JP4920867B2 - Actuator and inkjet head - Google Patents
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Description
本発明は、力学的変位を発生するアクチュエータおよびそれを用いたインクジェットヘッドである。マイクロマシンに適した微細な加工が出来るアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。特に高密度なインクジェットヘッドとそれを具現化出来るアクチュエータである。 The present invention relates to an actuator that generates a mechanical displacement and an ink jet head using the actuator. These are actuators and inkjet heads that can be finely processed suitable for micromachines. In particular, it is a high-density inkjet head and an actuator that can embody it.
力学的な変位を発生するアクチュエータとして種々の物が知られている。その中でも特に、ユニモルフタイプ及びバイモルフタイプのアクチュエータは構造が簡易であり、マイクロマシンの構造体として適した物である。 Various things are known as an actuator which generates a mechanical displacement. Among them, unimorph type and bimorph type actuators have a simple structure and are suitable as a structure of a micromachine.
上記タイプのアクチュエータの構造は、弾性体と電極を有する圧電膜を有する物である。このアクチュエータを利用したインクジェットヘッドとしては、ベンダータイプのヘッドとして利用されているが、その圧電膜の特性上、高密度で吐出力のあるヘッドが実現できていない状況である。 The structure of the above type actuator has a piezoelectric film having an elastic body and electrodes. As an ink jet head using this actuator, it is used as a bender type head. However, due to the characteristics of the piezoelectric film, a head having high density and ejecting power cannot be realized.
その中で、変位部の剛性を低下させ、高密度をする検討がなされており、例えば特許文献1には、圧電膜を薄膜化したインクジェットヘッドの製造方法が記載されている。しかし、上記特許には、圧電膜の組成に関しての詳細な記載がなく、汎用の材料を利用したにすぎないものである。これに対して、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする圧電膜の組成を鉛過剰にすることにより、薄膜での特性が向上されたとする発明が、特許文献2に記載されている。
Among them, studies have been made to reduce the rigidity of the displacement portion and increase the density. For example,
一般的に、セラミックス体のPZTは高温で処理され製造されることより、消失し易い鉛を過剰に添加しておくことは、従来より用いられてきた手法であり、セラミックス体の場合は、それにより良特性の材料を得ることが出来ていた。 In general, PZT of ceramic body is processed and manufactured at high temperature, so adding excessive lead that tends to disappear is a technique that has been used conventionally, and in the case of ceramic body, As a result, a material with good characteristics could be obtained.
しかし、本発明者らの検討によると、優先配向あるいは単結晶系の圧電/電歪膜で鉛を過剰に添加しても粒界部が増えるのみで、圧電特性に良い影響をおよぼす事が出来ないばかりか、結晶性も不良となり、電気抵抗も下がる等の好ましくない結果を与えることが判った。
従って、本発明は、微細加工した場合でも高性能を発現できるアクチュエータを提供するものであり、かつ高密度で吐出パワーの大きいインクジェットヘッドを提供するものである。特に単一配向結晶あるいは単結晶の薄膜で圧電特性に更に優れた薄膜を有するアクチュエータおよびインクジェットヘッドを提供するものである。 Accordingly, the present invention provides an actuator that can exhibit high performance even when microfabricated, and provides an inkjet head with high density and high discharge power. In particular, it is an object of the present invention to provide an actuator and an ink jet head having a single-oriented crystal or a single-crystal thin film having a thin film with excellent piezoelectric characteristics.
