JP2012018994A - Manufacturing method of liquid injection head, liquid injection device, manufacturing method of piezoelectric element, and manufacturing method of composition for piezoelectric material film formation - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a liquid injection head which is small in environmental load and has a piezoelectric material layer with preferred (100) face orientation.SOLUTION: A manufacturing method of a liquid injection head, which includes: a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening to inject liquid; and a piezoelectric element causing pressure change in the pressure generation chamber, includes the steps of: forming a platinum film consisting of platinum in preferred (111) face orientation; and forming a piezoelectric material precursor film by using a composition for piezoelectric material film formation obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing Bi, La, Fe and Mn and containing at least La and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe, on the platinum film. The method further includes the steps of: forming a piezoelectric material layer by calcining the piezoelectric material precursor film; and forming an electrode on the piezoelectric material layer.

Description

本発明は、圧電体層と電極とが設けられた圧電素子を有する液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法並びに圧電体膜形成用組成物の製造方法に関する。   The present invention relates to a manufacturing method of a liquid ejecting head having a piezoelectric element provided with a piezoelectric layer and an electrode, a liquid ejecting apparatus, a manufacturing method of a piezoelectric element, and a manufacturing method of a composition for forming a piezoelectric film.

液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。このようなインクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子は、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。   As a piezoelectric element used in a liquid ejecting head, there is a piezoelectric material that exhibits an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric layer made of a crystallized dielectric material and sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element is mounted on the liquid ejecting head as an actuator device in a flexural vibration mode, for example. As a typical example of a 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 discharged. There is an ink jet recording head that pressurizes and ejects ink droplets from nozzle openings. In the piezoelectric element mounted on such an ink jet recording head, for example, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and this piezoelectric material layer is formed into a pressure generating chamber by a lithography method. There is one in which piezoelectric elements are formed so as to be separated into corresponding shapes and independent for each pressure generating chamber.

このような圧電素子に用いられる圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる(特許文献1参照)。   As a piezoelectric material used for such a piezoelectric element, lead zirconate titanate (PZT) is cited (see Patent Document 1).

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A

しかしながら、前述したチタン酸ジルコン酸鉛には鉛が多量に含まれているため、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑制した圧電材料が求められている。そして、鉛を含有しない圧電材料としては、例えばABOで示されるペロブスカイト構造を有するBiFeOなどがある。 However, since the lead zirconate titanate described above contains a large amount of lead, a piezoelectric material in which the lead content is suppressed is required from the viewpoint of environmental problems. As a piezoelectric material not containing lead, for example, there is BiFeO 3 having a perovskite structure represented by ABO 3 .

ここで、圧電体層の結晶の配向が、変位量や安定性などの液体噴射特性に影響すると考えられており、圧電体層を所望の配向にすることが望まれているが、BiFeO系の圧電材料は、電極材料として使用する白金やイリジウム等の貴金属上で配向膜になり難いという問題がある。なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置等の圧電素子においても同様に存在する。 Here, the orientation of the crystal of the piezoelectric layer, is believed to affect the liquid jet characteristics such as displacement and stability, it is desired that the piezoelectric layer to the desired orientation, BiFeO 3 based This piezoelectric material has a problem that it is difficult to form an alignment film on a noble metal such as platinum or iridium used as an electrode material. Such a problem is not limited to a liquid jet head typified by an ink jet recording head, and similarly exists in a piezoelectric element such as an actuator device mounted in another device.

本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷が小さく且つ(100)面に優先配向した圧電体層を有する液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置及び圧電素子の製造方法並びに圧電体膜形成用組成物の製造方法を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention provides a method for manufacturing a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a method for manufacturing a piezoelectric element, and a method for forming a piezoelectric film having a piezoelectric layer with a small environmental load and preferentially oriented in the (100) plane. It aims at providing the manufacturing method of a composition.

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、(111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程と、前記白金膜上に、Bi、La、Fe、Mnを含み、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物により圧電体前駆体膜を形成する工程と、前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、Bi、La、Fe、Mnを含み、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物を用いて(111)面に優先配向している白金からなる白金膜上に圧電体層を形成することにより、圧電体層を(100)面に優先配向させることができる。また、圧電体層の鉛の含有量を抑えられるため環境への負荷を低減できる。なお、「(100)面に優先配向している」とは、全ての結晶が(100)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、90%以上)が(100)面に配向している場合とを含むものである。同様に、「(111)面に優先配向している」とは、全ての結晶が(111)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、90%以上)が(111)面に配向している場合とを含むものである。
An aspect of the present invention that solves the above-described problem is a method of manufacturing a liquid ejecting head having a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening that ejects liquid and a piezoelectric element that causes a pressure change in the pressure generating chamber. A step of forming a platinum film made of platinum preferentially oriented on the (111) plane; and an xylene solution of an organometallic compound containing Fe, Bi, La, Fe, and Mn and containing at least La and Fe on the platinum film. A step of forming a piezoelectric precursor film with a composition for forming a piezoelectric film obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound contained therein, and a piezoelectric layer is formed by firing the piezoelectric precursor film And a step of forming an electrode on the piezoelectric layer.
In such an embodiment, a piezoelectric film forming composition obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing Bi, La, Fe, and Mn and containing at least La and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe is provided. The piezoelectric layer can be preferentially oriented to the (100) plane by forming a piezoelectric layer on the platinum film made of platinum preferentially oriented to the (111) plane. Moreover, since the lead content in the piezoelectric layer can be suppressed, the load on the environment can be reduced. “Preferentially oriented in the (100) plane” means that all the crystals are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 90% or more) are oriented in the (100) plane. Including the case where Similarly, “preferentially oriented in the (111) plane” means that all the crystals are oriented in the (111) plane and that most crystals (for example, 90% or more) are in the (111) plane. And the case where it is oriented.

また、前記(111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程では、チタンからなるチタン膜上に前記白金膜を形成し、前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程は不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。これによれば、環境への負荷が低減され且つ(100)面に優先配向した圧電体層を有する液体噴射ヘッドを容易に製造することができる。   In the step of forming a platinum film made of platinum preferentially oriented on the (111) plane, the platinum film is formed on a titanium film made of titanium, and the piezoelectric precursor film is baked to form a piezoelectric film. The step of forming the body layer is preferably performed in an inert gas atmosphere. According to this, it is possible to easily manufacture a liquid jet head having a piezoelectric layer with reduced environmental load and preferentially oriented in the (100) plane.

そして、前記圧電体膜形成用組成物は、Biを含有する有機金属化合物のオクタン溶液又はキシレン溶液、及び、Mnを含有する有機金属化合物のオクタン溶液又はキシレン溶液を混合して得られるものであることが好ましい。これによれば、BiやMnを含有する有機金属化合物のオクタン溶液やキシレン溶液を混合した圧電体膜形成用組成物を用いて、環境への負荷が低減され且つ(100)面に優先配向した圧電体層を製造することができる。例えば、Biを含有する有機金属化合物のオクタン溶液及びMnを含有する有機金属化合物のオクタン溶液を混合した圧電体膜形成用組成物を用いることにより、環境への負荷が低減され且つ(100)面に優先配向した圧電体層を形成でき、さらに、圧電体膜形成用組成物の保存安定性及び濡れ性が良好になり、圧電体前駆体膜の塗布ムラを抑制することができる。   The piezoelectric film-forming composition is obtained by mixing an octane solution or xylene solution of an organometallic compound containing Bi and an octane solution or xylene solution of an organometallic compound containing Mn. It is preferable. According to this, by using a composition for forming a piezoelectric film in which an octane solution or xylene solution of an organometallic compound containing Bi or Mn is mixed, the environmental load is reduced and the (100) plane is preferentially oriented. A piezoelectric layer can be manufactured. For example, by using a composition for forming a piezoelectric film in which an octane solution of an organometallic compound containing Bi and an octane solution of an organometallic compound containing Mn are mixed, the burden on the environment is reduced and the (100) plane In addition, the piezoelectric layer preferentially oriented can be formed, the storage stability and wettability of the piezoelectric film-forming composition are improved, and uneven coating of the piezoelectric precursor film can be suppressed.

