JPH11204849A - 圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電アクチュエータInfo
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- JPH11204849A JPH11204849A JP823298A JP823298A JPH11204849A JP H11204849 A JPH11204849 A JP H11204849A JP 823298 A JP823298 A JP 823298A JP 823298 A JP823298 A JP 823298A JP H11204849 A JPH11204849 A JP H11204849A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｓｉ基板上での鉛系圧電セラミック材料の焼
結時の基板上への鉛拡散を防止でき、しかも機械的強度
及び信頼性の高い中間層を持ったアクチュエータを実現
する。 【解決手段】 Ｓｉ基体上に、上下電極および該電極間
に挟まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層からな
る電気−機械変換素子部を配し、与えられる電気信号に
応じて基体の一部を変形する圧電アクチュエータにおい
て、前記基体と前記電気−機械変換素子部の間に１層以
上を中間層を形成し、該中間層を、基体との密着機能
層，反応防止機能層，膜応力緩和機能層を有する単層ま
たは複数層から構成した。
結時の基板上への鉛拡散を防止でき、しかも機械的強度
及び信頼性の高い中間層を持ったアクチュエータを実現
する。 【解決手段】 Ｓｉ基体上に、上下電極および該電極間
に挟まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層からな
る電気−機械変換素子部を配し、与えられる電気信号に
応じて基体の一部を変形する圧電アクチュエータにおい
て、前記基体と前記電気−機械変換素子部の間に１層以
上を中間層を形成し、該中間層を、基体との密着機能
層，反応防止機能層，膜応力緩和機能層を有する単層ま
たは複数層から構成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ基板上に形成
する圧電素子および圧電素子を用いた圧電アクチュエー
タに関するものである。
する圧電素子および圧電素子を用いた圧電アクチュエー
タに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】圧電／電歪素子の用途として、加圧室に
圧力を加えてインク滴を吐出する圧電インクジェットヘ
ッドがある。近年、インクジェットヘッドは高集積化が
求められており、半導体プロセスやマイクロマシニング
技術により、エッチング技術が確立されていて、かつ、
コストの安いＳｉ基板に加圧室を形成するアクチュエー
タ構成が考案されている。
圧力を加えてインク滴を吐出する圧電インクジェットヘ
ッドがある。近年、インクジェットヘッドは高集積化が
求められており、半導体プロセスやマイクロマシニング
技術により、エッチング技術が確立されていて、かつ、
コストの安いＳｉ基板に加圧室を形成するアクチュエー
タ構成が考案されている。
【０００３】特開平８−２５２９１４号公報のインクジ
ェットヘッドでは、単結晶Ｓｉ基板上にＳｉＯ2膜を形
成し、弾性膜・圧電／電歪層を積層した後、異方性エッ
チングによりＳｉ基板にインク滴吐出のための加圧室を
形成し、さらに圧電膜直下のＳｉＯ2膜をＢＨＦにより
除去し、圧電膜とＳｉ基板の相互拡散による影響を無視
できる構成および製造方法を提案している。
ェットヘッドでは、単結晶Ｓｉ基板上にＳｉＯ2膜を形
成し、弾性膜・圧電／電歪層を積層した後、異方性エッ
チングによりＳｉ基板にインク滴吐出のための加圧室を
形成し、さらに圧電膜直下のＳｉＯ2膜をＢＨＦにより
除去し、圧電膜とＳｉ基板の相互拡散による影響を無視
できる構成および製造方法を提案している。
【０００４】特願平９−１０７２９６号では、単結晶Ｓ
ｉ基板上に、部分または完全安定化された酸化ジルコニ
ア膜，酸化セリウム膜等の緻密な鉛拡散防止膜を形成
し、圧電膜直下のＳｉを残すインクジェットヘッドの構
成を提案している。
ｉ基板上に、部分または完全安定化された酸化ジルコニ
ア膜，酸化セリウム膜等の緻密な鉛拡散防止膜を形成
し、圧電膜直下のＳｉを残すインクジェットヘッドの構
成を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】電気−機械変換素子の
圧電材料層にはチタン酸ジルコン鉛（以下ＰＺＴ）等の
鉛系圧電セラミックス材料が多く用いられる。しかし、
例えば、Ｓｉ基板上にＰＺＴを形成した後、焼結のため
の高温でのアニールを行うと、Ｓｉ基板上に鉛が拡散
し、Ｓｉ基板表面に形成しているＳｉＯ2の融点降下に
よる融解が発生する。
圧電材料層にはチタン酸ジルコン鉛（以下ＰＺＴ）等の
鉛系圧電セラミックス材料が多く用いられる。しかし、
例えば、Ｓｉ基板上にＰＺＴを形成した後、焼結のため
の高温でのアニールを行うと、Ｓｉ基板上に鉛が拡散
し、Ｓｉ基板表面に形成しているＳｉＯ2の融点降下に
よる融解が発生する。
【０００６】特開平８−２５２９１４号公報では、圧電
膜直下のＳｉ基板およびＳｉＯ2膜をエッチング等で完
全に取り除いてインク加圧室を形成することにより、上
記問題を解決した発明が開示されているが、この発明で
は弾性膜と電極膜のみで加圧を行うため、機械的強度が
