压电薄膜以及其制造方法、以及具备该压电薄膜的压电元件、以及使用该压电元件的喷墨头、以及具备该喷墨头的喷墨式记录装置

技术领域

本发明涉及在微泵、微扬声器、喷墨头等使用的压电薄膜以及其制造方法、以及具备该压电薄膜的压电元件、以及使用该压电元件的喷墨头、以及具备该喷墨头的喷墨式记录装置。

背景技术

压电材料是将机械能转换为电能、或是将电能转换为机械能的材料。作为压电材料的代表，有具有钙钛矿型的结晶构造的钛锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)(以下写作“PZT”)。特别是在具有钙钛矿型的正方晶系结晶构造的PZT的场合，能够在c轴方向(<001>轴方向)得到最大的压电位移。但是，多数压电材料是由结晶粒子的集合体而构成的多结晶体，各结晶粒子的结晶轴是向着随意的方向。因此，自发极化Ps也是随意排列的。

可是，随着近年来的电子仪器的小型化，对于压电元件也在强烈要求小型化。而且，为了满足其要求，与从以往较多使用的烧结体相比，压电元件是以体积明显小的薄膜的形式来使用，而且对于压电元件的薄膜化的研究开发正在积极进行。例如，PZT的场合，因为自发极化Ps是向着c轴方向，所以，为了即使薄膜化也能实现高的压电特性，必须要使构成PZT薄膜的结晶的c轴相对基片表面在垂直方向一致。而且，为了实现此目的，以前是使用结晶方位(100)面露出表面而切出的岩盐型结晶构造的氧化镁(MgO)所构成的单结晶的基片，在600～700℃的温度下形成相对其表面在垂直方向于c轴(<001>轴)取向的PZT薄膜(例如：J.Appl.Phys.vol.65，No.4(15 Feb.1989)pp.1666-1670、特开平10-209517号公报)。

但是，因为MgO单结晶基片的热膨胀系数是120×10^-7deg，而PZT的热膨胀系数是56×10^-7deg，所以，在MgO单结晶基片上形成PZT薄膜时，在从600～700℃的形成温度冷却至室温的过程中，由于两者的热膨胀系数的差而在PZT薄膜受到大的压缩应力。因此，PZT薄膜整体成为缩短较大的状态，不能得到由电能而伸缩大的性质，即，不能得到高的压电特性。存在的问题是：例如，即使通过浸蚀除去MgO单结晶基片，但因为在室温附近，结晶内的各离子不发生扩散，所以在PZT薄膜会残留压缩应力，不能完全缓和，因此不能得到大的压电位移。

发明的公开

本发明是为了解决以往技术中的前述课题的发明，目的是提供能够得到大的压电位移的压电薄膜以及其制造方法。

而且，本发明的目的是提供高性能的压电元件、喷墨头、以及喷墨式记录装置。

为了达到前述目的，本发明涉及的压电薄膜的构成，其特征在于：化学成分表示为：Pb_1+a(Zr_xTi_1-x)O_3+a(注：0.2≤a≤0.6，0.50≤x≤0.62)，是由其构成元素的氧离子、钛离子、锆离子的一部分缺少的具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域、和没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域所构成。

具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域，如同柔软的螺旋弹簧能够通过自然变形来吸收结晶内的残留压缩应力。因此，如果根据前述本发明的压电薄膜的构成，由于具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域能够缓和结晶内的残留压缩应力，结果，能够得到大的压电位移(位移量)。

而且，在前述本发明的压电薄膜的构成中，前述的没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶的直径最好是在150～400nm的范围。

而且，在前述本发明的压电薄膜的构成中，在X线衍射是表示正方晶系的钙钛矿型的结晶构造，而且，最好是在c轴方向成长的薄膜。

而且，在前述本发明的压电薄膜的构成中，从垂直表面的方向入射电子束时的电子束衍射最好是表示钙钛矿型单结晶的c面的斑点花样。

本发明涉及的压电薄膜的制造方法，其特征在于：在基片上使用钛酸镧铅的靶(材)，利用溅射法，c轴相对前述基片表面在垂直方向成长的钙钛矿型的结晶所构成的膜厚形成0.005～0.05μm的极薄的第1层，在前述第1层的上面，使用氧化铅过量的钛锆酸铅的靶，通过溅射法，形成化学成分表示为：Pb_1+a(Zr_xTi_1-x)O_3+a(注：0.2≤a≤0.6，0.50≤x≤0.62)、其构成元素的氧离子、钛离子、锆离子的一部分缺少的具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域、和没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域所构成的压电薄膜。