また、前記圧電体前駆体膜形成用組成物は、ジエタノールアミンを含んでいてもよく、例えば、前記Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液が、ジエタノールアミンを含んでいてもよい。これによれば、環境への負荷が低減され且つ(100)面に優先配向した圧電体層を形成でき、そして、形成される圧電体前駆体膜を厚くすることができるため製造コストを抑制することができる。   The piezoelectric precursor film forming composition may contain diethanolamine. For example, the xylene solution of the organometallic compound containing La may contain diethanolamine. According to this, it is possible to form a piezoelectric layer preferentially oriented in the (100) plane with reduced environmental load, and the formed piezoelectric precursor film can be thickened, thereby suppressing the manufacturing cost. be able to.

本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドの製造方法により製造された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。これによれば、環境への負荷が低減され且つ(100)面に優先配向した圧電体層を有する液体噴射装置となる。   According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head manufactured by the method of manufacturing a liquid ejecting head according to the above aspect. According to this, a liquid ejecting apparatus having a piezoelectric layer with reduced environmental load and preferentially oriented in the (100) plane is obtained.

また、本発明の他の態様は、(111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程と、前記白金膜上に、Bi、La、Fe、Mnを含み、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物により圧電体前駆体膜を形成する工程と、前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。これによれば、Bi、La、Fe、Mnを含み少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物を用いて(111)面に優先配向している白金からなる白金膜上に圧電体層を形成することにより、圧電体層を(100)面に優先配向させることができる。また、圧電体層の鉛の含有量を抑えられるため環境への負荷を低減できる。   Another aspect of the present invention includes a step of forming a platinum film made of platinum preferentially oriented in the (111) plane, and Bi, La, Fe, and Mn are included on the platinum film, and at least La is contained. A step of forming a piezoelectric precursor film by a composition for forming a piezoelectric film obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe, and the piezoelectric precursor film There is provided a method for manufacturing a piezoelectric element, comprising: a step of forming a piezoelectric layer by firing the substrate; and a step of forming an electrode on the piezoelectric layer. According to this, a composition for forming a piezoelectric film obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing Bi, La, Fe, Mn and containing at least La and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe is obtained. The piezoelectric layer can be preferentially oriented to the (100) plane by forming a piezoelectric layer on the platinum film made of platinum preferentially oriented to the (111) plane. Moreover, since the lead content in the piezoelectric layer can be suppressed, the load on the environment can be reduced.

本発明の他の態様は、Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液、Feを含有する有機金属化合物のキシレン溶液、Biを含有する有機金属化合物の溶液及びFeを含有する有機金属化合物の溶液を混合することを特徴とする圧電体膜形成用組成物の製造方法にある。この製造方法により製造された圧電体膜形成用組成物を用いることにより、(100)面に優先配向した圧電体層を形成することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため環境への負荷を低減できる。   In another embodiment of the present invention, a xylene solution of an organometallic compound containing La, a xylene solution of an organometallic compound containing Fe, a solution of an organometallic compound containing Bi, and a solution of an organometallic compound containing Fe are provided. It is in the manufacturing method of the composition for piezoelectric film formation characterized by mixing. By using the composition for forming a piezoelectric film manufactured by this manufacturing method, a piezoelectric layer preferentially oriented in the (100) plane can be formed. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.

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平面図である。FIG. 3 is a plan view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. サンプル1のP−V曲線を表す図である。It is a figure showing the PV curve of the sample 1. FIG. サンプル2のP−V曲線を表す図である。It is a figure showing the PV curve of the sample 2. FIG. サンプル3のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 3. FIG. サンプル4のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 4. FIG. サンプル5のP−V曲線を表す図である。6 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 5. FIG. サンプル6のP−V曲線を表す図である。10 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 6. FIG. サンプル7のP−V曲線を表す図である。It is a figure showing the PV curve of the sample 7. FIG. サンプル8のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 8. FIG. サンプル9のP−V曲線を表す図である。It is a figure showing the PV curve of the sample 9. FIG. サンプル10のP−V曲線を表す図である。4 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 10. FIG. サンプル11のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 11. FIG. サンプル12のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 12. FIG. サンプル13のP−V曲線を表す図である。It is a figure showing the PV curve of the sample 13. FIG. サンプル14のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 14. FIG. サンプル15のP−V曲線を表す図である。5 is a diagram illustrating a PV curve of Sample 15. 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. 実施例1〜2及び比較例1〜2のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 実施例1〜2及び比較例3〜4のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of Examples 1-2 and Comparative Examples 3-4. 実施例4及び実施例5のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of Example 4 and Example 5. FIG. 実施例1〜2及び比較例1〜2の断面及び表面を観察したSEM写真である。It is the SEM photograph which observed the cross section and surface of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 実施例1及び比較例3の断面及び表面を観察したSEM写真である。It is the SEM photograph which observed the cross section and surface of Example 1 and Comparative Example 3. 実施例4及び実施例5の断面及び表面を観察したSEM写真である。It is the SEM photograph which observed the section and surface of Example 4 and Example 5. 実施例1〜2及び比較例1〜2のTG測定結果を示す図である。It is a figure which shows the TG measurement result of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 実施例1及び比較例3のTG測定結果を示す図である。It is a figure which shows the TG measurement result of Example 1 and Comparative Example 3. 実施例1〜2及び比較例1のP−V曲線を示す図である。It is a figure which shows the PV curve of Examples 1-2 and the comparative example 1. FIG. 実施例1及び比較例3のP−V曲線を示す図である。It is a figure which shows the PV curve of Example 1 and Comparative Example 3. 実施例4及び実施例5のP−V曲線を示す図である。It is a figure which shows the PV curve of Example 4 and Example 5. FIG. 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus according to an embodiment of the present invention.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る製造方法によって製造され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の平面図であり、図3は図2のA−A′断面図である。図1〜図3に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head manufactured by a manufacturing method according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the flow path forming substrate 10 of the present embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.

流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13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。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14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。   A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a manifold part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a manifold that becomes a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.

また、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14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱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、ステンレス鋼等からなる。   Further, 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 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded 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、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55が形成されている。   On the other hand, the elastic film 50 is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 as described above, and the insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50. ing.

さらに、この絶縁体膜55上には、第1電極60と、厚さが例えば2μm以下、好ましくは0.3〜1μmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。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、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55及び第1電極60が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や絶縁体膜55を設けなくてもよい。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。   Further, on the insulator film 55, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 which is a thin film having a thickness of 2 μm or less, preferably 0.3 to 1 μm, and a second electrode 80 are laminated. Thus, the piezoelectric element 300 is configured. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the first electrode 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. Also, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm 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 first electrode 60 function as a vibration plate. However, the present invention is not limited to this, and for example, the elastic film 50 and the insulator film 55 are provided. It does not have to be. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

本実施形態においては、第1電極60は(111)面に優先配向している白金を含むものである。そして、本実施形態においては、圧電体層70は、詳しくは後述する所定の圧電体膜形成用組成物を用いて作成されたものであり、ビスマス(Bi)、ランタン(La)、鉄(Fe)及びマンガン(Mn)を含む圧電材料、すなわち、鉄マンガン酸ビスマスランタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物である。なお、ペロブスカイト型構造、すなわち、ABO型構造のAサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっており、このAサイトにBi及びLaが、BサイトにFe及びMnが位置している。 In the present embodiment, the first electrode 60 includes platinum preferentially oriented in the (111) plane. In the present embodiment, the piezoelectric layer 70 is formed using a predetermined piezoelectric film forming composition, which will be described in detail later, and includes bismuth (Bi), lanthanum (La), iron (Fe ) And manganese (Mn), that is, a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth lanthanum iron manganate. Note that the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure is 12-coordinated with oxygen, and the B site is 6-coordinated with oxygen to form an octahedron. Bi and La are located at the site, and Fe and Mn are located at the B site.