弱くなるという問題がある。
膜直下のＳｉ基板およびＳｉＯ2膜をエッチング等で完
全に取り除いてインク加圧室を形成することにより、上
記問題を解決した発明が開示されているが、この発明で
は弾性膜と電極膜のみで加圧を行うため、機械的強度が
弱くなるという問題がある。
【０００７】特願平９−１０７２９６号では、鉛拡散を
防止する緻密な部分または完全安定化された酸化ジルコ
ニア膜，酸化セリウム膜等からなる中間層を、電気−機
械変換素子と加圧室基板の間に形成し、加圧室部の薄肉
厚部を１〜２０μｍにすることにより、振動板に求めら
れる機械強度と、電気−機械変換部の歪みの効果的な伝
達を行うことができる発明が開示されている。しかし、
鉛拡散を防ぐため、例えば、エピタキシャル膜のような
緻密で結晶性の良い単層で中間層を形成する場合、欠陥
もピンホールもない完全な単結晶膜ならば、０.１μｍ
程度でも可能であるが、実際はピンホールや結晶欠陥等
の膜欠陥が発生し、そこからＳｉ基板への鉛拡散が進
む。一方、鉛拡散を防止できる緻密な膜を単層または複
層で厚く形成した場合には、圧電素子焼成等の熱履歴に
よって膜表面からクラックが進み、Ｓｉ基板への鉛拡散
が発生する。さらに膜応力によるＳｉ振動板のたわみが
発生し、安定したインク滴吐出が難しくなり、ビットご
とにばらつきが生ずるという問題がある。
防止する緻密な部分または完全安定化された酸化ジルコ
ニア膜，酸化セリウム膜等からなる中間層を、電気−機
械変換素子と加圧室基板の間に形成し、加圧室部の薄肉
厚部を１〜２０μｍにすることにより、振動板に求めら
れる機械強度と、電気−機械変換部の歪みの効果的な伝
達を行うことができる発明が開示されている。しかし、
鉛拡散を防ぐため、例えば、エピタキシャル膜のような
緻密で結晶性の良い単層で中間層を形成する場合、欠陥
もピンホールもない完全な単結晶膜ならば、０.１μｍ
程度でも可能であるが、実際はピンホールや結晶欠陥等
の膜欠陥が発生し、そこからＳｉ基板への鉛拡散が進
む。一方、鉛拡散を防止できる緻密な膜を単層または複
層で厚く形成した場合には、圧電素子焼成等の熱履歴に
よって膜表面からクラックが進み、Ｓｉ基板への鉛拡散
が発生する。さらに膜応力によるＳｉ振動板のたわみが
発生し、安定したインク滴吐出が難しくなり、ビットご
とにばらつきが生ずるという問題がある。
【０００８】本発明では、基体との密着機能層，反応防
止機能層，膜応力緩和機能層を有する単層または複数層
から、十分な機械的強度を有した信頼性の高い基体界面
中間層を形成し、それと電気−機械変換素子を用いた圧
電アクチュエータを提供することを主なる目的とする。
請求項２の発明は、金属酸化物からなる配向膜、もしく
は基板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である
ことを特徴とする付着力が大きい基体密着機能層を配置
させることで、機械的強度の高い中間層を形成すること
を目的とする。
止機能層，膜応力緩和機能層を有する単層または複数層
から、十分な機械的強度を有した信頼性の高い基体界面
中間層を形成し、それと電気−機械変換素子を用いた圧
電アクチュエータを提供することを主なる目的とする。
請求項２の発明は、金属酸化物からなる配向膜、もしく
は基板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である
ことを特徴とする付着力が大きい基体密着機能層を配置
させることで、機械的強度の高い中間層を形成すること
を目的とする。
【０００９】請求項３の発明は、反応防止機能層として
緻密な結晶性の良い金属酸化物膜を用いることにより、
圧電材料層と基体間の反応防止効果の高い中間層を形成
することを目的とする。請求項４の発明は、高温で緻密
な反応防止膜，密着機能膜を形成することから生ずる膜
応力を打ち消すまたは緩和する膜応力緩和機能層を配置
させることで、中間層全体の応力を軽減させることを目
的とする。
緻密な結晶性の良い金属酸化物膜を用いることにより、
圧電材料層と基体間の反応防止効果の高い中間層を形成
することを目的とする。請求項４の発明は、高温で緻密
な反応防止膜，密着機能膜を形成することから生ずる膜
応力を打ち消すまたは緩和する膜応力緩和機能層を配置
させることで、中間層全体の応力を軽減させることを目
的とする。
【００１０】請求項５の発明は、中間層材料として部分
または完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いるこ
とにより、より靭性・機械的強度の高い中間層を形成す
ることを目的とする。請求項６の発明は、中間層形成に
スパッタリングを用いることにより、より効率的に中間
層を形成するすることを目的とする。
または完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いるこ
とにより、より靭性・機械的強度の高い中間層を形成す
ることを目的とする。請求項６の発明は、中間層形成に
スパッタリングを用いることにより、より効率的に中間
層を形成するすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、基体
上に、上下電極および該電極間に挟まれた電気−機械変
換効果を示す圧電材料層からなり、与えられる電気信号
に応じて基体の一部を変形する電気−機械変換素子部を
配し、基体と電気−機械変換素子部の間に１層以上の中
間層が形成されている圧電アクチュエータにおいて、該
中間層が基体との密着機能層，反応防止機能層，膜応力
緩和機能層を有する単層または複数層から構成される圧
電アクチュエータである。
