezoelectric element composed of a lower electrode film, a piezoelectric layer made of a piezoelectric material, and an upper electrode film so that the piezoelectric element can be bent and deformed, and a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus using the actuator device.

アクチュエータ装置等として用いられる圧電素子としては、例えば、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体層を、下電極膜と上電極膜との2つの電極で挟んで構成されたものがある。また、圧電素子を有するアクチュエータ装置、すなわち、撓み振動モードのアクチュエータ装置を用いた装置としては、例えば、圧電素子の変位を利用してノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドがある。この液体噴射ヘッドの代表例としては、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挙げられる。また、このようなインクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電素子を構成する圧電体層は、例えば、下電極が設けられた基板上に圧電材料を積層することによって形成され、膜厚方向に延びる柱状結晶で形成されている(例えば、特許文献1参照)。   As a piezoelectric element used as an actuator device or the like, for example, a piezoelectric material having an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric layer made of crystallized piezoelectric ceramics, and the like, two electrodes of a lower electrode film and an upper electrode film are used. There is something that is sandwiched between. As an actuator device having a piezoelectric element, that is, a device using an actuator device in a flexural vibration mode, for example, there is a liquid ejecting head that ejects liquid droplets from a nozzle opening using displacement of a piezoelectric element. As a typical example of the liquid ejecting head, 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 a piezoelectric element so that ink in the pressure generation chamber is formed. And an ink jet recording head that discharges ink droplets from a nozzle opening by pressurizing. In addition, the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element used in such an ink jet recording head is formed by laminating a piezoelectric material on a substrate provided with a lower electrode, for example, and extending in the film thickness direction. It is formed of crystals (for example, see Patent Document 1).

特開平10−81016号公報JP-A-10-81016

このように圧電体層が膜厚方向に延びる柱状結晶で形成されていると、圧電素子の駆動に起因して、結晶粒界(結晶間)にクラックが発生してしまう虞がある。すなわち、結晶粒界には圧電材料が結晶化されていない非晶質な部分が存在するため、この結晶粒界が圧電体層の厚さ方向に連続していることで、圧電体層に割れが生じ易くなってしまう。   If the piezoelectric layer is thus formed of columnar crystals extending in the film thickness direction, cracks may occur at crystal grain boundaries (between crystals) due to the driving of the piezoelectric element. In other words, since there is an amorphous portion in which the piezoelectric material is not crystallized at the crystal grain boundary, the crystal grain boundary is continuous in the thickness direction of the piezoelectric layer, so that the piezoelectric layer is cracked. Is likely to occur.

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、勿論、液体噴射ヘッド以外に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。   Such a problem exists not only in an actuator device mounted on a liquid ejecting head such as an ink jet recording head, but also in an actuator device mounted on other than the liquid ejecting head.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の駆動による圧電体層の破壊を防止することができるアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides an actuator device, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus that can prevent a piezoelectric layer from being destroyed by driving a piezoelectric element. .

上記課題を解決する本発明は、基板上に設けられる下電極膜と、該下電極膜上に設けられる圧電体層と、該圧電体層上に設けられる上電極膜とからなる圧電素子を具備し、該圧電素子を構成する前記圧電体層がその膜厚方向で連続することなく積み重ねられた複数の結晶粒を含むと共に各結晶粒の厚さと幅との比が1以上100以下であることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる本発明では、圧電体層の剛性が向上するため、圧電素子の繰り返し駆動によって圧電体層にクラックが発生するのを防止することができる。
The present invention for solving the above-described problems comprises a piezoelectric element comprising a lower electrode film provided on a substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode film, and an upper electrode film provided on the piezoelectric layer. The piezoelectric layer constituting the piezoelectric element includes a plurality of crystal grains stacked without being continuous in the film thickness direction, and the ratio between the thickness and width of each crystal grain is 1 or more and 100 or less. The actuator device is characterized by the following.
In the present invention, since the rigidity of the piezoelectric layer is improved, it is possible to prevent the piezoelectric layer from being cracked by the repeated driving of the piezoelectric element.

ここで、前記圧電体層の各結晶粒の端部が当該圧電体層の厚さ方向で並んでいないことが好ましい。このような構成では、圧電体層に、その膜厚方向に亘って直線的に連続する粒界が存在しないため、圧電体層にクラックが発生するのをより確実に防止することができる。   Here, it is preferable that the ends of the crystal grains of the piezoelectric layer are not aligned in the thickness direction of the piezoelectric layer. In such a configuration, since there is no grain boundary linearly continuous in the film thickness direction in the piezoelectric layer, it is possible to more reliably prevent cracks from occurring in the piezoelectric layer.

また、前記圧電体層の各結晶粒は、当該圧電体層の面方向において一方向に優先配向することなく形成されていることが好ましい。これにより、圧電体層を比較的容易に形成することができ、且つ圧電体層の剛性をより確実に向上させることができる。   The crystal grains of the piezoelectric layer are preferably formed without preferential orientation in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer. As a result, the piezoelectric layer can be formed relatively easily, and the rigidity of the piezoelectric layer can be improved more reliably.

また、前記圧電体層の各結晶粒は、当該圧電体層の面方向において一方向に優先配向していることが好ましい。これにより、結晶粒の厚さを比較的厚くすることができ、圧電体層の剛性を高めつつ変位特性を極めて良好に維持することができる。   The crystal grains of the piezoelectric layer are preferably preferentially oriented in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer. Thereby, the thickness of the crystal grains can be made relatively thick, and the displacement characteristics can be maintained extremely well while increasing the rigidity of the piezoelectric layer.