また、圧電体層70は、後述する所定の圧電体膜形成用組成物を用いて作成されたものであるので、後述する試験例に示すように、結晶が(100)面に優先配向し、密な膜となっており、また、圧電素子300は良好なヒステリシス特性を有し、インクジェット式記録ヘッドの圧力発生手段として良好なものである。   In addition, since the piezoelectric layer 70 is formed using a predetermined piezoelectric film forming composition described later, as shown in a test example described later, the crystal is preferentially oriented in the (100) plane, The piezoelectric element 300 has a good hysteresis characteristic and is a good pressure generating means for an ink jet recording head.

また、ビスマス(Bi)、ランタン(La)、鉄(Fe)及びマンガン(Mn)を含む圧電体層70は、下記一般式(1)で表される組成比であることが好ましい。下記一般式(1)で表される組成比とすることで、圧電体層70を強誘電体とすることができる。このように、強誘電体であるものを圧電体層70とすると、歪み量の制御が容易になるため、例えば圧電素子を液体噴射ヘッド等に用いた場合、吐出するインク滴サイズ等を容易に制御できる。なお、Bi、La、Fe及びMnを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物は、その組成比によって、強誘電体、反強誘電体、常誘電体という異なる特性を示した。下記一般式(1)の組成比を変えた圧電素子(サンプル1〜18)を作成し、25V又は30Vの三角波を印加して、P(分極量)−V(電圧)の関係を求めた結果をそれぞれ図4〜18に、また組成を表1に示す。なお、サンプル16〜18はリークが大きすぎて測定することができず、圧電材料としては使用できないものであった。図4〜図14に示すように、0.10≦x≦0.20,0.01≦y≦0.09の範囲であるサンプル1〜11では、強誘電体に特徴的なヒステリシスループ形状が観測された。したがって、サンプル1〜11は、歪み量が印加電圧に対して直線的に変化するため、歪み量の制御が容易である。一方、下記一般式(1)において0.10≦x≦0.20,0.01≦y≦0.09の範囲外であるサンプル12〜14は、図15〜17に示すように反強誘電体に特徴的な正の電界方向と負の電界方向で2つのヒステリシスループ形状を持つダブルヒステリシスが観測されたため反強誘電体であり、サンプル15は図18に示すように常誘電体であり、また、サンプル16〜18は上述したようにリークが大きすぎで圧電材料としては使用できないものであり、サンプル12〜18のいずれも強誘電体ではなかった。
(Bi1-x,Lax)(Fe1-y,Mny)O3 (1)
(0.10≦x≦0.20,0.01≦y≦0.09)
The piezoelectric layer 70 containing bismuth (Bi), lanthanum (La), iron (Fe), and manganese (Mn) preferably has a composition ratio represented by the following general formula (1). By setting the composition ratio represented by the following general formula (1), the piezoelectric layer 70 can be made a ferroelectric substance. As described above, if the piezoelectric layer is the piezoelectric layer 70, the amount of strain can be easily controlled. For example, when a piezoelectric element is used in a liquid ejecting head or the like, the size of the ink droplets to be discharged can be easily set. Can be controlled. Note that the composite oxide having a perovskite structure including Bi, La, Fe, and Mn exhibited different characteristics such as a ferroelectric, an antiferroelectric, and a paraelectric depending on the composition ratio. Results of creating piezoelectric elements (samples 1 to 18) with different composition ratios of the following general formula (1), applying a 25 V or 30 V triangular wave, and determining the relationship of P (polarization amount) −V (voltage) Are shown in FIGS. 4 to 18 and the composition is shown in Table 1. Samples 16 to 18 were too leaky to be measured and could not be used as piezoelectric materials. As shown in FIGS. 4 to 14, in samples 1 to 11 in the ranges of 0.10 ≦ x ≦ 0.20 and 0.01 ≦ y ≦ 0.09, the hysteresis loop shape characteristic of the ferroelectric has Observed. Therefore, in the samples 1 to 11, since the distortion amount linearly changes with respect to the applied voltage, the distortion amount can be easily controlled. On the other hand, samples 12 to 14 outside the range of 0.10 ≦ x ≦ 0.20 and 0.01 ≦ y ≦ 0.09 in the following general formula (1) are antiferroelectric as shown in FIGS. Since the double hysteresis having two hysteresis loop shapes in the positive electric field direction and the negative electric field direction characteristic of the body was observed, it is an antiferroelectric material, and the sample 15 is a paraelectric material as shown in FIG. In addition, as described above, samples 16 to 18 were too leaky to be used as a piezoelectric material, and none of samples 12 to 18 was a ferroelectric material.
(Bi 1-x, La x ) (Fe 1-y, Mn y) O 3 (1)
(0.10 ≦ x ≦ 0.20, 0.01 ≦ y ≦ 0.09)

ここで、自発分極が互い違いに並んでいる物質である反強誘電体、すなわち、電界誘起相転移を示すものを圧電体層とした場合、一定印加電圧以上で電界誘起相転移を示し、大きな歪みを発現するため、強誘電体を超える大きな歪みを得ることが可能であるが、一定電圧以下では駆動せず、歪み量も電圧に対して直線的に変化しない。なお、電界誘起相転移とは、電場によって起こる相転移であり、反強誘電相から強誘電相への相転移や、強誘電相から反強誘電相への相転移を意味する。そして、強誘電相とは、分極軸が同一方向に並んでいる状態であり、反強誘電相とは分極軸が互い違いに並んでいる状態である。例えば、反強誘電相から強誘電相への相転移は、反強誘電相の互い違いに並んでいる分極軸が180度回転することにより分極軸が同一方向になって強誘電相になることであり、このような電界誘起相転移によって格子が膨張又は伸縮して生じる歪みが、電界誘起相転移により生じる相転移歪みである。このような電界誘起相転移を示すものが反強誘電体であり、換言すると、電場のない状態では分極軸が互い違いに並んでおり、電場により分極軸が回転して同一方向に並ぶものが反強誘電体である。このような反強誘電体は、反強誘電体の分極量Pと電圧Vの関係を示すP−V曲線において、正の電界方向と負の電界方向で2つのヒステリシスループ形状を持つダブルヒステリシスとなる。そして、分極量が急激に変化している領域が、強誘電相から反強誘電相への相転移や、反強誘電相から強誘電相への相転移している箇所である。   Here, when an antiferroelectric material, which is a substance in which spontaneous polarization is arranged in a staggered manner, that is, a material that exhibits an electric field induced phase transition is used as a piezoelectric layer, it exhibits an electric field induced phase transition at a certain applied voltage or more and a large distortion Therefore, it is possible to obtain a large strain exceeding that of the ferroelectric material, but it is not driven below a certain voltage, and the amount of strain does not change linearly with respect to the voltage. The electric field induced phase transition is a phase transition caused by an electric field, and means a phase transition from an antiferroelectric phase to a ferroelectric phase or a phase transition from a ferroelectric phase to an antiferroelectric phase. The ferroelectric phase is a state where the polarization axes are aligned in the same direction, and the anti-ferroelectric phase is a state where the polarization axes are aligned alternately. For example, the phase transition from the antiferroelectric phase to the ferroelectric phase is caused by the fact that the polarization axes arranged in a staggered manner in the antiferroelectric phase rotate 180 degrees, so that the polarization axes become the same direction and become a ferroelectric phase. A strain generated by expansion or expansion / contraction of the lattice due to the electric field induced phase transition is a phase transition strain generated by the electric field induced phase transition. Antiferroelectric materials exhibit such an electric field-induced phase transition, in other words, the polarization axes are staggered in the absence of an electric field, and the polarization axes are rotated in the same direction by the electric field. It is a ferroelectric material. Such an antiferroelectric material has a double hysteresis having two hysteresis loop shapes in a positive electric field direction and a negative electric field direction in a PV curve indicating a relationship between the polarization amount P and the voltage V of the antiferroelectric material. Become. A region where the amount of polarization changes abruptly is a portion where the phase transition from the ferroelectric phase to the antiferroelectric phase or the phase transition from the antiferroelectric phase to the ferroelectric phase occurs.