而且，在前述本发明的压电薄膜制造方法中，前述的没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶的直径最好是在150～400nm的范围。

而且，在前述本发明的压电薄膜制造方法中，前述压电薄膜在X线衍射是表示正方晶系的钙钛矿型的结晶构造，而且，最好是在c轴方向成长的薄膜。

而且，在前述本发明的压电薄膜制造方法中，从前述压电薄膜表面的垂直方向入射电子束时的电子束衍射最好是表示钙钛矿型单结晶的c面的斑点花样。

本发明涉及的压电元件的构成，其特征在于：在一对电极之间具备压电薄膜，而该压电薄膜是由：化学成分表示为：Pb_1+a(Zr_xTi_1-x)O_3+a(注：0.2≤a≤0.6，0.50≤x≤0.62)、其构成元素的氧离子、钛离子、锆离子的一部分缺少的具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域、和没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域所构成。

根据前述本发明的压电元件的构成，因为具备能够得到大的压电位移(位移量)的前述本发明的压电薄膜，所以，能够实现高性能的压电元件，

而且，在前述本发明的压电元件的构成中，前述的没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶的直径最好是在150～400nm的范围。

而且，在前述本发明的压电元件的构成中，前述压电薄膜在X线衍射是表示正方晶系的钙钛矿型的结晶构造，而且，最好是在c轴方向成长的薄膜。

而且，在前述本发明的压电元件的构成中，从前述压电薄膜表面的垂直方向入射电子束时的电子束衍射最好是表示钙钛矿型单结晶的c面的斑点花样。    

本发明涉及的喷墨头，其特征在于：是由下述部件构成：在一对电极之间由具备前述本发明的压电薄膜的压电元件所构成的执行元件部、由于前述执行元件部的位移而向墨液施加压力的压力室部件、向前述压力室部件供给墨液的墨液流路部件、与压出墨液的喷嘴板粘接的墨排出元件、驱动前述墨排出元件的驱动电源元件。根据该喷墨头的构成，因为使用能够得到大的压电位移(位移量)的压电元件来制作执行元件部，所以，墨液的排出能力高。而且，因为这样墨液排出的能力高，所以，在电源电压的调整幅度上能够得到大的余量，因此，能够容易地控制墨液排出的不均。

而且，本发明涉及的喷墨式记录装置的构成，其特征在于：具备下述部件：前述本发明的喷墨头、将前述的喷墨头向记录介质的宽度方向输送的喷墨头输送装置、把前述记录介质向相对前述喷墨头的输送方向大致垂直方向输送的记录介质输送装置。根据该喷墨式记录装置的构成，由于使用构成能够容易地控制墨液的排出不均的喷墨头，所以能够使得对于记录介质的记录不均很小，所以，能够实现可靠性高的喷墨式记录装置。

图的简单说明

图1是表示本发明的第1实施形式的压电元件的斜视图。

图2是表示本发明的第1实施形式的压电元件的制造方法的工序图。

图3是表示本发明的第1实施形式的压电薄膜的断面构造的模式图。

图4是本发明的第1实施形式的压电元件的特性图。

图5是使用本发明的第1实施形式的以往压电元件时的特性图。

图6是表示本发明的第2实施形式的喷墨头的概略构成图。

图7是表示在本发明的第2实施形式的喷墨头所使用的墨排出元件的局剖的分解斜视图。

图8是表示在本发明的第2实施形式的喷墨头所使用的墨排出元件的执行元件部的图7的VII-VII线剖面图。

图9是表示具备本发明的第3实施形式的喷墨头的喷墨式记录装置整体的概略斜视图。

实施发明的最佳形式

以下，用实施形式更具体地说明本发明。

[第1实施形式]

图1是表示本发明的第1实施形式的压电元件的斜视图。如图1所示，本实施形式的压电元件10形成为长度800μm、厚度4.1μm的T字型的平板形状。压电元件10的一端部10a(长度300μm)与其它部分10b(长度500μm)相比，形成的幅度宽。即，压电元件10的一端部10a的宽度为500μm，压电元件10的其它部分10b的宽度为50μm。压电元件10其一端部10a由导电性粘接剂(银膏)7固定在导电性支撑基片(不锈钢基片)4，由此而构成悬臂梁。