上に、上下電極および該電極間に挟まれた電気−機械変
換効果を示す圧電材料層からなり、与えられる電気信号
に応じて基体の一部を変形する電気−機械変換素子部を
配し、基体と電気−機械変換素子部の間に１層以上の中
間層が形成されている圧電アクチュエータにおいて、該
中間層が基体との密着機能層，反応防止機能層，膜応力
緩和機能層を有する単層または複数層から構成される圧
電アクチュエータである。
【００１２】請求項２の発明は、請求項１記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記密着機能層の膜厚は、１μ
ｍ以下好ましくは０.１μｍ以下の金属酸化膜であり、
配向膜もしくは基板に対しエピタキシャル成長した単結
晶薄膜である圧電アクチュエータである。
クチュエータにおいて、前記密着機能層の膜厚は、１μ
ｍ以下好ましくは０.１μｍ以下の金属酸化膜であり、
配向膜もしくは基板に対しエピタキシャル成長した単結
晶薄膜である圧電アクチュエータである。
【００１３】請求項３の発明は、請求項１記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記反応防止機能層は、１層当
たり膜厚２μｍ以下好ましくは０.２μｍ以下の金属酸
化膜であり、ＸＲＤ回折より求まる結晶子の大きさ５０
ｎｍ以上の結晶膜からなる圧電アクチュエータである。
クチュエータにおいて、前記反応防止機能層は、１層当
たり膜厚２μｍ以下好ましくは０.２μｍ以下の金属酸
化膜であり、ＸＲＤ回折より求まる結晶子の大きさ５０
ｎｍ以上の結晶膜からなる圧電アクチュエータである。
【００１４】請求項４の発明は、請求項１記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記膜応力緩和機能層は、１層
当たり膜厚１０μｍ以下好ましくは１μｍ以下の金属酸
化膜であり、多孔質もしくは非晶質からなる圧電アクチ
ュエータである。
クチュエータにおいて、前記膜応力緩和機能層は、１層
当たり膜厚１０μｍ以下好ましくは１μｍ以下の金属酸
化膜であり、多孔質もしくは非晶質からなる圧電アクチ
ュエータである。
【００１５】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記中間層
がイットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウム
の酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全
安定化された酸化ジルコニウム膜である圧電アクチュエ
ータである。
れかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記中間層
がイットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウム
の酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全
安定化された酸化ジルコニウム膜である圧電アクチュエ
ータである。
【００１６】請求項６の発明は、請求項５記載の酸化ジ
ルコニウム膜をスパッタリングにより成膜する圧電アク
チェータの中間層の作製方法である。
ルコニウム膜をスパッタリングにより成膜する圧電アク
チェータの中間層の作製方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
構成を説明する。図１に本発明が適用可能な圧電素子ユ
ニットの概略図を示す。基体１上に、中間層２と上下電
極３ａ，３ｂ間に挟まれた電気機械変換効果を示す圧電
材料層４が形成され、電界印加に対して基体の一部を変
形させる。さらに、図２に示すように、基板１の一部に
圧電素子に対応して圧力室５を形成し、ノズルプレート
６を接合した場合、電極への電界印加によってノズル７
から圧力室中のインクが吐出されるインクジェット圧電
ヘッドが構成される。
構成を説明する。図１に本発明が適用可能な圧電素子ユ
ニットの概略図を示す。基体１上に、中間層２と上下電
極３ａ，３ｂ間に挟まれた電気機械変換効果を示す圧電
材料層４が形成され、電界印加に対して基体の一部を変
形させる。さらに、図２に示すように、基板１の一部に
圧電素子に対応して圧力室５を形成し、ノズルプレート
６を接合した場合、電極への電界印加によってノズル７
から圧力室中のインクが吐出されるインクジェット圧電
ヘッドが構成される。
【００１８】基体１は加工性に優れ、機械的強度が高
く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規
制されるものではなく、Ｓｉ基体であっても、セラミッ
クスであっても、金属であってもよく、また、複数の材
料による構造体から構成されていてもよい。
く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規
制されるものではなく、Ｓｉ基体であっても、セラミッ
クスであっても、金属であってもよく、また、複数の材
料による構造体から構成されていてもよい。
【００１９】電極材料としては熱処理・焼成温度での高
温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族
元素（Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ）などの高温融点貴金属
類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定