さらに、前記圧電体層の各結晶粒は、当該圧電体層の面方向において一方向に優先配向している場合には、前記圧電素子は横断面が略矩形となるように形成され、前記圧電体層の結晶粒が優先配向する方向が、前記圧電素子の長手方向又は短手方向であることが好ましい。これにより、圧電素子の繰り返し駆動によって圧電体層にクラックが発生するのをより確実に防止することができる。   Further, when each crystal grain of the piezoelectric layer is preferentially oriented in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer, the piezoelectric element is formed so that the cross section is substantially rectangular, The direction in which the crystal grains of the body layer are preferentially oriented is preferably the longitudinal direction or the short direction of the piezoelectric element. Thereby, it is possible to more reliably prevent cracks from being generated in the piezoelectric layer due to repeated driving of the piezoelectric element.

また、前記圧電体層の各結晶粒の間隔が5nm以下であることが好ましい。このように比較的クラックの発生しやすい結晶粒の間隔を規制することで、圧電素子の繰り返し駆動によって圧電体層にクラックが発生するのをより確実に防止することができる。さらに、前記圧電体層の膜厚が0.5〜5μmであることが好ましい。これにより、圧電体層の剛性を高めつつ圧電素子の変位特性を良好に維持できる。   Moreover, it is preferable that the space | interval of each crystal grain of the said piezoelectric material layer is 5 nm or less. By regulating the interval between crystal grains that are relatively susceptible to cracks in this way, it is possible to more reliably prevent cracks from occurring in the piezoelectric layer due to repeated driving of the piezoelectric elements. Furthermore, the film thickness of the piezoelectric layer is preferably 0.5 to 5 μm. Thereby, the displacement characteristic of the piezoelectric element can be favorably maintained while increasing the rigidity of the piezoelectric layer.

また、本発明は、上記のようなアクチュエータ装置と、該アクチュエータ装置が一方面側に設けられると共に液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。かかる本発明では、耐久性を向上した液体噴射ヘッドを実現することができる。   Further, the present invention includes the actuator device as described above, and a flow path forming substrate in which the actuator device is provided on one side and provided with a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets. The liquid ejecting head is characterized by the above. According to the present invention, a liquid jet head with improved durability can be realized.

さらに、本発明は、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。かかる本発明では、信頼性を向上し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. According to the present invention, a liquid ejecting apparatus with improved reliability can be realized.

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態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概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図であり、図3は、圧電体層の結晶状態の概略を示す上面図及び断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. FIG. 3 is a top view and a cross-sectional view showing an outline of the crystal state of the piezoelectric layer.

図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では結晶面方位が(110)であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン(SiO)からなる、厚さ0.5〜2.0[μm]の弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、隔壁11によって区画された複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。 As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a crystal plane orientation of (110) in this embodiment, and one surface thereof is made of silicon oxide (SiO 2 ) previously formed by thermal oxidation. An elastic film 50 having a thickness of 0.5 to 2.0 [μm] is formed. In the flow path forming substrate 10, a plurality of pressure generating chambers 12 partitioned by a partition wall 11 are arranged in parallel in the width direction.

また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向一端部側には、隔壁11によって区画され各圧力発生室12に連通するインク供給路13と連通路14とが設けられている。さらに、連通路14の外側には、各連通路14と連通する連通部15が設けられている。この連通部15は、後述する保護基板30のリザーバ部32と連通して、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるリザーバ100の一部を構成する。   Further, an ink supply path 13 and a communication path 14 that are partitioned by a partition wall 11 and communicate with each pressure generation chamber 12 are provided on one end side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10. Furthermore, a communication portion 15 that communicates with each communication path 14 is provided outside the communication path 14. The communication portion 15 communicates with a reservoir portion 32 of the protective substrate 30 described later, and constitutes a part of the reservoir 100 that becomes a common ink chamber (liquid chamber) of each pressure generating chamber 12.

ここで、インク供給路13は、圧力発生室12よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部15から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。例えば、本実施形態では、インク供給路13は、リザーバ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、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。また、各連通路14は、圧力発生室12の幅方向両側の隔壁11を連通部15側に延設してインク供給路13と連通部15との間の空間を区画することで形成されている。   Here, the ink supply path 13 is formed to have a narrower cross-sectional area than the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 15 is kept constant. . For example, in this embodiment, the ink supply path 13 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 reservoir 100 and each pressure generation chamber 12 in the width direction. It is formed with. In this embodiment, the ink supply path 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. Each communication passage 14 is formed by extending the partition walls 11 on both sides in the width direction of the pressure generating chamber 12 toward the communication portion 15 to partition the space between the ink supply path 13 and the communication portion 15. Yes.

なお、流路形成基板10の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよい。   In this embodiment, a silicon single crystal substrate is used as a material for the flow path forming substrate 10, but of course, the material is not limited to this, and for example, glass ceramics, stainless steel, or the like may be used.