本発明は、ペロブスカイト型構造でAサイト成分がBサイト成分より量論比で1より小さい組成成分を有する圧電膜を有するアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。さらには、圧電膜のペロブスカイト型構造の単位体積あたりのAサイト元素の成分量をaとし、Bサイト元素の成分量をbとした場合、a/bが0.8より大きく、0.96以下であり、前記圧電膜の断面における粒界の幅が0.02μm以上、0.05μm以下であることを特徴とするアクチュエータおよびインクジェットヘッドである。より好ましくは、a/bが0.85より大きい。 The present invention relates to an actuator and an ink jet head having a piezoelectric film having a perovskite structure and having an A site component having a composition component smaller than the stoichiometric ratio by 1 than the B site component. Further, when the component amount of the A site element per unit volume of the perovskite structure of the piezoelectric film is a and the component amount of the B site element is b, a / b is greater than 0.8 and 0.96 or less. An actuator and an inkjet head, wherein the width of the grain boundary in the cross section of the piezoelectric film is 0.02 μm or more and 0.05 μm or less. More preferably, a / b is greater than 0.85.
a/b比の測定は、ICP発光分光法により測定することが出来る。 The a / b ratio can be measured by ICP emission spectroscopy.
a/bが0.8以下の場合は、ペロブスカイト構造のAサイトの占有率が低すぎる場合であり、いくら結晶性の良い膜構造を有していても圧電特性の巨大化が達成出来ないため、好ましくない。また、a/bが1.0以上の場合は、1.0を超えて含有されるAサイト成分が粒界を作成し、結晶性のみだれを発生したり、電気抵抗の低下を起こす要因となる。Aサイト元素がBサイトや酸素サイトに含有されることも予想され、圧電特性の発現を阻害する要因となる。 When a / b is 0.8 or less, the occupancy of the A site of the perovskite structure is too low, and it is not preferable because the piezoelectric property cannot be enlarged even if the film structure has good crystallinity. Absent. In addition, when a / b is 1.0 or more, the A-site component contained exceeding 1.0 creates a grain boundary, which causes dripping of crystallinity or a decrease in electrical resistance. It is also expected that the A site element is contained in the B site and oxygen site, which is a factor that inhibits the expression of piezoelectric characteristics.
本発明の圧電/電歪膜は、a/b比が特定範囲にあるため、単一配向結晶あるいは単結晶膜で粒界部の幅が0.05μm以下の良質な膜を得ることが出来る。また、粒界部の占有面積が、0.5%以下の膜である。 Since the piezoelectric / electrostrictive film of the present invention has an a / b ratio in a specific range, it is possible to obtain a high-quality film having a grain boundary width of 0.05 μm or less with a single orientation crystal or single crystal film. Further, the film has an area occupied by the grain boundary portion of 0.5% or less.
本発明の圧電/電歪膜材料は、ペロブスカイト型結晶構造を有する鉛系材料及び非鉛系材料が挙げられる。圧電膜材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等である。これらに微量の添加元素が加えられても良い。 Examples of the piezoelectric / electrostrictive film material of the present invention include lead-based materials and non-lead-based materials having a perovskite crystal structure. Examples of the piezoelectric film material include lead zirconate titanate and barium titanate. A trace amount of additive elements may be added to these.
チタン酸ジルコン酸鉛でのZrとTiの割合は、Zrが40%から70%であるのが、好ましい。 The ratio of Zr and Ti in the lead zirconate titanate is preferably 40% to 70%.
電歪膜材料としては、ニオブ酸亜鉛酸鉛、ニオブ酸マグネシウム酸鉛、二オブ酸亜鉛酸チタン酸鉛、ニオブ酸マグネシウム酸チタン酸鉛、二オブ酸スカンジウム酸チタン酸鉛、ニオブ酸インジウム酸チタン酸鉛、ニオブ酸ニッケル酸ジルコン酸チタン酸鉛、二オブ酸カリウム、二オブ酸リチウム等である。また、これらに微量の添加元素が加えられても良い。 Electrostrictive film materials include: lead zinc niobate, lead magnesium niobate, lead niobate zinc titanate, lead niobate magnesium titanate, lead niobate scandate titanate, titanium indium niobate Lead acid, nickel niobate, lead zirconate titanate, potassium diobate, lithium diobate and the like. A small amount of additive elements may be added to these.