一方、強誘電体は、反強誘電体のようにP−V曲線がダブルヒステリシスとはならず、分極方向を一方向に揃えることで歪み量が印加電圧に対して直線的に変化する。したがって、歪み量の制御が容易なので吐出させる液滴サイズ等の制御も容易であり、微振動を発生させる小振幅振動及び大きな排除体積を発生させる大振幅振動の両者を一つの圧電素子により発生させることができる。   On the other hand, in the ferroelectric material, the PV curve does not become double hysteresis unlike the antiferroelectric material, and the strain amount changes linearly with respect to the applied voltage by aligning the polarization direction in one direction. Therefore, since it is easy to control the amount of distortion, it is easy to control the size of droplets to be ejected, and a single piezoelectric element generates both small amplitude vibrations that generate fine vibrations and large amplitude vibrations that generate large excluded volumes. be able to.

そして、圧電体層70は、粉末X線回折測定した際、該回折パターンにおいて、強誘電性を示す相(強誘電相)に帰属される回折ピークと、反強誘電性を示す相(反強誘電相)に帰属される回折ピークが同時に観測されることが好ましい。このように、強誘電性を示す相に帰属される回折ピークと、反強誘電性を示す相に帰属される回折ピークが同時に観測される、すなわち、反強誘電相と強誘電相の組成相境界(M.P.B.)である圧電体層70とすると、歪み量の大きな圧電素子とすることができる。また、圧電体層70は、上記一般式(1)において、0.17≦x≦0.20であることが好ましく、更に好ましくは、0.19≦x≦0.20である。この範囲では、粉末X線回折測定した際に、強誘電性を示す相(強誘電相)に帰属される回折ピークと、反強誘電性を示す相(反強誘電相)に帰属される回折ピークが同時に観測され反強誘電相と強誘電相を同時に示す。したがって、反強誘電相と強誘電相のM.P.B.であるため、歪み量の大きな圧電素子とすることができる。   When the piezoelectric layer 70 is measured by powder X-ray diffraction, in the diffraction pattern, a diffraction peak attributed to a phase exhibiting ferroelectricity (ferroelectric phase) and a phase exhibiting antiferroelectricity (antiferroelectric) It is preferred that the diffraction peaks attributed to the (dielectric phase) are observed simultaneously. Thus, a diffraction peak attributed to a phase exhibiting ferroelectricity and a diffraction peak attributed to a phase exhibiting antiferroelectricity are simultaneously observed, that is, a composition phase of an antiferroelectric phase and a ferroelectric phase. When the piezoelectric layer 70 is the boundary (MPB), a piezoelectric element with a large amount of strain can be obtained. In the general formula (1), the piezoelectric layer 70 preferably satisfies 0.17 ≦ x ≦ 0.20, and more preferably 0.19 ≦ x ≦ 0.20. In this range, when powder X-ray diffraction measurement is performed, a diffraction peak attributed to a phase exhibiting ferroelectricity (ferroelectric phase) and a diffraction attributed to a phase exhibiting antiferroelectricity (antiferroelectric phase) Peaks are observed at the same time, indicating both antiferroelectric and ferroelectric phases. Therefore, M. of antiferroelectric phase and ferroelectric phase. P. B. Therefore, a piezoelectric element with a large amount of strain can be obtained.

このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。   Each second electrode 80 that is an individual electrode of the piezoelectric element 300 is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended to the insulator film 55, for example, gold (Au). The lead electrode 90 which consists of etc. is connected.

このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。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)にマニホールドと各圧力発生室12とを連通するインク供給路14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, that is, on the first electrode 60 and the lead electrode 90, the protective substrate 30 having the manifold portion 31 constituting at least a part of the manifold 100 is bonded. It is joined via the agent 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 31 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and a manifold and a member (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 are provided. An ink supply path 14 that communicates with each pressure generating chamber 12 may be provided.

また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。   A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.

このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。   As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.

また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。   The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.

また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。   A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   In such an ink jet recording head I 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 manifold 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink, and then driven. In accordance with a recording signal from the circuit 120, a voltage is applied between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulator film 55, the first electrode 60, and the piezoelectric film are applied. By flexing and deforming the body layer 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図19〜図23を参照して説明する。なお、図19〜図23は、圧力発生室の長手方向の断面図である。   Next, an example of a method for manufacturing the ink jet recording head of this embodiment will be described with reference to FIGS. 19 to 23 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.

まず、図19(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO2)等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、図19(b)に示すように、弾性膜50上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を反応性スパッタ法や熱酸化等で形成する。次に、絶縁体膜55上に、チタン等からなる密着層56を、DCスパッタ法やイオンスパッタ法等で形成する。 First, as shown in FIG. 19A, a silicon dioxide film made of silicon dioxide (SiO 2 ) constituting the elastic film 50 is formed by thermal oxidation or the like on the surface of a flow path forming substrate wafer 110 that is a silicon wafer. To do. Next, as shown in FIG. 19B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50 by a reactive sputtering method, thermal oxidation, or the like. Next, an adhesion layer 56 made of titanium or the like is formed on the insulator film 55 by a DC sputtering method, an ion sputtering method, or the like.

次に、図20(a)に示すように、密着層56上に、(111)面に優先配向した白金からなる白金膜57をスパッタリング法等により全面に形成する。この白金膜57が第1電極60となる。   Next, as shown in FIG. 20A, a platinum film 57 made of platinum preferentially oriented on the (111) plane is formed on the entire surface of the adhesion layer 56 by sputtering or the like. This platinum film 57 becomes the first electrode 60.

次いで、白金膜57上に、圧電体層70を積層する。圧電体層70は、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて形成できる。具体的には、所定の圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)により圧電体前駆体膜を形成し、圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることにより、圧電体層70を形成できる。   Next, the piezoelectric layer 70 is laminated on the platinum film 57. The piezoelectric layer 70 can be formed using a chemical solution method such as a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sol-gel method. Specifically, a piezoelectric precursor film is formed with a predetermined piezoelectric film forming composition (precursor solution), and the piezoelectric precursor film is baked and crystallized to form the piezoelectric layer 70. it can.

そして、本発明においては、圧電体膜形成用組成物は、Bi、La、Fe、Mnを含むものであって、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られるものである。具体的には、Laを含有する有機金属化合物をキシレンを含む溶媒に溶解又は分散させた溶液、Feを含有する有機金属化合物をキシレンを含む溶媒に溶解又は分散させた溶液、Biを含有する有機金属化合物を有機溶媒に溶解又は分散させた溶液、及び、Mnを含有する有機金属化合物を有機溶媒に溶解又は分散させた溶液を原料溶液とし、これら原料溶液を混合することにより得られるゾルやMOD溶液(前駆体溶液)等である。   In the present invention, the piezoelectric film-forming composition contains Bi, La, Fe, and Mn, and is an xylene solution of an organometallic compound containing at least La and an organometallic compound containing Fe. It is obtained by mixing a xylene solution. Specifically, a solution in which an organometallic compound containing La is dissolved or dispersed in a solvent containing xylene, a solution in which an organometallic compound containing Fe is dissolved or dispersed in a solvent containing xylene, and an organic containing Bi A solution obtained by dissolving or dispersing a metal compound in an organic solvent and a solution obtained by dissolving or dispersing an organometallic compound containing Mn in an organic solvent are used as a raw material solution, and a sol or MOD obtained by mixing these raw material solutions. A solution (precursor solution).