流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路13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、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。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、ステンレス鋼などからなる。   On the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 13 is provided with adhesive or heat. It is fixed by a welding 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、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように厚さが例えば約1.0[μm]の弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、約0.4[μm]の絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.1〜0.2[μm]の下電極膜60と、厚さが例えば、約0.5〜5[μm]の圧電体層70と、厚さが例えば、約50[nm]の上電極膜80とからなる圧電素子300が形成されている。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧電体層70と共に圧力発生室12毎にパターニングして個別電極とする。そして、ここでは圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60が振動板として作用するが、弾性膜50、絶縁体膜55を設けずに、下電極膜60のみを残して下電極膜60を振動板としてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。さらに、このような各圧電素子300の上電極膜80には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90がそれぞれ接続されており、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ようになっている。   On the other hand, an elastic film 50 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 as described above. An insulator film 55 made of zirconium oxide or the like and having a thickness of, for example, about 0.4 [μm] is formed. Further, on the insulator film 55, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.1 to 0.2 [μm] and a piezoelectric film having a thickness of, for example, about 0.5 to 5 [μm]. A piezoelectric element 300 including the body layer 70 and the upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 50 [nm] is formed. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode is patterned together with the piezoelectric layer 70 for each pressure generating chamber 12 to form individual electrodes. Here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, and the lower electrode film 60 function as a diaphragm. However, the elastic film 50 and the insulator film 55 are not provided, and only the lower electrode film 60 is left. The electrode film 60 may be a diaphragm. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm. Further, a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is connected to the upper electrode film 80 of each piezoelectric element 300, and is selectively connected to each piezoelectric element 300 via the lead electrode 90. A voltage is applied to.

ここで、圧電素子300を構成する下電極膜60は、本実施形態では、複数の圧電素子300に対応する領域に連続的に形成され、複数の圧電素子300に共通する共通電極となっている。この下電極膜60の材料は、特に限定されないが、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等が好適に用いられている。   Here, in this embodiment, the lower electrode film 60 constituting the piezoelectric element 300 is continuously formed in a region corresponding to the plurality of piezoelectric elements 300 and serves as a common electrode common to the plurality of piezoelectric elements 300. . The material of the lower electrode film 60 is not particularly limited. For example, platinum (Pt), iridium (Ir), or the like is preferably used.

圧電体層70は、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングされ、それぞれ独立して存在している。また圧電体層70は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料からなり結晶化された複数層の圧電体膜72で構成されている。そして、図3に示すように、圧電体層70を構成する各結晶粒70aは、膜厚方向で連続することなく積み重ねられている。なお、圧電体層70の形成方法については詳しく後述する。   The piezoelectric layer 70 is patterned in a region facing each pressure generating chamber 12 and exists independently. The piezoelectric layer 70 is composed of a plurality of piezoelectric films 72 made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) and crystallized. As shown in FIG. 3, the crystal grains 70a constituting the piezoelectric layer 70 are stacked without being continuous in the film thickness direction. The method for forming the piezoelectric layer 70 will be described later in detail.

ここで、圧電体層70を構成する各結晶粒70aは、その厚さと幅との比が1以上100以下となっている。結晶粒70aの幅とは、具体的には、圧電体層70の面内方向における結晶粒70aの幅、すなわち直径のことであり、圧電体層70の結晶粒70aは、その厚さと結晶粒70aの最小径との比が1以上であり且つ厚さと最大径との比が100以下となっている。圧電体層70の各結晶粒70aの厚さと幅との比は、上記の範囲であればよいが、2以上であることが好ましく、さらに好ましくは5以上である。特に、圧電素子300の長手方向に沿った断面における圧電体層70の厚さt1と幅w1との比は、比較的大きいことが好ましく、具体的には10以上となるようにするのが望ましい。   Here, the ratio of the thickness and the width of each crystal grain 70a constituting the piezoelectric layer 70 is 1 or more and 100 or less. Specifically, the width of the crystal grain 70a is the width, that is, the diameter of the crystal grain 70a in the in-plane direction of the piezoelectric layer 70. The crystal grain 70a of the piezoelectric layer 70 has a thickness and a crystal grain size. The ratio of the minimum diameter of 70a is 1 or more, and the ratio of the thickness to the maximum diameter is 100 or less. The ratio between the thickness and the width of each crystal grain 70a of the piezoelectric layer 70 may be in the above range, but is preferably 2 or more, and more preferably 5 or more. In particular, the ratio between the thickness t1 and the width w1 of the piezoelectric layer 70 in the cross section along the longitudinal direction of the piezoelectric element 300 is preferably relatively large, and specifically 10 or more is desirable. .

このような構成とすることにより、圧電体層70の剛性が実質的に向上するため、圧電素子300の繰り返し駆動による圧電体層70の破壊、すなわち、圧電体層70へのクラックの発生を防止することができる。したがって、圧電素子300の耐久性が大幅に向上する。   With such a configuration, the rigidity of the piezoelectric layer 70 is substantially improved, so that the piezoelectric layer 70 is prevented from being broken due to repeated driving of the piezoelectric element 300, that is, the occurrence of cracks in the piezoelectric layer 70 is prevented. can do. Therefore, the durability of the piezoelectric element 300 is greatly improved.