性の点からもっとも好ましい。
温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族
元素（Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ）などの高温融点貴金属
類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定
性の点からもっとも好ましい。
【００２０】下部電極層上の圧電材料層４には、ＰＺＴ
系セラミックスが好ましく、スクリーン印刷法を用い
て、一回の印刷工程で１０ないし２０μｍの膜厚を形成
できる。乾燥後、７００〜１０００℃の温度で大気中に
て焼成される。
系セラミックスが好ましく、スクリーン印刷法を用い
て、一回の印刷工程で１０ないし２０μｍの膜厚を形成
できる。乾燥後、７００〜１０００℃の温度で大気中に
て焼成される。
【００２１】中間層２は基体１との密着機能層２ａ，反
応防止機能層２ｂおよび膜応力緩和機能層２ｃから構成
される。反応防止効果を高めるため、反応防止機能層２
ｂおよび膜応力緩和機能層２ｃは、図３のように複数積
層されてもよく、また、一つ一つの反応防止機能層，膜
応力緩和機能層は、それぞれの同様の機能を持つ複数膜
から構成されていても良い。密着機能層２ａは、機械的
強度の点から、スパッタやＣＶＤ等で成膜された緻密で
付着力の高い膜であることが望ましい。膜厚は１μｍ程
度、膜内の応力分布を生じさせないためには、より好ま
しくは、０.１μｍ以下であることが好ましい。このた
め本発明の密着機能層の膜厚は、１μｍ以下好ましくは
０.１μｍ以下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基
板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である。
応防止機能層２ｂおよび膜応力緩和機能層２ｃから構成
される。反応防止効果を高めるため、反応防止機能層２
ｂおよび膜応力緩和機能層２ｃは、図３のように複数積
層されてもよく、また、一つ一つの反応防止機能層，膜
応力緩和機能層は、それぞれの同様の機能を持つ複数膜
から構成されていても良い。密着機能層２ａは、機械的
強度の点から、スパッタやＣＶＤ等で成膜された緻密で
付着力の高い膜であることが望ましい。膜厚は１μｍ程
度、膜内の応力分布を生じさせないためには、より好ま
しくは、０.１μｍ以下であることが好ましい。このた
め本発明の密着機能層の膜厚は、１μｍ以下好ましくは
０.１μｍ以下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基
板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である。
【００２２】反応防止機能層２ｂは、電気−機械変換層
を構成するＰＺＴからの鉛拡散を防止するため、スパッ
タやＣＶＤ等で成膜された緻密な膜であることが望まし
い。膜厚はやはり１μｍ程度、より好ましくは０.１μ
ｍ以下であることが好ましい。このため本発明の前記密
着機能層の膜厚は、１μｍ以下好ましくは０.１μｍ以
下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基板に対しエピ
タキシャル成長した単結晶薄膜である。膜応力緩和機能
層２ｃは、緻密な膜に生じた応力を打ち消すかまたは吸
収する、多孔質または非晶質の膜から構成される。スパ
ッタ，ＣＶＤ，ｓｏｌ−ｇｅｌ法、また印刷法で１０μ
ｍ程度形成されても構わないが、機械的強度，生産性，
アクチュエータ特性からスパッタ，ＣＶＤ等で１μｍ以
下で成膜されることが好ましい。このため本発明の前記
反応防止機能層は、１層当たり膜厚２μｍ以下好ましく
は０.２μｍ以下の金属酸化膜であり、ＸＲＤ回折より
求まる結晶子の大きさ５０ｎｍ以上の結晶膜からなる。
中間層材料には、ＰＺＴ焼成温度において十分耐性を持
ち、鉛に対して反応性が低く、高い機械的強度を有する
金属酸化膜、例えば、ＭｇＯ，ＧｅＯ2，Ｙ2Ｏ3，Ａｌ2
Ｏ3，ＳｒＴｉＯ3，ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3や、より高い靭性
を持つイットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシ
ウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または
完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いることも好
ましい。また、後述の実施例に示すように、中間層を構
成するすべての機能膜は、生産性の点では同一材料を用
いて、スパッタ等の共通の成膜方法で形成されることが
望ましい。
を構成するＰＺＴからの鉛拡散を防止するため、スパッ
タやＣＶＤ等で成膜された緻密な膜であることが望まし
い。膜厚はやはり１μｍ程度、より好ましくは０.１μ
ｍ以下であることが好ましい。このため本発明の前記密
着機能層の膜厚は、１μｍ以下好ましくは０.１μｍ以
下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基板に対しエピ
タキシャル成長した単結晶薄膜である。膜応力緩和機能
層２ｃは、緻密な膜に生じた応力を打ち消すかまたは吸
収する、多孔質または非晶質の膜から構成される。スパ
ッタ，ＣＶＤ，ｓｏｌ−ｇｅｌ法、また印刷法で１０μ
ｍ程度形成されても構わないが、機械的強度，生産性，
アクチュエータ特性からスパッタ，ＣＶＤ等で１μｍ以