このように、Laの原料溶液及びFeの原料溶液の溶媒をキシレンを含むもの(例えばキシレンが60質量%以上)とすることにより、(100)面に結晶が優先配向し、Bi、La、Fe及びMnを含有したペロブスカイト型構造の圧電材料からなる圧電体層70を製造することができる。一方、Laの原料溶液及びFeの原料溶液の溶媒がキシレンを含まない場合は、圧電体層を(100)面に優先配向させることはできず、例えば、Laの原料溶液及びFeの原料溶液の溶媒をオクタンやブタノール等とすると、(100)面と(111)面に結晶が配向したランダムな圧電体層となり、良好なヒステリシス特性を有さない圧電素子となる。ここで重要なのは、Laの原料溶液及びFeの原料溶液の溶媒がキシレンを含んでいることであり、例えばBiの原料溶液やMnの原料溶液の溶媒としてキシレンを用い、各元素の原料溶液を混合した混合溶液全体としてキシレンを含むものとなっていたとしても、Laの原料溶液及びFeの原料溶液の溶媒がキシレンを含まない場合は、後述する比較例に示すように、圧電体層を(100)面に優先配向したものとすることはできない。このように、Laの原料溶液やFeの原料溶液の溶媒により製造される圧電体層の配向が異なる機構は不明だが、キシレンを含む溶媒とした場合とキシレンを含まない場合とで、LaやFeの形態が異なるためと推測される。なお、Bi、La、FeやMnの各原料溶液の金属濃度は特に限定されないが、例えば、2〜20質量%程度とすればよい。また、Biの原料溶液、Laの原料溶液、Feの原料溶液及びMnの原料溶液の混合割合は特に限定されず、Bi、La、Fe及びMnが所望のモル比となるように混合すればよいが、例えば、Biの原料溶液:Laの原料溶液:Feの原料溶液:Mnの原料溶液=30〜45:5〜20:45〜55:0.5〜4(体積比,原料が同一のモル濃度である場合)程度とすればよい。   Thus, by setting the solvent of the La raw material solution and the Fe raw material solution to contain xylene (for example, 60% by mass or more of xylene), crystals are preferentially oriented on the (100) plane, and Bi, La, Fe And a piezoelectric layer 70 made of a piezoelectric material having a perovskite structure containing Mn. On the other hand, when the solvent of the La raw material solution and the Fe raw material solution does not contain xylene, the piezoelectric layer cannot be preferentially oriented to the (100) plane. For example, the La raw material solution and the Fe raw material solution When the solvent is octane, butanol or the like, a random piezoelectric layer in which crystals are oriented on the (100) plane and the (111) plane is formed, and a piezoelectric element having no good hysteresis characteristics is obtained. What is important here is that the solvent of the La raw material solution and the Fe raw material solution contains xylene. For example, xylene is used as the solvent of the Bi raw material solution or the Mn raw material solution, and the raw material solutions of the respective elements are mixed. Even if the mixed solution as a whole contains xylene, when the solvent of the La raw material solution and the Fe raw material solution does not contain xylene, the piezoelectric layer (100 ) It cannot be preferentially oriented on the surface. Thus, although the mechanism by which the orientation of the piezoelectric layer produced by the solvent of the La raw material solution or the Fe raw material solution differs is unknown, La and Fe are different depending on whether the solvent contains xylene or not. This is presumed to be due to the different forms. In addition, although the metal concentration of each raw material solution of Bi, La, Fe, and Mn is not specifically limited, For example, what is necessary is just to be about 2-20 mass%. Further, the mixing ratio of the Bi raw material solution, the La raw material solution, the Fe raw material solution, and the Mn raw material solution is not particularly limited, and Bi, La, Fe, and Mn may be mixed so as to have a desired molar ratio. For example, Bi raw material solution: La raw material solution: Fe raw material solution: Mn raw material solution = 30 to 45: 5 to 20:45 to 55: 0.5 to 4 (volume ratio, moles with the same raw material) (If it is a concentration)

また、BiやMnを含有する有機金属化合物の溶液の溶媒、すなわち、Biの原料溶液の溶媒や、Mnの原料溶液の溶媒としては、例えば、オクタン、キシレンやこれらの混合溶媒が挙げられるが、オクタンを含むことが好ましい。BiやMnの原料溶液の溶媒としてオクタンを用いると、圧電体膜形成用組成物の保存安定性が良好になり、また、形成される圧電体前駆体膜の塗布ムラも生じず、均一な厚さの圧電体層70を形成することができるためである。   Examples of the solvent of the organometallic compound solution containing Bi and Mn, that is, the solvent of the Bi raw material solution and the solvent of the Mn raw material solution include, for example, octane, xylene and a mixed solvent thereof. Preferably it contains octane. When octane is used as the solvent for the Bi or Mn raw material solution, the storage stability of the composition for forming a piezoelectric film is improved, and there is no uneven coating of the formed piezoelectric precursor film. This is because the piezoelectric layer 70 can be formed.

また、圧電体膜形成用組成物に、ジエタノールアミンを含有させてもよい。ジエタノールアミンを含有すると、形成される圧電体前駆体膜を厚くできる。したがって、複数の圧電体前駆体膜を積層して圧電体層70を形成する場合に、圧電体前駆体膜の積層回数が少なくても比較的厚い圧電体層70を製造することができるため、製造コストを抑制することができる。   Further, the composition for forming a piezoelectric film may contain diethanolamine. When diethanolamine is contained, the formed piezoelectric precursor film can be thickened. Therefore, when the piezoelectric layer 70 is formed by laminating a plurality of piezoelectric precursor films, the relatively thick piezoelectric layer 70 can be manufactured even if the number of times of lamination of the piezoelectric precursor films is small. Manufacturing cost can be suppressed.

また、圧電体膜形成用組成物に、ポリエチレングリコールを含有させてもよい。ポリエチレングリコールを含有すると、形成される圧電体層70のクラックの発生を抑制することができる。   In addition, the composition for forming a piezoelectric film may contain polyethylene glycol. When polyethylene glycol is contained, the occurrence of cracks in the formed piezoelectric layer 70 can be suppressed.

ジエタノールアミンやポリエチレングリコールは、原料溶液、例えば、Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液に含有させてもよく、また、Bi、La、Fe、Mnの原料溶液を混合して得た混合溶液に添加するようにしてもよい。ジエタノールアミンやポリエチレングリコールの配合割合は特に限定されないが、Laの原料溶液やFeの原料溶液、すなわち、Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液やFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液に含有させる場合は、それぞれ、キシレンの含有割合が各原料溶液の溶媒に対して60質量%以上となるようにすることが好ましい。また、Bi、La、Fe、Mnの原料溶液を混合して得られる混合溶液に、ジエタノールアミンやポリエチレングリコールを添加する場合は、混合溶液:ジエタノールアミンまたはポリエチレングリコール=100:1〜10(体積比)程度とすればよい。なお、圧電体膜形成用組成物にジエタノールアミンやポリエチレングリコールを含有させても、圧電体層70の結晶の(100)面優先配向や緻密性を維持できる。また、このジエタノールアミンやポリエチレングリコールは、原料溶液の溶媒と同様に、焼成する際に消失し、圧電体層70には残存しないものである。   Diethanolamine or polyethylene glycol may be contained in a raw material solution, for example, a xylene solution of an organometallic compound containing La, or added to a mixed solution obtained by mixing Bi, La, Fe, and Mn raw material solutions. You may make it do. The mixing ratio of diethanolamine or polyethylene glycol is not particularly limited, but when it is contained in a La raw material solution or a Fe raw material solution, that is, a xylene solution of an organometallic compound containing La or a xylene solution of an organometallic compound containing Fe Preferably, the xylene content is 60% by mass or more based on the solvent of each raw material solution. Moreover, when adding diethanolamine and polyethylene glycol to the mixed solution obtained by mixing the raw material solutions of Bi, La, Fe, and Mn, the mixed solution: diethanolamine or polyethylene glycol = 100: 1 to 10 (volume ratio) And it is sufficient. Even if diethanolamine or polyethylene glycol is included in the composition for forming a piezoelectric film, the (100) plane preferential orientation and denseness of the crystals of the piezoelectric layer 70 can be maintained. Further, the diethanolamine or polyethylene glycol disappears upon firing and does not remain in the piezoelectric layer 70, like the solvent of the raw material solution.