压电元件10由下述部件构成：厚度0，1μm的白金制下部电极1、设在下部电极1上的厚度2.5μm的压电薄膜2、设在压电薄膜2上的厚度1.5μm的铝制的上部电极3。在与下部电极1电气相通的导电性支撑基片4上连接导线5。而且，在上部电极3，在位于压电元件10的一端部10a连接导线6。而且，当通过导线5、6而在压电元件10的下部电极1和上部电极3之间施加电压时，压电薄膜2向图1的x方向伸长。若施加电压以E(V)表示、压电薄膜2的厚度以t(m)表示、压电薄膜2的长度以L(m)表示、压电薄膜2的压电常数以d₃₁(pm V)表示，则压电薄膜2的伸长的变化量ΔL(m)可由下式(式1)表示。

[式1]

ΔL＝d₃₁×L×E/t

这里，与膜厚度薄的下部电极1接合的压电薄膜2的下侧部分虽然向x方向伸长，但是与膜厚度厚的上部电极3接合的压电薄膜2的上侧部分，由于膜厚度厚的上部电极3而抑制了其伸长位移。其结果，与固定在导电性支撑基片4的一端部10a(端子侧)相反侧的压电元件10的顶端向图1的+z轴方向位移。因此，当以一定频率数反复进行电压的施加和去除时，压电元件10的顶端以既定的位移幅度在z轴方向上下运动。而且，通过测定施加电压与压电元件10的顶端的位移幅度大小的关系，可以评价压电薄膜2的位移特性。

其次，边参照图2边说明压电元件10的制造方法。图2是表示本发明的第1实施形式的压电元件的制造方法的工序图。

首先，如图2(a)所示，在由氧化镁(MgO)构成的单结晶基片20上，通过溅射法形成由白金(Pt)构成的下部电极1，其次，在下部电极1上通过溅射法形成压电薄膜2。对于该压电薄膜2的制造方法在后面详细说明。这里，单结晶基片20，是结晶方位(100)面露出表面而切出的，其厚度为0.3mm，表面尺寸为20mm×10mm。而且，下部电极1其厚度为0.1μm，(100)面成为表面。而且，压电薄膜2的厚度为2.5μm。其次，在压电薄膜2上通过溅射法而形成由铝(Al)构成的厚度1.5μm的上部电极3。这样，得到由单结晶基片20与下部电极1和压电薄膜2及上部电极3构成的层叠体26。

其次，如图2(b)所示，使用粘接剂(丙烯树脂)21而把层叠体26粘贴在玻璃基片22。这里，玻璃基片22是与上部电极3相对配置的，而且，在玻璃基片22与上部电极3之间也是具有粘接剂21的状态。

然后，使用磷酸水溶液除去单结晶基片20，其后，如图2(c)所示，在上部电极1上形成T字型(参照图1)的光致抗蚀剂图样23。

然后，如图2(d)所示，利用干腐蚀法将下部电极1与压电薄膜2和上部电极3加工成图1所示的压电元件10的形状和尺寸。

然后，如图2(e)所示，利用导电性粘接剂7而把下部电极1的一端部(参照图1的压电压电元件10的一端部10a)固定在导电性支撑基片4。

然后，如图2(f)所示，使用有机溶剂(乙醇)将粘接剂21与玻璃基片22溶解除去，如图1所示，在与下部电极1电气相通的导电性支撑基片4上安装导线5，而且在上部电极3安装导线6。

压电薄膜2如下制成。

即，首先，把形成下部电极1的氧化镁(MgO)所构成的单结晶基片20，在RF磁控管溅射装置的容器中预先在560℃的温度下加热保持，上述下部电极1是由(100)面成为表面的白金(Pt)所构成，使用钛酸镧铅(Pb_0.92(La_0.08Ti)O₃)的靶，在下部电极1上形成c轴(<001>轴)相对表面于垂直方向成长的钙钛矿型结晶构造、由含有镧的钛酸铅所构成的膜厚为0.02μm的极薄的薄膜。该场合，使用氩与氧的混合气体(气体的体积比为：Ar∶O₂＝19∶1)作为溅射气体，将其总气体压力保持在0.3Pa，施加300W的高频电来进行10分钟的溅射。而且，该极薄的薄膜的膜厚最好是0.005～0.05μm的范围。

其次，使基片温度为600℃，使用在钛锆酸铅(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O>3>1.50(Zr_0.53Ti_0.47)O_3.5)的膜厚2.5μm的压电薄膜2。该场合，使用氩和氧的混合气体(气体的体积比为Ar∶O₂＝19∶1)作为溅射气体，将其总气体压力保持为0.3Pa，施加600W的高频电来进行2小时的溅射。而且，添加的氧化铅(PbO)的量以摩尔比最好是20～60％。