本発明の圧電/電歪膜の結晶性は、単一配向結晶膜あるいは単結晶膜であり、単一配向結晶膜としては、X線解析により特定の結晶方位が80%以上、好ましくは95%以上の膜である。上記結晶性の測定は、X線解析装置(リガク製RINTインプレーン)でアウトプレーン測定により結晶解析によるピーク強度の総和で主ピークのピーク強度を割ることにより算出する。例えば、[001]のピーク強度が10万であり、[110]のピーク強度および[111]のピーク強度がそれぞれ1万と1000であった場合、この膜の結晶性は、100000÷111000=0.9009で結晶性は90.1%となる。 The crystallinity of the piezoelectric / electrostrictive film of the present invention is a single-orientation crystal film or a single-crystal film, and the single-orientation crystal film has a specific crystal orientation of 80% or more, preferably 95% by X-ray analysis. This is the above film. The measurement of the crystallinity is calculated by dividing the peak intensity of the main peak by the sum of the peak intensities obtained by crystal analysis by out-plane measurement with an X-ray analyzer (Rigaku RINT in-plane). For example, when the peak intensity of [001] is 100,000 and the peak intensity of [110] and the peak intensity of [111] are 10,000 and 1000, respectively, the crystallinity of this film is 100000 ÷ 111000 = 0.090 Thus, the crystallinity is 90.1%.
また、圧電/電歪膜の粒界部の測定には、膜の断面をTEM観察することにより、粒界部の幅および占有面積を測定することが出来る。 In measuring the grain boundary part of the piezoelectric / electrostrictive film, the width and occupied area of the grain boundary part can be measured by TEM observation of the cross section of the film.
結晶構造としては、正方晶、菱面体晶、斜方晶、単斜晶であり、好ましくは正方晶、菱面体晶である。 The crystal structure is tetragonal, rhombohedral, orthorhombic or monoclinic, preferably tetragonal or rhombohedral.
上記結晶構造の結晶方位は、<100>、<110>、<111>であり、圧電特性の良さから、好ましくは<100>である。 The crystal orientation of the above crystal structure is <100>, <110>, <111>, and is preferably <100> because of good piezoelectric characteristics.
本発明でa/b比が上記特定範囲に入れるために、製造時の原料にAサイト成分を量論比と等量以下で仕込むことで達成される。特にAサイト成分が鉛の場合は、等量未満でなくても熱処理工程により消失するので、a/bが1.0未満となる。 In order to make the a / b ratio within the specific range in the present invention, this is achieved by charging the raw material at the time of production with an A-site component equal to or less than the stoichiometric ratio. In particular, when the A-site component is lead, even if it is not less than an equal amount, it disappears by the heat treatment step, so a / b is less than 1.0.
本発明の圧電/電歪膜の製造方法は、スパッタ法、ゾルゲル法、水熱法、MO−CVD法、ガスデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等で成膜することが出来る。
好ましくは、単一配向結晶あるいは単結晶膜を成膜しやすいスパッタ法、MO−CVD法である。
The piezoelectric / electrostrictive film production method of the present invention can be formed by sputtering, sol-gel method, hydrothermal method, MO-CVD method, gas deposition method, molecular beam epitaxy method, laser ablation method or the like.
Of these, sputtering and MO-CVD are preferred because they facilitate the formation of a single orientation crystal or single crystal film.