また、圧電体層70の各結晶粒70aの端部は、圧電体層70の厚さ方向で並んでいないことが好ましい。圧電体層70を構成する各結晶粒70aの間(結晶粒界)には実質的に結晶化されていない非晶質な部分が存在するため、圧電体層70の各結晶粒70aの端部が圧電体層70の厚さ方向で並んでいると、この結晶粒界(非晶質部分)にクラックが入り易いからである。また、結晶粒界が圧電体層70の膜厚方向で直線的に連続していないため、圧電体層70の鉛成分がこの結晶粒界を介して下電極膜に拡散してしまうのを防止することができるという効果もある。   In addition, it is preferable that the ends of the crystal grains 70 a of the piezoelectric layer 70 are not aligned in the thickness direction of the piezoelectric layer 70. Since there are amorphous portions that are not substantially crystallized between the crystal grains 70a constituting the piezoelectric layer 70 (crystal grain boundaries), the end portions of the crystal grains 70a of the piezoelectric layer 70 are present. This is because cracks are likely to occur in the crystal grain boundaries (amorphous portions) when the piezoelectric layers 70 are arranged in the thickness direction. Further, since the crystal grain boundaries are not linearly continuous in the film thickness direction of the piezoelectric layer 70, the lead component of the piezoelectric layer 70 is prevented from diffusing into the lower electrode film through the crystal grain boundaries. There is also an effect that can be done.

さらに、圧電体層70を構成する各結晶粒70aの間隔、すなわち、結晶粒界の幅は、5nm以下であることが好ましい。これにより、圧電体層70の剛性がより確実に高まり、圧電体層70にクラックが発生するのをより確実に防止することができる。また、鉛成分の拡散もより確実に防止することができる。   Furthermore, the interval between the crystal grains 70a constituting the piezoelectric layer 70, that is, the width of the crystal grain boundary is preferably 5 nm or less. As a result, the rigidity of the piezoelectric layer 70 is more reliably increased, and the occurrence of cracks in the piezoelectric layer 70 can be more reliably prevented. Moreover, the diffusion of the lead component can be prevented more reliably.

また、本実施形態に係る圧電体層70の結晶粒70aは、圧電体層70の面方向において一方向に優先配向することなく形成されている。すなわち、圧電体層70は、面内方向における各結晶粒70aの幅が規制されることなく形成されている。そして、本実施形態のように圧電体層70の結晶粒70aが圧電体層70の面方向において一方向に優先配向することなく形成されている場合、圧電体層70を構成する各圧電体膜72は可及的に薄く形成されていることが好ましい。つまり、圧電体層70は、膜厚の薄い圧電体膜72をできるだけ多く積層することによって形成されていることが望ましい。   In addition, the crystal grains 70 a of the piezoelectric layer 70 according to the present embodiment are formed without being preferentially oriented in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer 70. That is, the piezoelectric layer 70 is formed without restricting the width of each crystal grain 70a in the in-plane direction. When the crystal grains 70 a of the piezoelectric layer 70 are formed without being preferentially oriented in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer 70 as in the present embodiment, each piezoelectric film constituting the piezoelectric layer 70 72 is preferably formed as thin as possible. In other words, the piezoelectric layer 70 is desirably formed by stacking as many thin piezoelectric films 72 as possible.

このように圧電体層70を構成する各圧電体膜72を薄くすることで、結晶粒70aが膜厚方向で柱状に形成されることがなく、また結晶粒70aの幅(直径)が大きくなる。これにより圧電体層70の剛性がさらに向上し、圧電体層70にクラックが発生するのをより確実に防止することができる。また、圧電体膜72を薄くすることで、各結晶粒界の幅が比較的広くなる。これにより、圧電体層70の剛性を高め且つ圧電体層70の変位量を確保することができる。ただし、結晶粒界の幅が広すぎても圧電素子300の変位特性を低下させる要因となるため、結晶粒界の幅は5nm以下であることが好ましい。   Thus, by thinning each piezoelectric film 72 constituting the piezoelectric layer 70, the crystal grains 70a are not formed in a columnar shape in the film thickness direction, and the width (diameter) of the crystal grains 70a is increased. . As a result, the rigidity of the piezoelectric layer 70 is further improved, and the occurrence of cracks in the piezoelectric layer 70 can be more reliably prevented. Further, by reducing the thickness of the piezoelectric film 72, the width of each crystal grain boundary becomes relatively wide. Thereby, the rigidity of the piezoelectric layer 70 can be increased and the amount of displacement of the piezoelectric layer 70 can be ensured. However, if the width of the crystal grain boundary is too wide, it causes a reduction in the displacement characteristics of the piezoelectric element 300. Therefore, the width of the crystal grain boundary is preferably 5 nm or less.

なお、圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料の他、この圧電材料に、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を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、PbTiO(PT)、PbZrO(PZ)、Pb(ZrTi1−x)O(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O−PbTiO(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O−PbTiO(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O−PbTiO(PIN−PT)、Pb(Sc1/3Ta2/3)O−PbTiO(PST−PT)、Pb(Sc1/3Nb2/3)O−PbTiO(PSN−PT)、BiScO−PbTiO(BS−PT)、BiYbO−PbTiO(BY−PT)等が挙げられる。 In addition, as a material of the piezoelectric layer 70, for example, in addition to a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), a relaxor strength obtained by adding a metal such as niobium, nickel, magnesium, bismuth or yttrium to the piezoelectric material. A dielectric or the like may be used. The composition may be appropriately selected in consideration of the characteristics and application of the piezoelectric element. For example, PbTiO 3 (PT), PbZrO 3 (PZ), Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT) , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT), Pb (Ni 1 / 3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PNN-PT), Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PIN-PT), Pb (Sc 1/3 Ta 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PST-PT ), Pb (Sc 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PSN-PT), BiScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT), BiYbO 3 -PbTiO 3 ( BY-PT Etc. The.