由X线衍射解析的结果，压电薄膜2表示为正方晶系的钙钛矿型的结晶构造，而且，可知为是在c轴成长的薄膜(仅是c轴向着与表面垂直方向的构造的薄膜)。

而且，通过X线微量分析仪的成分分析的结果，压电薄膜2的阳离子的成分比为Pb∶Zr∶Ti＝1.50∶0.53∶0.47，可知是成为能够以Pb_1.50(Zr_0.53Ti_0.47)O_3.5表示的化学成分。而且，通过X线微量分析仪分析压电薄膜2与白金薄膜(下部电极1)的界面附近的结果，可知在白金薄膜(下部电极1)的表面附近存在微量的镧。

而且，从垂直压电薄膜2的表面入射电子束，分析电子束衍射图样的结果，可知表示为钙钛矿型单结晶的c面的斑点花样。

另外，当附加使用透射式电子显微镜对压电薄膜断面的分析结果，可知本实施形式的压电薄膜2的断面构造成为图3所模式地表示的构造。即，如图3所示，本实施形式的压电薄膜2是由氧离子、钛离子、锆离子的一部分缺少的具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域24、和没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域25所构成。根据这样的压电薄膜2的构成，由于具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域24，而能够缓和以往成为问题的结晶内的残留压缩应力。而且，没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域25的柱状直径最好是在150～400nm的范围。

在如上述制作的压电元件10的下部电极1与上部电极3之间通过导线5、6来施加±20V的三角波电压，测定压电元件10的顶端在z轴方向的上下运动的位移量。图4表示的是施加频率为10Hz电压时的压电元件10的顶端在z轴方向的上下运动的位移量。如图4所示，在施加±20V电压的场合，压电元件10的顶端最大位移为±32μm。

使用化学成分不同的溅射目标来制作压电薄膜的成分与厚度不同的压电元件，与上述相同来测定各自顶端在z轴方向的上下运动的位移量。而且，此时的下部电极1与上部电极3的材料与厚度和上述压电元件10的情况相同。下面(表1)表示其结果。

表1

从上面(表1)可知，在压电薄膜的化学成分表示为Pb_1+a(Zr_xTi_1-x)O_3+a时，铅的过量摩尔比a在0.2以上、0.6以下的场合，可得到大的位移量，而且，可知锆的成分摩尔比x在0.50以上、0.62以下的场合，能够得到大的位移量。而且，可知压电薄膜的厚度在1.7μm以上的场合，能够得到大的位移量。但是，当压电薄膜的厚度超过7μm时，在压电薄膜形成时，表面的凹凸会很大，很难平坦地形成上部电极3，其结果，稳定地制作位移量偏差小的压电薄膜是很困难的。

作为比较例，使用以往的压电薄膜、其化学成分能够表示为Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃的薄膜，其它的构成与图1相同而作成压电元件，测定施加电压与顶端位移量的关系。其结果在图5中所示。如图5所示，在施加±20V的电压时，该压电元件的顶端位移量最大为±15μm，比本实施形式的压电薄膜的情况要小。另外，该结果在上面(表1)的No.20是作为以往例来举出的。

如上所述，根据本实施形式的压电薄膜，由于是由化学成分表示为Pb_1+a(Zr_xTi_1-x)O_3+a(注：0.2≤a≤0.6、0.50≤x≤0.62)、其构成元素的氧离子、钛离子、锆离子的一部分缺少的具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域24、和没有离子缺少的化学计量成分的钙钛矿型的柱状结晶领域25所构成，由于具有离子缺少的钙钛矿型的柱状结晶领域24，能够缓和结晶内的残留压缩应力，所以，能够得到大的压电位移(位移量)。

[第2实施形式]

其次，对使用本发明的压电薄膜的喷墨头予以说明。

图6是表示本发明的第2实施形式的喷墨头的概略构成图。如图6所示，本实施形式的喷墨头201是由：10个成列并排配置的同形状的墨排出元件202、与各个墨排出元件202的电极相连接且驱动这些墨排出元件202的驱动电源元件203所构成。