次に本発明のアクチュエータの構造について説明する。本発明のアクチュエータは図1に示すように、弾性膜1、下部電極2、圧電/電歪膜3、上部電極4を含む。弾性膜1と下部電極2の間に剥離防止のために接着層を有していても良い。圧電/電歪膜と弾性膜は薄膜にすることで、剛性が低下して変位量を増すことが出来る。圧電/電歪膜の膜厚は、好ましくは、1μm〜10μmである。弾性膜の好ましい膜厚は、2〜15μmである。
Next, the structure of the actuator of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the actuator of the present invention includes an
図2に、本発明のインクジェットヘッドの構造を示す。図2はインクジェットヘッドの横断面が図示されている。11は液体が入る個別液室で、12は個別液室と吐出口14を結ぶ連通孔である。2は下部電極であり、共通電極として使われるためにパターニングされていない。一方、圧電/電歪膜3と上部電極4は個別液室の幅に応じてパターニングされている。圧電/電歪膜をパターニングせずに構成することも可能であるが、変位量を上げるためには、パターニングする事が好ましい。13は個別液室と連通孔を独立させるための隔壁である。隔壁部が薄すぎると、弾性膜1の振動を受け隔壁部も振動し、吐出口14から、液滴の吐出が不安定あるいは、不可能となる。
FIG. 2 shows the structure of the inkjet head of the present invention. FIG. 2 shows a cross section of the inkjet head.
図3には、インクジェットヘッドの縦断面が図示されている。図3で22は個別液室に液体を搬入するために設けられた共通液室である。共通液室22に入れられた液体は個別液室11とつながっている絞り部21を通って送られる。絞り部11は、個別液室および共通液室と比べて断面積が小さく作製されているため、弾性膜1が変位して液体を吐出口14から吐出する際の共通液室への液体の逆流を防止することが出来る。
FIG. 3 shows a longitudinal section of the inkjet head. In FIG. 3, 22 is a common liquid chamber provided to carry the liquid into the individual liquid chamber. The liquid placed in the
共通液室22は、図示されていない液体タンクと連通しており、随時、吐出された液体を共通液室に満たすように作製されている。図2での個別液室の幅wと、図3での個別液室の幅lは、異なっているが、l/wは、このましくは、5から100であるが、吐出液滴量により5未満であっても良い。
The
吐出口14の形状は、円形、星型など種々の形を採ることが出来るが、10〜40μmの大きさが好ましい。
特に、直径10〜25μmの円状が好ましい。本発明では、吐出口が一直線状に並べらた形態を図示したが、千鳥状に交互に配置された形態であっても良い。
The
In particular, a circular shape having a diameter of 10 to 25 μm is preferable. In the present invention, the form in which the discharge ports are arranged in a straight line is illustrated, but a form in which the discharge ports are alternately arranged in a zigzag form may be used.
本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドの下部電極および上部電極の材質は、金属、合金、導電性酸化物などであり、具体的には、金属としては、例えば、Pt,Au,Ir,Ni,Sn,Al、Cu、In、Ti,Ag,Pd、Crなどである。合金としては、例えば、Au−In, Mo−Ag, Au−Pd−In, Ag−Ni, Ag−Cu、Cu−Ti, Ag−Cu−Tiなどである。導電性酸化物としては、例えば、SuRuO3,(La−Sr)TiO3、LaNiO3、LaCrO3,CaRuO3,BaPbO3、などのペロブスカイト型酸化物やIrO2、InO、In−SnOなどの一成分酸化物あるいは二成分酸化物である。 The material of the lower electrode and the upper electrode of the actuator and the inkjet head of the present invention is a metal, an alloy, a conductive oxide, and the like. Specifically, as the metal, for example, Pt, Au, Ir, Ni, Sn, Al, Cu, In, Ti, Ag, Pd, Cr and the like. Examples of the alloy include Au—In, Mo—Ag, Au—Pd—In, Ag—Ni, Ag—Cu, Cu—Ti, and Ag—Cu—Ti. Examples of the conductive oxide include perovskite oxides such as SuRuO 3 , (La—Sr) TiO 3 , LaNiO 3 , LaCrO 3 , CaRuO 3 , BaPbO 3 , and IrO 2 , InO, In—SnO, and the like. It is a component oxide or a two-component oxide.