上電極膜80は、圧電体層70と共に各圧力発生室12に対向する領域にパターニングされて各圧電素子300の個別電極となっている。この上電極膜80の材料は、導電性の高い材料であれば特に限定されないが、例えば、イリジウム(Ir)、白金(Pt)が好適に用いられる。   The upper electrode film 80 is patterned in a region facing each pressure generating chamber 12 together with the piezoelectric layer 70 to form individual electrodes of each piezoelectric element 300. The material of the upper electrode film 80 is not particularly limited as long as it is a highly conductive material. For example, iridium (Ir) or platinum (Pt) is preferably used.

このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、圧電素子300を保護するための圧電素子保持部31を有する保護基板30が、例えば、接着剤35によって接合されている。なお、圧電素子保持部31によって画成される空間は、密封されていても、密封されていなくてもよい。また、保護基板30には、複数の圧力発生室12に供給するインクが貯留されるリザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部32が設けられている。このリザーバ部32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15と連通されてリザーバ100を構成している。また、流路形成基板10の連通部15を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバ部32のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にリザーバと各圧力発生室12とを連通するインク供給路13を設けるようにしてもよい。   On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, a protective substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 for protecting the piezoelectric element 300 is bonded by, for example, an adhesive 35. Note that the space defined by the piezoelectric element holding portion 31 may be sealed or may not be sealed. Further, the protective substrate 30 is provided with a reservoir portion 32 that constitutes at least a part of the reservoir 100 in which the ink supplied to the plurality of pressure generating chambers 12 is stored. In this embodiment, the reservoir portion 32 is formed through the protective substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generating chamber 12, and the communication portion 15 of the flow path forming substrate 10 as described above. And the reservoir 100 is configured. Alternatively, the communication portion 15 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the reservoir portion 32 may be used as the reservoir. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and a reservoir and a member interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) An ink supply path 13 that communicates with each pressure generation chamber 12 may be provided.

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、ガラス材料、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と同一材料であるシリコン単結晶基板を用いている。   As such a protective substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, a glass material, a ceramic material, etc., and in this embodiment, the same as the flow path forming substrate 10. The material is a silicon single crystal substrate.

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が設けられており、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、この貫通孔33内に露出されている。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200、例えば、回路基板、半導体集積回路(IC)等が固定されている。そして、駆動回路200とリード電極90とは、貫通孔33内に延設されるボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線210によって電気的に接続されている。   Further, the protective substrate 30 is provided with a through-hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction, and the vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is in the through-hole 33. Exposed. On the protective substrate 30, a driving circuit 200 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel, for example, a circuit board, a semiconductor integrated circuit (IC), and the like are fixed. The drive circuit 200 and the lead electrode 90 are electrically connected by a connection wiring 210 made of a conductive wire such as a bonding wire extending in the through hole 33.

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6[μm]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によってリザーバ部32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30[μm]のステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ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となっており、リザーバ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]). The direction is sealed. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 [μm]). A region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, and one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. ing.

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、リザーバ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200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下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し圧電素子300を撓み変形させることによって、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される。   In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the reservoir 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink. In accordance with the recording signal from, pressure is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 to bend and deform the piezoelectric element 300, whereby the pressure in each pressure generation chamber 12 is changed. And the ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図4〜図7を参照して説明する。なお、図4〜図7は、圧力発生室の長手方向の断面図である。   Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 4 to 7 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.

まず、図4(a)に示すように、複数の流路形成基板10が一体的に形成される流路形成基板用ウェハ110を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO)からなる二酸化シリコン膜51を形成する。 First, as shown in FIG. 4A, a flow path forming substrate wafer 110 on which a plurality of flow path forming substrates 10 are integrally formed is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C., and an elastic film is formed on the surface thereof. A silicon dioxide film 51 made of silicon dioxide (SiO 2 ) constituting 50 is formed.

次いで、図4(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。具体的には、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、例えば、スパッタリング法等によりジルコニウム(Zr)を主成分とする絶縁体膜を形成後、この絶縁体膜55を拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム(ZrO)からなる絶縁体膜55とする。 Next, as shown in FIG. 4B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51). Specifically, an insulator film mainly composed of zirconium (Zr) is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51) by, for example, sputtering, and then the insulator film 55 is thermally oxidized in a diffusion furnace. Thus, the insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) is obtained.

次に、図4(c)に示すように、絶縁体膜55上に下電極膜60を形成すると共に、下電極膜60を所定形状にパターニングする。具体的には、絶縁体膜55上に白金(Pt)と、イリジウム(Ir)とを、例えば、スパッタリング法によって順次積層形成することによって下電極膜60を形成する。なお、下電極膜60の形成方法は、スパッタリング法に限定されるものではなく、例えば、CVD法(化学蒸着法)等であってもよい。   Next, as shown in FIG. 4C, the lower electrode film 60 is formed on the insulator film 55, and the lower electrode film 60 is patterned into a predetermined shape. Specifically, the lower electrode film 60 is formed by sequentially stacking platinum (Pt) and iridium (Ir) on the insulator film 55 by, for example, a sputtering method. In addition, the formation method of the lower electrode film 60 is not limited to sputtering method, For example, CVD method (chemical vapor deposition method) etc. may be sufficient.