Bi、La、Fe、Mnをそれぞれ含有する有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Biを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。Laを含む有機金属化合物としては、2−エチルヘキサン酸ランタンなどが挙げられる。Feを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。Mnを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガンなどが挙げられる。勿論、Bi、La、FeやMnを2種以上含有する有機金属化合物を用いてもよい。   As the organometallic compound containing Bi, La, Fe, and Mn, for example, metal alkoxide, organic acid salt, β-diketone complex, and the like can be used. Examples of the organometallic compound containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing La include lanthanum 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Fe include iron 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate. Of course, an organometallic compound containing two or more of Bi, La, Fe and Mn may be used.

圧電体層70の具体的な形成手順例としては、まず、図20(b)に示すように、白金膜57上に、上記圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)を、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法等を用いて、塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。   As a specific example of the procedure for forming the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 20B, the piezoelectric film forming composition (precursor solution) is applied onto the platinum film 57 by spin coating. The piezoelectric precursor film 71 is formed by coating using a dip coating method, an ink jet method, or the like (coating step).

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、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。 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). The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the piezoelectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O or the like. The atmosphere in the drying process or the degreasing process is not limited, and it may be in the air or in an inert gas.

次に、図20(c)に示すように、不活性ガス雰囲気中で、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば600〜800℃程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)。ここで、不活性ガス雰囲気とは、ヘリウム、アルゴン等の希ガス、窒素ガス等の不活性ガスや、これらの混合ガス雰囲気である。加熱装置内を不活性ガスで置換した状態でも、加熱装置内に不活性ガスをフローさせた状態でもよい。また、不活性ガス濃度は100%でなくてもよく、例えば、酸素濃度が20%未満である。この焼成工程を不活性ガス雰囲気中で行わない場合は、圧電体層70を(100)面に優先配向させることはできない。   Next, as shown in FIG. 20 (c), the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature, for example, about 600 to 800 ° C. and held for a certain period of time in an inert gas atmosphere. The piezoelectric film 72 is formed (firing process). Here, the inert gas atmosphere is a rare gas such as helium or argon, an inert gas such as nitrogen gas, or a mixed gas atmosphere thereof. It may be in a state where the inside of the heating apparatus is replaced with an inert gas or in a state where an inert gas is allowed to flow in the heating apparatus. Further, the inert gas concentration may not be 100%, for example, the oxygen concentration is less than 20%. If this firing step is not performed in an inert gas atmosphere, the piezoelectric layer 70 cannot be preferentially oriented in the (100) plane.

なお、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、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。   In addition, as a heating apparatus used by a drying process, a degreasing process, and a baking process, the RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus, a hotplate, etc. which heat by irradiation of an infrared lamp are mentioned, for example.

次に、図21(a)に示すように、圧電体膜72上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして第1電極60及び圧電体膜72の1層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 21A, the side surfaces of the first electrode 60 and the first layer of the piezoelectric film 72 are inclined on the piezoelectric film 72 using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask. Pattern simultaneously.

次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図21(b)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。例えば、塗布溶液の1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、1層のみでもよい。   Next, after peeling off the resist, the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and baking process are repeated a plurality of times according to the desired film thickness, etc. As shown in FIG. 21B, the piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed. For example, when the film thickness of the coating solution per one time is about 0.1 μm, for example, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the ten piezoelectric films 72 is about 1.1 μm. In the present embodiment, the piezoelectric film 72 is provided by being laminated, but only one layer may be provided.

なお、圧電体前駆体膜71を結晶化する工程を経る際に、焼成条件等によっては、白金からなる白金膜57は、白金を含み、チタンの拡散の程度によってはチタンや酸化チタンも含む白金層となる。また、拡散したチタンにより、白金層と圧電体層70との間に、酸化チタンを含む層が形成される場合がある。また、白金層の流路形成基板10側に、拡散しなかったチタンにより、酸化チタンを含む層が形成される場合がある。これらの酸化チタンを含む層は、完全な層状に限らず、例えばアイランド状となる場合がある。   Note that when passing through the step of crystallizing the piezoelectric precursor film 71, depending on the firing conditions, the platinum film 57 made of platinum contains platinum, and depending on the degree of titanium diffusion, platinum also contains titanium and titanium oxide. Become a layer. In addition, a layer containing titanium oxide may be formed between the platinum layer and the piezoelectric layer 70 by the diffused titanium. Moreover, a layer containing titanium oxide may be formed on the flow path forming substrate 10 side of the platinum layer by titanium that has not diffused. The layer containing titanium oxide is not limited to a complete layer shape, and may have an island shape, for example.

このように圧電体層70を形成した後は、図22(a)に示すように、圧電体層70上に白金等からなる第2電極80をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室12に対向する領域に圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして、第1電極60と圧電体層70と第2電極80からなる圧電素子300を形成する。なお、圧電体層70と第2電極80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、600℃〜700℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。   After the piezoelectric layer 70 is formed in this way, as shown in FIG. 22A, a second electrode 80 made of platinum or the like is formed on the piezoelectric layer 70 by sputtering or the like, and each pressure generating chamber 12 is formed. Then, the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 are simultaneously patterned in a region opposite to each other to form the piezoelectric element 300 including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. The patterning of the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 can be performed collectively by dry etching via a resist (not shown) formed in a predetermined shape. Thereafter, post-annealing may be performed in a temperature range of 600 ° C. to 700 ° C. as necessary. Thereby, a good interface between the piezoelectric layer 70 and the first electrode 60 or the second electrode 80 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 70 can be improved.

次に、図22(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 22B, a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the wafer 110 for flow path forming substrate, and then a mask pattern made of, for example, a resist or the like. Patterning is performed for each piezoelectric element 300 via (not shown).

次に、図22(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚さに薄くする。   Next, as shown in FIG. 22 (c), a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is disposed on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive 35. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

次に、図23(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 23A, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.

そして、図23(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。   Then, as shown in FIG. 23B, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52, whereby the piezoelectric element 300 is formed. Corresponding pressure generating chambers 12, communication portions 13, ink supply passages 14, communication passages 15 and the like are formed.

その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー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ー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面のマスク膜52を除去した後にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー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ー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I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. Then, after removing the mask film 52 on the surface opposite to the protective substrate wafer 130 of the flow path forming substrate wafer 110, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed therein is bonded, and the protective substrate wafer 130 is also formed. The compliance substrate 40 is bonded to the substrate, and the flow path forming substrate wafer 110 or the like is divided into a single chip size flow path forming substrate 10 or the like as shown in FIG. To do.

以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
(圧電体膜形成用組成物の作成)
2−エチルヘキサン酸ビスマスの12質量%オクタン溶液、2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%キシレン溶液、2−エチルヘキサン酸鉄の5質量%キシレン溶液、2−エチルヘキサン酸マンガンの5質量%オクタン溶液を、体積比で29:35:35:1の割合で混合して、圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)を調製した。
Example 1
(Preparation of composition for forming piezoelectric film)
12% by weight octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, 2% by weight xylene solution of lanthanum 2-ethylhexanoate, 5% by weight xylene solution of iron 2-ethylhexanoate, 5% by weight octane of manganese 2-ethylhexanoate The solution was mixed at a volume ratio of 29: 35: 35: 1 to prepare a piezoelectric film forming composition (precursor solution).