本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドの下部電極および上部電極の膜厚は、50nmから1μmで、好ましくは、100nmから500nmである。 The film thickness of the lower electrode and the upper electrode of the actuator and the ink jet head of the present invention is 50 nm to 1 μm, preferably 100 nm to 500 nm.
弾性膜と下部電極の間に剥離防止のために挿入される接着層としては、例えば、Ti,TiO2、Ir,IrO,Crなどの金属及び金属酸化物があげられる。接着層の厚みとしては、5nmから100nmである。 Examples of the adhesive layer inserted to prevent peeling between the elastic film and the lower electrode include metals such as Ti, TiO 2 , Ir, IrO, and Cr, and metal oxides. The thickness of the adhesive layer is 5 nm to 100 nm.
本発明の弾性膜は、ヤング率が10から300GPaのもので、好ましくは、30から200GPaである。
材質としては、金属、セラミックスが挙げられ、具体的には、Cr,SUS,Si,Pt,Irなどの金属やZrO2,Al2O3、SiO2,などのセラミックスである。
The elastic film of the present invention has a Young's modulus of 10 to 300 GPa, preferably 30 to 200 GPa.
Examples of the material include metals and ceramics. Specifically, metals such as Cr, SUS, Si, Pt, and Ir, and ceramics such as ZrO 2 , Al 2 O 3 , and SiO 2 are used.
本発明のアクチュエータおよびインクジェットヘッドは、上記特徴を有するために、変位量、変位速度に優れた素子となる。特に、インクジェットヘッドとしては、高密度で吐出力の大きい素子を得る事が出来る。 Since the actuator and the inkjet head of the present invention have the above characteristics, they are elements excellent in displacement amount and displacement speed. In particular, as an inkjet head, an element having a high density and a large ejection force can be obtained.
次に実施例を挙げて本発明を説明する。 Next, an Example is given and this invention is demonstrated.
以上、説明したように本発明のアクチュエータおよびそれによるインクジェットヘッドは、圧電/電歪膜のAサイトとBサイトの組成比を特定範囲に調整することにより、非常に良好な特性が得られることが判る。 As described above, the actuator of the present invention and the ink jet head using the actuator of the present invention can obtain very good characteristics by adjusting the composition ratio of the A site and B site of the piezoelectric / electrostrictive film to a specific range. I understand.
特に同じサイズの個別液室を有するインクジェットヘッドから大きな吐出液滴が可能であり、素子の圧電特性に優れた材料・構成である事が理解出来る。 In particular, it can be understood that a large discharge droplet is possible from an ink jet head having individual liquid chambers of the same size, and that the material and configuration have excellent piezoelectric characteristics of the element.
(実施例1、2・参考例1・比較例1)
図4に本発明のアクチュエータを有するインクジェットヘッドの断面図を示す。図4で1および4は既に述べたように弾性膜および圧電/電歪膜である。31は、個別液室部の隔壁であり、Si基板である、32,33は吐出口および絞り部が作製されるための別基板であり、SUS基板を用いられている。個別液室の幅wは、60μmで、長さlは、1.2mmで、深さは250μmである。これらの液室構造はSOI基板を用いてICPプロセスにより加工作製した。
( Example 1, 2, reference example 1 , comparative example 1)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of an inkjet head having the actuator of the present invention. In FIG. 4,
弾性膜はBドープされたSiであり、厚みは2μmである。液室側には、SOI基板の絶縁層としてのSiO2膜が0.2μm厚でSiに付いている。下部電極はPt(0.2μm)/TiO2(0.05μm)で、上部電極はAu(0.3μm)で、3はPb(Zr0.55Ti0.45)O3系薄膜を2.5μm厚で、表1のように各種成膜した。32、33のSUS基板の膜厚はそれぞれ、50μm厚と80μm厚で、33の基板には直径17μmΦの吐出口が作製されている。 The elastic film is B-doped Si and has a thickness of 2 μm. On the liquid chamber side, an SiO 2 film as an insulating layer of the SOI substrate is attached to Si with a thickness of 0.2 μm. The lower electrode is Pt (0.2 μm) / TiO 2 (0.05 μm), the upper electrode is Au (0.3 μm), 3 is a Pb (Zr 0.55 Ti 0.45 ) O 3 thin film with a thickness of 2.5 μm, as shown in Table 1. Various films were formed. The thicknesses of the 32 and 33 SUS substrates are 50 μm and 80 μm, respectively, and a discharge port having a diameter of 17 μmΦ is formed on the 33 substrate.