次に、図4(d)に示すように、下電極膜60上に圧電体層70を形成する。ここで、圧電体層70を形成する方法としては、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法及びCVD法が挙げられる。そして、これらの中の何れか一つの方法で、圧電体層70を形成するようにしてもよいし、複数の方法を組み合わせて圧電体層70を形成するようにしてもよい。例えば、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。   Next, as shown in FIG. 4D, a piezoelectric layer 70 is formed on the lower electrode film 60. Here, examples of the method for forming the piezoelectric layer 70 include a MOD (Metal-Organic Decomposition) method, a sol-gel method, a sputtering method, and a CVD method. Then, the piezoelectric layer 70 may be formed by any one of these methods, or the piezoelectric layer 70 may be formed by combining a plurality of methods. For example, in the present embodiment, a so-called sol-gel method is obtained in which a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a solvent is applied and dried to be gelled and then baked at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. Is used to form the piezoelectric layer 70.

圧電体層70の具体的な形成手順としては、まず、図5(a)に示すように、下電極膜60上にPZT前駆体膜である圧電体前駆体膜71を一層成膜する。すなわち、下電極膜60が形成された流路形成基板10上に金属有機化合物を含むゾル(溶液)を塗布する(塗布工程)。次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO、CO、HO等として離脱させることである。次に、圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜72を形成する(焼成工程)。このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、拡散炉や、赤外線ランプの照射により加熱するRTP(Rapid Thermal Processing)装置などを用いることができる。 As a specific procedure for forming the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 5A, a piezoelectric precursor film 71, which is a PZT precursor film, is formed on the lower electrode film 60 in a single layer. That is, a sol (solution) containing a metal organic compound is applied onto the flow path forming substrate 10 on which the lower electrode film 60 is formed (application process). Next, the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature and holding it for a predetermined time (degreasing step). Here, degreasing refers, the organic components contained in the piezoelectric precursor film 71, for example, is to be detached as NO 2, CO 2, H 2 O or the like. Next, the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by being heated to a predetermined temperature and held for a predetermined time to form the piezoelectric film 72 (firing step). As a heating apparatus used in such a drying process, a degreasing process, and a baking process, for example, a diffusion furnace or an RTP (Rapid Thermal Processing) apparatus that heats by irradiation with an infrared lamp can be used.

このように下電極膜60上に圧電体膜72の1層目を形成後、図5(b)に示すように、下電極膜60及び1層目の圧電体膜72を同時にパターニングして、下電極膜60を所定形状に形成する。その後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図5(c)に示すように複数層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。   After forming the first layer of the piezoelectric film 72 on the lower electrode film 60 in this way, as shown in FIG. 5B, the lower electrode film 60 and the first piezoelectric film 72 are simultaneously patterned, The lower electrode film 60 is formed in a predetermined shape. Thereafter, the piezoelectric film forming process including the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process described above is repeated a plurality of times, so that a predetermined thickness including a plurality of layers of piezoelectric films 72 as illustrated in FIG. The piezoelectric layer 70 is formed.

ここで、上述したように、本実施形態に係る圧電体層70は、膜厚の薄い圧電体膜72を多数積層することによって形成されている。具体的には、例えば、厚さが0.1[μm]程度の圧電体膜72を10層積層することによって、厚さ1.0[μm]の圧電体層70を形成している。なお、圧電体層70の厚さは、特に限定されないが、0.5〜5[μm]程度であることが好ましい。   Here, as described above, the piezoelectric layer 70 according to the present embodiment is formed by stacking a large number of thin piezoelectric films 72. Specifically, for example, the piezoelectric layer 70 having a thickness of 1.0 [μm] is formed by laminating ten piezoelectric films 72 having a thickness of about 0.1 [μm]. The thickness of the piezoelectric layer 70 is not particularly limited, but is preferably about 0.5 to 5 [μm].

このように圧電体層70を形成した後は、図6(a)に示すように、例えば、イリジウム(Ir)からなる上電極膜80を流路形成基板用ウェハ110の全面に形成し、圧電体層70及び上電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングすることによって圧電素子300を形成する。   After the piezoelectric layer 70 is formed in this way, as shown in FIG. 6A, for example, an upper electrode film 80 made of iridium (Ir) is formed on the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, and the piezoelectric layer is formed. The piezoelectric layer 300 is formed by patterning the body layer 70 and the upper electrode film 80 in a region facing each pressure generating chamber 12.

次に、リード電極90を形成する。具体的には、図6(b)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなる金属層91を形成後、この金属層91を、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して圧電素子300毎にパターニングすることでリード電極90を形成する。   Next, the lead electrode 90 is formed. Specifically, as shown in FIG. 6B, after forming a metal layer 91 made of, for example, gold (Au) over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, the metal layer 91 is For example, the lead electrode 90 is formed by patterning each piezoelectric element 300 via a mask pattern (not shown) made of a resist or the like.

次に、図6(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の圧電素子300側に、シリコンウェハであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハ130を接合する。そして、図7(a)に示すように、流路形成基板用ウェハ110を所定の厚みに加工する。   Next, as shown in FIG. 6C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is bonded to the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110. Then, as shown in FIG. 7A, the flow path forming substrate wafer 110 is processed to a predetermined thickness.

次いで、図7(b)に示すように、流路形成基板用ウェハ110上に保護膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図7(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110を、この保護膜52をマスクとして、例えば、KOH等のアルカリ溶液を用いて異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15等を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, a protective film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. Then, as shown in FIG. 7C, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH, for example, using the protective film 52 as a mask. The pressure generating chamber 12, the ink supply path 13, the communication path 14, the communication part 15 and the like are formed.