(圧電素子の作成)
まず、単結晶シリコン基板の表面に熱酸化により二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にスパッタ法により膜厚400nmの酸化ジルコニウム膜を形成した。次いで、酸化ジルコニウム膜上に、スパッタ法により膜厚20nmのチタン膜を形成した。次に、チタン膜上にスパッタ法により膜厚130nmの白金膜を形成した。
(Creation of piezoelectric element)
First, a silicon dioxide film was formed on the surface of a single crystal silicon substrate by thermal oxidation. Next, a 400-nm-thick zirconium oxide film was formed on the silicon dioxide film by sputtering. Next, a 20 nm-thick titanium film was formed on the zirconium oxide film by sputtering. Next, a platinum film having a thickness of 130 nm was formed on the titanium film by sputtering.

次いで、白金膜上に圧電体層をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、上記圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)を白金膜が形成された上記基板上に滴下し、最初は500rpmで5秒間、次に、1500rpmで30秒基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に、大気中、150℃で2分間、350℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、加熱装置内を5L/分の流量の窒素でフローしたRapid Thermal Annealing (RTA)で650℃、2分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を4回繰り返し、その後、加熱装置内を5L/分の流量の窒素でフローしたRTAで650℃、5分間焼成を行うことで、計12回の塗布により圧電体層を形成した。なお、圧電体層は、全体で厚さ480nmであった。   Next, a piezoelectric layer was formed on the platinum film by spin coating. The method is as follows. First, the piezoelectric film-forming composition (precursor solution) is dropped onto the substrate on which the platinum film is formed, and the piezoelectric body is first rotated at 500 rpm for 5 seconds and then at 1500 rpm for 30 seconds. A precursor film was formed (application process). Next, drying and degreasing were performed in air at 150 ° C. for 2 minutes and at 350 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this coating process, drying, and degreasing process three times, firing was performed at 650 ° C. for 2 minutes using Rapid Thermal Annealing (RTA) in which the inside of the heating apparatus was flowed with nitrogen at a flow rate of 5 L / min (baking process). This coating process, drying and degreasing process are repeated 3 times, and then the process of performing a baking process is performed 4 times, and then the heating apparatus is 650 ° C. with RTA flowed with nitrogen at a flow rate of 5 L / min. By baking for 5 minutes, a piezoelectric layer was formed by a total of 12 coatings. The piezoelectric layer as a whole had a thickness of 480 nm.

その後、圧電体層上に、第2電極としてスパッタ法により膜厚100nmの白金膜を形成した後、加熱装置内を5L/分の流量の窒素でフローしたRTAで650℃、5分間焼成を行うことで、x=0.19、y=0.03の上記一般式(1)で表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層とする圧電素子を形成した。   Thereafter, a platinum film having a film thickness of 100 nm is formed as a second electrode on the piezoelectric layer by sputtering, and then baked at 650 ° C. for 5 minutes in an RTA flowed with nitrogen at a flow rate of 5 L / min. Thus, a piezoelectric element having a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure represented by the above general formula (1) where x = 0.19 and y = 0.03 was formed.

(実施例2)
2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸ランタンの5質量%キシレンとアミルアルコールとジエタノールアミンとの混合溶媒溶液(キシレン:アミルアルコール:ジエタノールアミン=70:25:5(質量比))を用いた以外は、実施例1と同様にして、圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)を調製した。また、実施例1と同様にして、単結晶シリコン基板上に順に二酸化シリコン膜、酸化ジルコニウム膜、チタン膜及び白金膜を形成した。次いで、白金膜上に圧電体層をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、上記圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)を白金膜が形成された上記基板上に滴下し、最初は500rpmで5秒間、次に、1500rpmで30秒基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に、大気中、150℃で2分間、350℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を2回繰り返した後に、加熱装置内を5L/分の流量の窒素でフローしたRapid Thermal Annealing (RTA)で650℃、2分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を2回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、その後、加熱装置内を5L/分の流量の窒素でフローしたRTAで650℃、5分間焼成を行うことで、計6回の塗布により圧電体層を形成した。なお、圧電体層の厚さは、450nmであった。
(Example 2)
Instead of a 2% by weight xylene solution of lanthanum 2-ethylhexanoate, a mixed solvent solution of 5% by weight xylene of lanthanum 2-ethylhexanoate, amyl alcohol and diethanolamine (xylene: amyl alcohol: diethanolamine = 70: 25: 5 A composition for forming a piezoelectric film (precursor solution) was prepared in the same manner as in Example 1 except that (mass ratio) was used. In the same manner as in Example 1, a silicon dioxide film, a zirconium oxide film, a titanium film, and a platinum film were sequentially formed on a single crystal silicon substrate. Next, a piezoelectric layer was formed on the platinum film by spin coating. The method is as follows. First, the piezoelectric film-forming composition (precursor solution) is dropped onto the substrate on which the platinum film is formed, and the piezoelectric body is first rotated at 500 rpm for 5 seconds and then at 1500 rpm for 30 seconds. A precursor film was formed (application process). Next, drying and degreasing were performed in air at 150 ° C. for 2 minutes and at 350 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this coating process, drying, and degreasing process twice, baking was performed at 650 ° C. for 2 minutes using Rapid Thermal Annealing (RTA) in which the inside of the heating apparatus was flowed with nitrogen at a flow rate of 5 L / min (baking process). This coating process, drying and degreasing process are repeated twice, and then the process of performing a baking process is performed three times. Thereafter, the inside of the heating apparatus is 650 ° C. with RTA flowed with nitrogen at a flow rate of 5 L / min. By baking for 5 minutes, a piezoelectric layer was formed by a total of 6 coatings. The thickness of the piezoelectric layer was 450 nm.

(実施例3)
2−エチルヘキサン酸ビスマスの12質量%オクタン溶液の代わりに2−エチルヘキサン酸ビスマスの12質量%キシレン溶液を用い、2−エチルヘキサン酸マンガンの5質量%オクタン溶液の代わりに2−エチルヘキサン酸マンガンの5質量%キシレン溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、480nmであった。
(Example 3)
A 12% by weight xylene solution of bismuth 2-ethylhexanoate was used instead of the 12% by weight octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, and 2-ethylhexanoic acid was used instead of the 5% by weight octane solution of manganese 2-ethylhexanoate. A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 1 except that a 5 mass% xylene solution of manganese was used. The thickness of the piezoelectric layer was 480 nm.

(実施例4)
実施例1の圧電体膜形成用組成物に、ジエタノールアミンを、実施例1の圧電体膜形成用組成物:ジエタノールアミン=95:5(体積比)となるように添加し、実施例4の圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)とした。そして、この圧電体膜形成用組成物を用いて、実施例1と同様の方法で、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、570nmであった。
Example 4
To the composition for forming a piezoelectric film of Example 1, diethanolamine was added so that the composition for forming a piezoelectric film of Example 1: diethanolamine = 95: 5 (volume ratio), and the piezoelectric material of Example 4 was added. A film-forming composition (precursor solution) was obtained. And the piezoelectric element was formed by the method similar to Example 1 using this composition for piezoelectric film formation. The thickness of the piezoelectric layer was 570 nm.

(実施例5)
実施例1の圧電体膜形成用組成物に、ポリエチレングリコール(分子量400)を、実施例1の圧電体膜形成用組成物:ポリエチレングリコール=97.5:2.5(体積比)となるように添加し、実施例5の圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)とした。そして、この圧電体膜形成用組成物を用いて、実施例1と同様の方法で、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、480nmであった。
(Example 5)
Polyethylene glycol (molecular weight 400) is added to the piezoelectric film forming composition of Example 1 so that the piezoelectric film forming composition of Example 1: polyethylene glycol = 97.5: 2.5 (volume ratio). To obtain a composition for forming a piezoelectric film (precursor solution) of Example 5. And the piezoelectric element was formed by the method similar to Example 1 using this composition for piezoelectric film formation. The thickness of the piezoelectric layer was 480 nm.