表1より判るように、実施例1では、PbのBサイト元素に対する組成比は、0.97であり、参考例1では、0.91、実施例2では、0.87である。これに対して比較例1で作製した膜の組成比は、1.05であった。これらのインクジェットヘッドの特性を評価した結果を表2に示した。表2には、各ヘッドの吐出液滴の最大値とその時の吐出速度および、変位可能の最高駆動周波数を示した。表2で判るように、比較例1の素子の最高駆動周波数は、実施例と比べて低いことが判る。これは、上記周波数では、駆動周波数に対して追従性良く変位出来ないためと考えられる。また、最大吐出液滴量が小さいことから、変位量が実施例1、2及び参考例1の場合と比べて小さいことが判る。 As can be seen from Table 1, in Example 1, the composition ratio of Pb to B site element is 0.97 , 0.91 in Reference Example 1 , and 0.87 in Example 2 . On the other hand, the composition ratio of the film produced in Comparative Example 1 was 1.05. Table 2 shows the results of evaluating the characteristics of these inkjet heads. Table 2 shows the maximum value of the discharged droplets of each head, the discharge speed at that time, and the maximum drive frequency that can be displaced. As can be seen from Table 2, the maximum drive frequency of the device of Comparative Example 1 is lower than that of the example. This is presumably because the above-mentioned frequency cannot be displaced with good followability to the drive frequency. In addition, since the maximum discharge droplet amount is small, it can be seen that the displacement amount is small compared to the cases of Examples 1 and 2 and Reference Example 1 .
(実施例3)
実施例1、2及び参考例1と比べて圧電膜を電歪膜の[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.65−[PbTiO3]0.35に変えた以外は、実施例1、2及び参考例1と同様にして素子を作製した。上記薄膜は、MO−CVD法により作製したことより、結晶性(結晶性97.2%)および密着性の良い薄膜となった。Aサイト元素のPbの組成比はBサイト元素のMg,Nb,Tiに対して0.96であった。また、吐出特性の結果は、最大吐出液滴が14pl以上であり、かつその時の吐出速度は、15m/sec以上であり良好であった。
( Example 3 )
The piezoelectric film was changed to [Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ] 0.65- [PbTiO 3 ] 0.35 of the electrostrictive film as compared with Examples 1 and 2 and Reference Example 1. Elements were fabricated in the same manner as in Examples 1 and 2 and Reference Example 1 . Since the thin film was produced by the MO-CVD method, it became a thin film with good crystallinity (crystallinity 97.2%) and adhesion. The composition ratio of Pb of the A site element was 0.96 with respect to Mg, Nb, and Ti of the B site element. As a result of the discharge characteristics, the maximum discharge droplet was 14 pl or more, and the discharge speed at that time was 15 m / sec or more, which was good.
Claims (6)
前記ペロブスカイト型構造のAサイト成分の成分量aと、Bサイト成分の成分量bと、の関係が、0.8<a/b<0.96であり、前記圧電膜の断面における粒界の幅が0.02μm以上、0.05μm以下であることを特徴とするアクチュエータ。 An actuator having a piezoelectric film having a perovskite structure,
The relationship between the component amount a of the A site component of the perovskite structure and the component amount b of the B site component is 0.8 <a / b < 0.96 , and the grain boundary in the cross section of the piezoelectric film is An actuator having a width of 0.02 μm or more and 0.05 μm or less.
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