その後は、流路形成基板用ウェハ110及び保護基板用ウェハ130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ110の保護基板用ウェハ130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハ130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハ110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。   Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. The nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the protective substrate wafer 130 is bonded, and the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130. By dividing the flow path forming substrate wafer 110 and the like into the flow path forming substrate 10 and the like of one chip size as shown in FIG. 1, the ink jet recording head of this embodiment is obtained.

(実施形態2)
図8は、実施形態2に係る圧電体層の結晶構造を模式的に示す上面図及び断面図である。本実施形態は、圧電体層70Aの結晶粒70aが、圧電体層70Aの面内方向の一方向に優先配向するようにした例であり、それ以外の構成は実施形態1と同様である。なお、同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a top view and a cross-sectional view schematically showing the crystal structure of the piezoelectric layer according to the second embodiment. This embodiment is an example in which the crystal grains 70a of the piezoelectric layer 70A are preferentially oriented in one direction in the in-plane direction of the piezoelectric layer 70A, and other configurations are the same as those of the first embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施形態に係る圧電体層70Aを構成する結晶粒70aは、圧電素子300の面内方向における一方向に沿って優先配向している。言い換えれば、圧電体層70Aの結晶粒70aのうちの60%以上が、図8に示すように、圧電体層70Aの面内方向における一方向に沿って柱状に形成されている。また、圧電体層70Aの結晶粒70aが優先配向する方向、すなわち、結晶粒70aの長辺方向が、略矩形形状を有する圧電素子300の長手方向又は短手方向と一致していることが好ましい。例えば、本実施形態に係る圧電体層70Aは、結晶粒70aが圧電素子300の長手方向に沿って優先配向するように形成されている。   The crystal grains 70 a constituting the piezoelectric layer 70 </ b> A according to the present embodiment are preferentially oriented along one direction in the in-plane direction of the piezoelectric element 300. In other words, 60% or more of the crystal grains 70a of the piezoelectric layer 70A are formed in a column shape along one direction in the in-plane direction of the piezoelectric layer 70A as shown in FIG. In addition, the direction in which the crystal grains 70a of the piezoelectric layer 70A are preferentially oriented, that is, the long side direction of the crystal grains 70a preferably coincides with the longitudinal direction or the short direction of the piezoelectric element 300 having a substantially rectangular shape. . For example, the piezoelectric layer 70 </ b> A according to the present embodiment is formed such that the crystal grains 70 a are preferentially oriented along the longitudinal direction of the piezoelectric element 300.

このような構成としても実施形態1の場合と同様に、圧電体層70Aの剛性が向上し、圧電素子300の繰り返し駆動によって圧電体層70Aにクラックが発生するのを防止することができるという効果を奏する。   Even in such a configuration, as in the case of the first embodiment, the rigidity of the piezoelectric layer 70A is improved, and it is possible to prevent the piezoelectric layer 70A from being cracked by the repeated driving of the piezoelectric element 300. Play.

なお、このような結晶粒70aが優先配向する圧電体層70Aは、上述した焼成工程を実施する際に、圧電体前駆体膜71の面内方向において温度傾斜を生じさせせることによって形成することができる。例えば、圧電体前駆体膜71が形成された流路形成基板用ウェハ110を、所定温度に加熱された拡散炉内に徐々に移動させながら挿入することによって、圧電体前駆体膜71に温度傾斜が生じる。そして、このように圧電体前駆体膜71に温度勾配を生じさせることで、その温度傾斜の向きに沿って結晶粒70aが優先配向した圧電体膜72A(圧電体層70A)が形成される。なお、圧電体前駆体膜71に温度傾斜を生じさせる方法は、上述した方法に限定されず、圧電体前駆体膜71を加熱する際に、圧電体前駆体膜71と、例えば、赤外線ランプ等の熱源とを一定方向且つ一定速度で相対的に移動させるようにしてもよい。   The piezoelectric layer 70A in which the crystal grains 70a are preferentially oriented is formed by causing a temperature gradient in the in-plane direction of the piezoelectric precursor film 71 when performing the above-described firing step. Can do. For example, the flow path forming substrate wafer 110 on which the piezoelectric precursor film 71 is formed is inserted into the diffusion furnace heated to a predetermined temperature while being gradually moved, whereby a temperature gradient is applied to the piezoelectric precursor film 71. Occurs. Then, by generating a temperature gradient in the piezoelectric precursor film 71 in this way, the piezoelectric film 72A (piezoelectric layer 70A) in which the crystal grains 70a are preferentially oriented along the direction of the temperature gradient is formed. The method for causing the temperature gradient in the piezoelectric precursor film 71 is not limited to the above-described method, and when the piezoelectric precursor film 71 is heated, the piezoelectric precursor film 71 and, for example, an infrared lamp or the like The heat source may be relatively moved at a constant direction and at a constant speed.