下で成膜されることが好ましい。このため本発明の前記
反応防止機能層は、１層当たり膜厚２μｍ以下好ましく
は０.２μｍ以下の金属酸化膜であり、ＸＲＤ回折より
求まる結晶子の大きさ５０ｎｍ以上の結晶膜からなる。
中間層材料には、ＰＺＴ焼成温度において十分耐性を持
ち、鉛に対して反応性が低く、高い機械的強度を有する
金属酸化膜、例えば、ＭｇＯ，ＧｅＯ2，Ｙ2Ｏ3，Ａｌ2
Ｏ3，ＳｒＴｉＯ3，ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3や、より高い靭性
を持つイットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシ
ウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または
完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いることも好
ましい。また、後述の実施例に示すように、中間層を構
成するすべての機能膜は、生産性の点では同一材料を用
いて、スパッタ等の共通の成膜方法で形成されることが
望ましい。
【００２３】（実施例１）Ｓｉ（１００）基板上に、酸
素とアルゴンを導入しながらＲＦマグネトロンスパッタ
を用いて、基板温度（８５０，６５０，５００，１５０
℃）を変化させて、イットリウムで安定化された酸化ジ
ルコニウム（８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2）膜（以ＹＳ
Ｚ）を厚さ１０００Åで成膜した。それぞれの膜の基板
付着力を、引き剥がし法を用いて測定した結果を表１に
示す。成膜時の基板温度が高いほどＹＳＺ膜の結晶性が
よく、それに伴い付着力も向上した。例えば、インクジ
ェットヘッドのような高周波数での駆動に耐え得る機械
的強度が可動部に求められる場合、配向膜または基板に
対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜のような結晶性
の良い付着力の高い膜が好ましい。
素とアルゴンを導入しながらＲＦマグネトロンスパッタ
を用いて、基板温度（８５０，６５０，５００，１５０
℃）を変化させて、イットリウムで安定化された酸化ジ
ルコニウム（８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2）膜（以ＹＳ
Ｚ）を厚さ１０００Åで成膜した。それぞれの膜の基板
付着力を、引き剥がし法を用いて測定した結果を表１に
示す。成膜時の基板温度が高いほどＹＳＺ膜の結晶性が
よく、それに伴い付着力も向上した。例えば、インクジ
ェットヘッドのような高周波数での駆動に耐え得る機械
的強度が可動部に求められる場合、配向膜または基板に
対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜のような結晶性
の良い付着力の高い膜が好ましい。
【００２４】
【表１】
【００２５】（実施例２）反応防止膜の結晶性と鉛との
反応性の相関を調べるため、Ｓｉウェハ（１００）上
に、酸素とアルゴンを導入しながらＲＦマグネトロンス
パッタを用いて、酸化セリウムで安定化させた酸化ジル
コニウム（４０ｍｏｌ％ＣｅＯ2−ＺｒＯ2）を成膜した
（基板温度８５０，６５０，５００，１５０℃）。作製
されたＣｅＯ2−ＺｒＯ2／Ｓｉ膜にＰｂＯペーストを印
刷し、９００℃２時間加熱した後、ＳＩＭＳを用いて深
さ方向の鉛拡散について調ベた。その結果を図４に示
す。その結果、８００℃で成膜した場合の鉛拡散深さが
４００Å程度で最も小さく、成膜温度が高く、結晶性
（ＸＲＤ：ＲＣ法で評価）の良い膜ほど高い反応防止効
果が得られた。
反応性の相関を調べるため、Ｓｉウェハ（１００）上
に、酸素とアルゴンを導入しながらＲＦマグネトロンス
パッタを用いて、酸化セリウムで安定化させた酸化ジル
コニウム（４０ｍｏｌ％ＣｅＯ2−ＺｒＯ2）を成膜した
（基板温度８５０，６５０，５００，１５０℃）。作製
されたＣｅＯ2−ＺｒＯ2／Ｓｉ膜にＰｂＯペーストを印
刷し、９００℃２時間加熱した後、ＳＩＭＳを用いて深
さ方向の鉛拡散について調ベた。その結果を図４に示
す。その結果、８００℃で成膜した場合の鉛拡散深さが
４００Å程度で最も小さく、成膜温度が高く、結晶性
（ＸＲＤ：ＲＣ法で評価）の良い膜ほど高い反応防止効
果が得られた。
【００２６】（実施例３）次に、膜応力緩和機能層の効
果を調べるため、まず、４インチのＳｉウェハ（１０
０）上に、基板温度８５０℃、圧力１×１０-1Ｐａの成
膜条件で、スパッタによりＹＳＺ（８ｏｌ％Ｙ2Ｏ3−Ｚ
ｒＯ2）膜を０.１μｍエピタキシャル成長させる。その
上に酸素とアルゴンと窒素を導入しながら、基板温度７
５０℃、圧力２Ｐａ（Ａｒ：Ｏ2：Ｎ2＝８：１：１）
で、多孔質のＹＳＺ膜を膜厚を変化させて形成する。そ
の上にさらに基板温度８５０℃、圧力１×１０-5Ｐａの
成膜条件で緻密なＹＳＺ膜を０.２μｍ形成した。ＹＳ
Ｚ複合膜の積層されたＳｉウェハの曲率半径（基板たわ
み量）をニュートン環観察により測定し、膜応力緩和機
能層膜厚と膜応力緩和効果の相関を調べた結果を図５に
示す。多孔質の膜応力緩和機能層を用いない場合に、Ｙ
ＳＺ複合膜に働いていた圧縮応力が、膜応力緩和機能層
を間に形成することで緩和され、Ｓｉウェハの基板たわ
みが少なくなった。中間層の機械的強度という点からを
考えると、１層当たりの膜応力緩和機能層の膜厚は１μ
ｍ以下であることが好ましい。
果を調べるため、まず、４インチのＳｉウェハ（１０
０）上に、基板温度８５０℃、圧力１×１０-1Ｐａの成