图7是表示本发明的第2实施形式的喷墨头所使用的墨排出元件的局剖的分解斜视图。在图7所示的墨排出元件202中，A是压力室部件。在该压力室部件A形成压力室用开口部31。B是覆盖压力室用开口部31的上端开口面(大小为短轴200μm、长轴400μm的椭圆形状)而配置的执行元件部，C是覆盖压力室用开口部31的下端开口面而配置的墨液流路部件。即，压力室部件A的压力室用开口部31由位于其上下的执行元件部B与墨液流路部件C所划分、由此而形成压力室32(厚度0.2mm)。而且，在执行元件部B，在位于压力室32的上方配置分立电极33。而且，在墨液流路部件C形成：共用液室35、将该共用液室35与压力室32连通的供给口36、流出压力室32内的墨液的墨流路37，上述共用液室35是在墨液供给方向并列的多个墨排出元件202的各压力室32之间共用的液室。D是喷嘴板，在该喷嘴板D穿设有连通墨流路37的喷嘴孔38(直径30μm)。使用粘接剂将以上的部件A～D粘接，得到墨排出元件202。另外，在图6中，驱动电源元件203是通过接合线而对多个墨排出元件202的分立电极33供给电压。

其次，边参照图8边对执行元件部B的构成予以说明。图8是表示在本发明的第2实施形式的喷墨头所使用的墨排出元件的执行元件部的图7的VII-VII线剖面图。如图8所示，执行元件部B具有：由位于上方的厚度0.1μm的白金(Pt)薄膜所构成的分立电极33、位于该分立电极33的正下方的厚度3.0μm压电薄膜41、由于该压电薄膜41的压电效果而位移兼作为振动的振动板的共用电极44。这里，作为压电薄膜41的材料，是使用化学成分表示为Pb_1.50(Zr_0.53Ti_0.47)O_3.5的压电材料。而且，兼作为振动板的共用电极44是由导电性物质的铬(Cr)薄膜(厚度3.5μm)构成，在各墨排出元件202的各个压力室32间共用。另外，执行元件部B配置在兼作为振动板的共用电极44与各压电薄膜41之间，并具有使两者牢固紧贴的紧贴层43。该紧贴层43由钛(Ti)薄膜(厚度0.05μm)构成。而且，在上部表面形成分立电极33的压电薄膜41的周围，由和该压电薄膜41相同膜厚的聚酰亚胺树脂构成的电气绝缘有机膜42所覆盖，分立电极33的导线形状部分是在该电气绝缘有机膜42的上部形成。另外，电气绝缘有机膜42由印刷法形成，而其它的薄膜由溅射法形成。

在如上构成的喷墨头201中，从驱动电源元件203通过接合线将电压供给多个墨排出元件202的各分立电极33，由于共用电极44通过压电薄膜41的压电效果而位移振动，共用液室35内的墨液经由供给口36、压力室32、墨流路37而从喷嘴孔38排出。这种场合，因为喷墨头201是使用能够得到大的压电位移(位移量)的压电薄膜41制成，所以，墨液的排出能力高。而且，这样因为墨液的排出能力高，所以能够在电源电压的调整幅度上得到大的余量，因此，能够容易地控制多个墨排出元件202之间的墨液的排出的不均。

[第3实施形式]

其次，对具备本发明的喷墨头的喷墨式记录装置予以说明。

图9是表示本发明的第3实施形式的喷墨式记录装置的整体的概略斜视图。如图9所示，本实施形式的喷墨式记录装置51具备利用压电薄膜的压电效果来进行记录的本实施形式的喷墨头201，通过把从喷墨头201排出的墨滴命中到纸等记录介质52，而能够在记录介质52进行记录。喷墨头201放置在托架54，而该托架54可滑动地安装在沿主扫描方向(图9的X方向)所配置的托架轴53。而且，由于托架54沿托架轴53往复运动，喷墨头201在主扫描方向X往复运动。另外，喷墨式记录装置51具备使记录介质52在与喷墨头201的宽度方向(即，主扫描方向X)的大致垂直方向的副扫描方向Y移动的多个滚轮(记录介质输送装置)55。

如上所述，上述第2实施形式的喷墨头201能够容易地控制多个墨排出元件间的墨液排出的不均，通过使用上述第2实施形式的喷墨头201来构成喷墨式记录装置，因为能够使得对于纸等记录介质52的记录的偏差小，所以能够实现可靠性高的喷墨式记录装置。

产业上的利用可能性

如上所述，若应用本发明，因为可以实现能够得到大的压电位移(位移量)的压电薄膜，所以，能够应用在要求提高墨液排出能力的喷墨头上。