また、このように圧電体前駆体膜71に温度勾配を生じさせて圧電体層70Aの結晶粒70aを優先配向させている場合、圧電体膜72Aの厚さに拘わらず、各結晶粒70aが膜厚方向に柱状に形成されることがない。このため、圧電体層70Aを構成する各圧電体膜72Aの膜厚は比較的厚いことが好ましい。例えば、本実施形態では、厚さが0.3[μm]程度の圧電体膜72Aを4層だけ積層することによって圧電体層70Aを形成している。これにより、圧電体層70Aの剛性を高めつつ、圧電体層70Aの変位特性も良好に維持することができる。   In addition, when the temperature gradient is generated in the piezoelectric precursor film 71 and the crystal grains 70a of the piezoelectric layer 70A are preferentially oriented as described above, the crystal grains 70a are formed regardless of the thickness of the piezoelectric film 72A. It is not formed in a columnar shape in the film thickness direction. For this reason, it is preferable that the film thickness of each piezoelectric film 72A constituting the piezoelectric layer 70A is relatively thick. For example, in the present embodiment, the piezoelectric layer 70A is formed by stacking only four layers of piezoelectric films 72A having a thickness of about 0.3 [μm]. Thereby, the displacement characteristics of the piezoelectric layer 70A can be maintained well while increasing the rigidity of the piezoelectric layer 70A.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment.

また、このような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9は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略斜視図である。図9に示すように、インクジェット式記録ヘッド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。   Such an ink jet recording head 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. 9 is a schematic perspective view showing an example of the ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 9, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus 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上を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, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed on the platen 8. It is like that.

また、本実施形態では、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の製造方法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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(電界放出ディスプレー)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 this embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads, and ejects liquid other than ink. Of course, this method can also be applied. 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搭載されるアクチュエータ装置の製造方法に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置の製造方法にも適用することができる。   The present invention is not limited to a method for manufacturing an actuator device mounted on a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head, and can also be applied to a method for manufacturing an actuator device mounted on another device.

実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの上面図及び断面図である。2A and 2B are a top view and a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る圧電体層の結晶状態の概略を示す上面図及び断面図である。FIG. 3 is a top view and a cross-sectional view illustrating an outline of a crystal state of a piezoelectric layer according to Embodiment 1. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る圧電体層の結晶状態の概略を示す上面図及び断面図である。FIG. 6 is a top view and a cross-sectional view schematically showing a crystal state of a piezoelectric layer according to a second embodiment. 一実施形態に係る記録装置を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a recording apparatus according to an embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 インク供給路、 14 連通路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバ部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 70,70A 圧電体層、 70a 結晶、 71 圧電体前駆体膜、 72,72A 圧電体膜、 80 上電極膜、 90 リード電極、 100 リザーバ、 300 圧電素子   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 13 Ink supply path, 14 Communication path, 15 Communication part, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 31 Piezoelectric element holding part, 32 Reservoir part, 40 Compliance board, 50 elastic film, 55 insulator film, 60 lower electrode film, 70, 70A piezoelectric layer, 70a crystal, 71 piezoelectric precursor film, 72, 72A piezoelectric film, 80 upper electrode film, 90 lead electrode, 100 reservoir, 300 Piezoelectric element

Claims (9)

基板上に設けられる下電極膜と、該下電極膜上に設けられる圧電体層と、該圧電体層上に設けられる上電極膜とからなる圧電素子を具備し、該圧電素子を構成する前記圧電体層がその膜厚方向で連続することなく積み重ねられた複数の結晶粒を含むと共に各結晶粒の厚さと幅との比が1以上100以下であることを特徴とするアクチュエータ装置。   A piezoelectric element comprising: a lower electrode film provided on a substrate; a piezoelectric layer provided on the lower electrode film; and an upper electrode film provided on the piezoelectric layer, and constituting the piezoelectric element An actuator device characterized in that the piezoelectric layer includes a plurality of crystal grains stacked without being continuous in the film thickness direction, and the ratio between the thickness and width of each crystal grain is 1 or more and 100 or less. 前記圧電体層の各結晶粒の端部が当該圧電体層の厚さ方向で並んでいないことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ装置。   2. The actuator device according to claim 1, wherein ends of the crystal grains of the piezoelectric layer are not arranged in the thickness direction of the piezoelectric layer. 前記圧電体層の各結晶粒は、当該圧電体層の面方向において一方向に優先配向することなく形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ装置。   3. The actuator device according to claim 1, wherein each crystal grain of the piezoelectric layer is formed without being preferentially oriented in one direction in the plane direction of the piezoelectric layer. 4. 前記圧電体層の各結晶粒は、当該圧電体層の面方向において一方向に優先配向していることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ装置。   3. The actuator device according to claim 1, wherein each crystal grain of the piezoelectric layer is preferentially oriented in one direction in a plane direction of the piezoelectric layer. 前記圧電素子は横断面が略矩形となるように形成され、前記圧電体層の結晶粒が優先配向する方向が、前記圧電素子の長手方向又は短手方向であることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ装置。   5. The piezoelectric element is formed so as to have a substantially rectangular cross section, and a direction in which crystal grains of the piezoelectric layer are preferentially oriented is a longitudinal direction or a short direction of the piezoelectric element. The actuator device described in 1. 前記圧電体層の各結晶粒の間隔が5nm以下であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。   The actuator device according to claim 1, wherein an interval between crystal grains of the piezoelectric layer is 5 nm or less. 前記圧電体層の膜厚が0.5〜5μmであることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。   The actuator device according to claim 1, wherein the piezoelectric layer has a thickness of 0.5 to 5 μm. 請求項1〜7の何れか一項に記載のアクチュエータ装置と、該アクチュエータ装置が一方面側に設けられると共に液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。   An actuator device according to any one of claims 1 to 7, and a flow path forming substrate in which the actuator device is provided on one surface side and provided with a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets; A liquid ejecting head comprising: 請求項8に記載の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。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 8.
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