膜条件で、スパッタによりＹＳＺ（８ｏｌ％Ｙ2Ｏ3−Ｚ
ｒＯ2）膜を０.１μｍエピタキシャル成長させる。その
上に酸素とアルゴンと窒素を導入しながら、基板温度７
５０℃、圧力２Ｐａ（Ａｒ：Ｏ2：Ｎ2＝８：１：１）
で、多孔質のＹＳＺ膜を膜厚を変化させて形成する。そ
の上にさらに基板温度８５０℃、圧力１×１０-5Ｐａの
成膜条件で緻密なＹＳＺ膜を０.２μｍ形成した。ＹＳ
Ｚ複合膜の積層されたＳｉウェハの曲率半径（基板たわ
み量）をニュートン環観察により測定し、膜応力緩和機
能層膜厚と膜応力緩和効果の相関を調べた結果を図５に
示す。多孔質の膜応力緩和機能層を用いない場合に、Ｙ
ＳＺ複合膜に働いていた圧縮応力が、膜応力緩和機能層
を間に形成することで緩和され、Ｓｉウェハの基板たわ
みが少なくなった。中間層の機械的強度という点からを
考えると、１層当たりの膜応力緩和機能層の膜厚は１μ
ｍ以下であることが好ましい。
【００２７】（実施例４）実施例３に記載の単結晶Ｓｉ
基板上に積層されたＹＳＺ膜において、膜応力緩和機能
層を０.５μｍとした中間層／Ｓｉ基板上に白金ペース
トをスクリーン印刷し、下部電極３ａを５μｍ形成す
る。続いて下部電極上に圧電材料として０.５Ｐｂ（Ｎ
ｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−０.５Ｐｂ（Ｚｒ0.7Ｔｉ0.3）Ｏ3
（以下、ＰＮＮ−ＰＺＴと略す）をスクリーン印刷し、
１５０℃で３０分間乾燥、そして、焼成炉において大気
中で９００℃の温度で２時間焼成する。ＰＮＮ−ＰＺＴ
焼成後、上部電極３ｂをスクリーン印刷で銀−パラジウ
ムを焼き付けにより形成して、図１で示した圧電アクチ
ュエータ構成と同様のＰＮＮ−ＰＺＴキャパシタを作製
する。また、同様のキャパシタを日本ファインセラミッ
クス社製ＹＳＺ（セラフレックスＡ）基板（板厚１００
μｍ）上に形成し、それぞれ比誘電率を測定し比較し
た。その結果、ＹＳＺ中間層／Ｓｉ上に形成したＰＺＴ
でもＳｉ基板への鉛拡散は見られず、ＹＳＺ基板上に形
成されたＰＺＴとほぼ同程度の比誘電率（εr＝２００
０）という良好な値が得られた。このことは良好な圧電
特性を示す厚膜ＰＮＮ−ＰＺＴがＳｉ基板上に形成でき
たことを意味する。
基板上に積層されたＹＳＺ膜において、膜応力緩和機能
層を０.５μｍとした中間層／Ｓｉ基板上に白金ペース
トをスクリーン印刷し、下部電極３ａを５μｍ形成す
る。続いて下部電極上に圧電材料として０.５Ｐｂ（Ｎ
ｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−０.５Ｐｂ（Ｚｒ0.7Ｔｉ0.3）Ｏ3
（以下、ＰＮＮ−ＰＺＴと略す）をスクリーン印刷し、
１５０℃で３０分間乾燥、そして、焼成炉において大気
中で９００℃の温度で２時間焼成する。ＰＮＮ−ＰＺＴ
焼成後、上部電極３ｂをスクリーン印刷で銀−パラジウ
ムを焼き付けにより形成して、図１で示した圧電アクチ
ュエータ構成と同様のＰＮＮ−ＰＺＴキャパシタを作製
する。また、同様のキャパシタを日本ファインセラミッ
クス社製ＹＳＺ（セラフレックスＡ）基板（板厚１００
μｍ）上に形成し、それぞれ比誘電率を測定し比較し
た。その結果、ＹＳＺ中間層／Ｓｉ上に形成したＰＺＴ
でもＳｉ基板への鉛拡散は見られず、ＹＳＺ基板上に形
成されたＰＺＴとほぼ同程度の比誘電率（εr＝２００
０）という良好な値が得られた。このことは良好な圧電
特性を示す厚膜ＰＮＮ−ＰＺＴがＳｉ基板上に形成でき
たことを意味する。
【００２８】（実施例５）中間層形成にスパッタリング
を用いた場合、同一ターゲットで基板温度，ガス圧，ガ
ス値を変化させるだけで容易にエピタキシャル膜，配向
膜，非晶質膜，多孔質膜を成膜することができる。実施
例３に示したように、これらの組み合わせにより各機能
層を連続的に形成することが可能であり、製造効率の点
からスパッタ成膜が好ましい。
を用いた場合、同一ターゲットで基板温度，ガス圧，ガ
ス値を変化させるだけで容易にエピタキシャル膜，配向
膜，非晶質膜，多孔質膜を成膜することができる。実施
例３に示したように、これらの組み合わせにより各機能
層を連続的に形成することが可能であり、製造効率の点
からスパッタ成膜が好ましい。
【００２９】
【発明の効果】請求項１に対応する効果：本発明を適用
可能な圧電アクチュエータにおいて、基体／電気−機械
変換層間の中間層を密着機能，反応防止機能，膜応力緩
和機能を有する単層または複層で構成することにより、
電気―機械変換層からの鉛拡散を防止し、基体付着力が
強くかつ、中間層の圧縮応力を緩和することができ、そ
れによって信頼性の高い高性能の圧電アクチュエータを
提供すことができる。
可能な圧電アクチュエータにおいて、基体／電気−機械
変換層間の中間層を密着機能，反応防止機能，膜応力緩
和機能を有する単層または複層で構成することにより、
電気―機械変換層からの鉛拡散を防止し、基体付着力が
強くかつ、中間層の圧縮応力を緩和することができ、そ
れによって信頼性の高い高性能の圧電アクチュエータを
提供すことができる。
【００３０】請求項２に対応する効果：緻密な機械的強
度の高い基体密着層を形成することにより、より信頼性
の高い中間層を備えた圧電アクチュエータを実現するこ
とができる。
度の高い基体密着層を形成することにより、より信頼性
の高い中間層を備えた圧電アクチュエータを実現するこ
とができる。
【００３１】請求項３に対応する効果：緻密な反応防止
機能層を形成することにより、圧電材料層と基体間の反
応防止効果が高くより信頼性の高い中間層を備えたアク
チェータを実現することができる。
機能層を形成することにより、圧電材料層と基体間の反
応防止効果が高くより信頼性の高い中間層を備えたアク
チェータを実現することができる。
【００３２】請求項４に対応する効果：多孔質または非
晶質からなる膜応力緩和機能層を形成することにより、
中間層全体の膜応力を緩和し、より信頼性の高い中間層
を備えたアクチュエータを実現することができる。
晶質からなる膜応力緩和機能層を形成することにより、
中間層全体の膜応力を緩和し、より信頼性の高い中間層
を備えたアクチュエータを実現することができる。
【００３３】請求項５に対応する効果：中間層材料とし
て安定化または部分安定化された酸化ジルコニウムから
構成することにより、機械的強度，靭性が高い高信頼
性、高性能の中間層を備えたアクチェータを実現するこ
とができる。
て安定化または部分安定化された酸化ジルコニウムから
構成することにより、機械的強度，靭性が高い高信頼
性、高性能の中間層を備えたアクチェータを実現するこ
とができる。
【００３４】請求項６の作用効果：中間層となる酸化ジ
ルコニウム膜をスパッタにより形成することにより、信
頼性が高くコストの安い中間層を作製することができ
る。
ルコニウム膜をスパッタにより形成することにより、信
頼性が高くコストの安い中間層を作製することができ
る。
【図１】 本発明を適用可能な圧電素子ユニットを概略
的に示す図である。
的に示す図である。
【図２】 本発明の圧電素子ユニットを用いたインクジ
ェット圧電ヘッドを概略的に示す図である。
ェット圧電ヘッドを概略的に示す図である。
【図３】 圧電素子ユニットの他の実施例を示す図１と
同様の図である。
同様の図である。
【図４】 基板の成膜温度と鉛拡散深さの相関を示す図
である。
である。
【図５】 膜応力緩和機能層の膜厚と膜応力緩和効果の
相関を示す図である。
相関を示す図である。
１…基体、２…中間層、２ａ…密着機能層、２ｂ…反応
防止機能層、２ｃ…膜応力緩和機能層、３…電極、３ａ
…下電極、３ｂ…上電極、４…圧電材料層、５…圧力
室、６…ノズルプレート、７…ノズル。
防止機能層、２ｃ…膜応力緩和機能層、３…電極、３ａ
…下電極、３ｂ…上電極、４…圧電材料層、５…圧力
室、６…ノズルプレート、７…ノズル。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 41/22 (72)発明者 山中 邦裕 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内
Claims (6)
- 【請求項１】 基体上に、上下電極および該電極間に挟
まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層からなり、
与えられる電気信号に応じて基体の一部を変形する電気
−機械変換素子部を配し、基体と電気−機械変換素子部
の間に１層以上の中間層が形成されている圧電アクチュ
エータにおいて、該中間層が基体との密着機能層，反応
防止機能層，膜応力緩和機能層を有する単層または複数
層から構成されることを特徴とした圧電アクチュエー
タ。 - 【請求項２】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記密着機能層の膜厚は、１μｍ以下好ましくは
０.１μｍ以下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基
板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜であること
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項３】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記反応防止機能層は、１層当たり膜厚２μｍ以
下好ましくは０.２μｍ以下の金属酸化膜であり、ＸＲ
Ｄ回折より求まる結晶子の大きさ５０ｎｍ以上の結晶膜
からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項４】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記膜応力緩和機能層は、１層当たり膜厚１０μ
ｍ以下好ましくは１μｍ以下の金属酸化膜であり、多孔
質もしくは非晶質からなることを特徴とした圧電アクチ
ュエータ。 - 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電
アクチュエータにおいて、前記中間層がイットリウム，
セリウム，マグネシウム，カルシウムの酸化物を少なく
とも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化
ジルコニウム膜であることを特徴とする圧電アクチュエ
ータ。 - 【請求項６】 請求項５記載の酸化ジルコニウム膜をス
パッタリングにより成膜することを特徴とする圧電アク
チェータの中間層の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP823298A JPH11204849A (ja) | 1998-01-20 | 1998-01-20 | 圧電アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP823298A JPH11204849A (ja) | 1998-01-20 | 1998-01-20 | 圧電アクチュエータ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11204849A true JPH11204849A (ja) | 1999-07-30 |
Family
ID=11687420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP823298A Pending JPH11204849A (ja) | 1998-01-20 | 1998-01-20 | 圧電アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11204849A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001088296A (ja) * | 1999-09-20 | 2001-04-03 | Fuji Electric Co Ltd | インクジェット記録ヘッド |
| JP2006100781A (ja) * | 2004-09-06 | 2006-04-13 | Tdk Corp | 電子デバイス及びその製造方法 |
| JP2007098727A (ja) * | 2005-10-03 | 2007-04-19 | Fujifilm Corp | 液体吐出ヘッドの製造方法及び液体吐出ヘッド並びに画像形成装置 |
| EP1911590A1 (en) * | 2006-10-11 | 2008-04-16 | Seiko Epson Corporation | Actuator device, liquid-jet head, and method of manufacturing actuator device |
| US7411339B2 (en) | 2003-11-28 | 2008-08-12 | Seiko Epson Corporation | Manufacturing method of actuator device and liquid jet apparatus provided with actuator device formed by manufacturing method of the same |
| US7562451B2 (en) | 2003-12-09 | 2009-07-21 | Seiko Epson Corporation | Method of manufacturing actuator device for ink jet head |
| JP2009272642A (ja) * | 2009-07-24 | 2009-11-19 | Seiko Epson Corp | 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 |
| US7644479B2 (en) | 2005-02-21 | 2010-01-12 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Method of producing a piezoelectric actuator |
| JP2010017984A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
| US7827658B2 (en) | 2006-03-28 | 2010-11-09 | Seiko Epson Corporation | Method for manufacturing actuator device and liquid ejecting head including actuator device prepared by the method |
| JP2012509775A (ja) * | 2008-11-26 | 2012-04-26 | フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド | 電気機械トランスデューサデバイスおよびその製造方法 |
| JP2013080786A (ja) * | 2011-10-03 | 2013-05-02 | Rohm Co Ltd | シリコン装置 |
| JP2017038082A (ja) * | 2016-11-04 | 2017-02-16 | ローム株式会社 | インクノズルおよびそれを備えたインクジェットプリンタヘッド |
| CN114342099A (zh) * | 2020-06-09 | 2022-04-12 | Tdk电子股份有限公司 | 压电组装件及形成压电组装件的方法 |
-
1998
- 1998-01-20 JP JP823298A patent/JPH11204849A/ja active Pending
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7882607B2 (en) | 2006-10-11 | 2011-02-08 | Seiko Epson Corporation | Method of manufacturing an actuator device |
| JP2010017984A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
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| CN114342099A (zh) * | 2020-06-09 | 2022-04-12 | Tdk电子股份有限公司 | 压电组装件及形成压电组装件的方法 |
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