(比較例1)
2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%のオクタン溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、600nmであった。
(Comparative Example 1)
A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 1 except that a 2% by mass octane solution of lanthanum 2-ethylhexanoate was used instead of the 2% by mass xylene solution of lanthanum 2-ethylhexanoate. The thickness of the piezoelectric layer was 600 nm.

(比較例2)
2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸ランタンの3質量%のブタノール溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、630nmであった。
(Comparative Example 2)
A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 1 except that a 3% by weight butanol solution of lanthanum 2-ethylhexanoate was used instead of the 2% by weight xylene solution of lanthanum 2-ethylhexanoate. The thickness of the piezoelectric layer was 630 nm.

(比較例3)
2−エチルヘキサン酸鉄の5質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸鉄及び2−エチルヘキサン酸ビスマスの10質量%(Bi:Fe=1:1(質量比))のオクタン溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、450nmであった。
(Comparative Example 3)
Instead of a 5 mass% xylene solution of iron 2-ethylhexanoate, an octane solution of 10 mass% (Bi: Fe = 1: 1 (mass ratio)) of iron 2-ethylhexanoate and bismuth 2-ethylhexanoate was used. A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 1 except that it was used. The thickness of the piezoelectric layer was 450 nm.

(比較例4)
2−エチルヘキサン酸ビスマスの12質量%オクタン溶液及び2−エチルヘキサン酸鉄の5質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸鉄及び2−エチルヘキサン酸ビスマスの10質量%(Bi:Fe=1:1(質量比))のオクタン溶液を用いた以外は、実施例2と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、390nmであった。
(Comparative Example 4)
Instead of a 12% by weight octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate and a 5% by weight xylene solution of iron 2-ethylhexanoate, 10% by weight of iron 2-ethylhexanoate and bismuth 2-ethylhexanoate (Bi: Fe = 1: 1 (mass ratio)) A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 2 except that an octane solution was used. The thickness of the piezoelectric layer was 390 nm.

(比較例5)
2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%キシレン溶液の代わりに、2−エチルヘキサン酸ランタンの2質量%オクタン溶液を用いた以外は、実施例3と同様にして、圧電素子を形成した。なお、圧電体層の厚さは、600nmであった。
(Comparative Example 5)
A piezoelectric element was formed in the same manner as in Example 3 except that a 2% by mass octane solution of lanthanum 2-ethylhexanoate was used instead of the 2% by mass xylene solution of lanthanum 2-ethylhexanoate. The thickness of the piezoelectric layer was 600 nm.

(試験例1)
実施例1〜5及び比較例1〜5の圧電素子について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、圧電体層の粉末X線回折パターンを求めた。(100)面に優先配向していた場合を○、(100)面に優先配向していなかった場合を×、として、配向を評価した結果を表2に示す。また、回折強度−回折角2θの相関関係を示す図であるX線回折パターンを、図24に実施例1〜2及び比較例1〜2を、図25に実施例1〜2及び比較例3〜4を、図26に実施例4及び実施例5を、結果の一例として示す。なお、実施例1〜5及び比較例1〜5すべてにおいて、ペロブスカイト型構造(ABO型構造)由来の回折ピークが観測され、実施例1〜5及び比較例1〜5の圧電体層はペロブスカイト型構造を形成していた。
(Test Example 1)
For the piezoelectric elements of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS was used, CuKα ray was used as the X-ray source, and the powder X-ray diffraction pattern of the piezoelectric layer at room temperature Asked. Table 2 shows the results of evaluating the orientation, where ◯ indicates that the (100) plane is preferentially oriented, and x indicates that the (100) plane is not preferentially oriented. Moreover, the X-ray diffraction pattern which is a figure which shows the correlation of diffraction intensity-diffraction angle 2 (theta), Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 are shown in FIG. 24, Examples 1-2 and Comparative Example 3 are shown in FIG. To 4 and FIG. 26 shows Example 4 and Example 5 as an example of the results. In all of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, diffraction peaks derived from the perovskite structure (ABO 3 type structure) were observed, and the piezoelectric layers of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were perovskite. A mold structure was formed.

表2及び図24に示すように、Laの原料溶液の溶媒によって、粉末X線回折パターンが異なり、Laの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では(100)面に優先配向した配向膜となっていることが分かる。具体的には、実施例1〜3は、20°<2θ<25°に観測されるABO由来の回折ピークの強度が、20°<2θ<50°に観測されるABO由来の回折ピークの面積強度の総和の90%以上であり、(100)面に優先配向した配向膜となっていた。一方、Laの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例1及び比較例5やブタノールである比較例2では、配向はランダムであった。そして、図24に示すように、実施例1は、強誘電相を示す2θ=46.1°近傍の回折ピーク及び反強誘電相を示す2θ=46.5°近傍の回折ピークが混在したピークを有しているため、実施例1は強誘電体に起因する構造と反強誘電体に起因する構造の両者が共存する組成相境界(M.P.B.)であることがわかる。 As shown in Table 2 and FIG. 24, the powder X-ray diffraction patterns differ depending on the solvent of the La raw material solution, and in Examples 1 to 3 in which the solvent of the La raw material solution contains xylene, the (100) plane is preferentially oriented. It can be seen that the alignment film is formed. Specifically, Examples 1-3, 20 ° <2θ <intensity of a diffraction peak derived from ABO 3 observed at 25 °, 20 ° <2θ <diffraction peaks derived from ABO 3 observed at 50 ° It was 90% or more of the sum of the area strengths, and the alignment film was preferentially oriented on the (100) plane. On the other hand, in Comparative Example 1 and Comparative Example 5 in which the solvent of the La raw material solution was octane and Comparative Example 2 in which butanol was used, the orientation was random. As shown in FIG. 24, Example 1 shows a peak in which a diffraction peak near 2θ = 46.1 ° indicating a ferroelectric phase and a diffraction peak near 2θ = 46.5 ° indicating an antiferroelectric phase are mixed. Therefore, it can be seen that Example 1 is a composition phase boundary (MPB) in which both the structure caused by the ferroelectric substance and the structure caused by the antiferroelectric substance coexist.

また、表2及び図25に示すように、Feの原料溶液の溶媒によって、粉末X線回折パターンが異なり、Feの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では(100)面に優先配向した配向膜となっていることが分かる。具体的には、実施例1〜3は、20°<2θ<25°に観測されるABO由来の回折ピークの強度が、20°<2θ<50°に観測されるABO由来の回折ピークの面積強度の総和の90%以上であり、(100)面に優先配向した配向膜となっていたのに対し、Feの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例3及び比較例4では、配向はランダムであった。 Also, as shown in Table 2 and FIG. 25, the powder X-ray diffraction pattern differs depending on the solvent of the Fe raw material solution, and in Examples 1 to 3 in which the solvent of the Fe raw material solution contains xylene, It can be seen that the orientation film is preferentially oriented. Specifically, Examples 1-3, 20 ° <2θ <intensity of a diffraction peak derived from ABO 3 observed at 25 °, 20 ° <2θ <diffraction peaks derived from ABO 3 observed at 50 ° In Comparative Example 3 and Comparative Example 4 in which the solvent of the Fe raw material solution is octane, the orientation film was 90% or more of the total area strength of No. 1 and was preferentially oriented on the (100) plane. Was random.

ここで、(100)面に優先配向している実施例1は、配向がランダムな比較例5と同様に、圧電体膜形成用組成物、すなわち各元素の原料溶液を混合した混合溶液の溶媒が、キシレン:オクタン=7:3(体積比)となっている。したがって、混合溶液全体の溶媒が重要なのではなく、LaやFeの原料溶液の溶媒がキシレンであることが、圧電体層70の結晶を(100)面に優先配向させるためには必要であるといえる。   Here, in Example 1 preferentially oriented in the (100) plane, as in Comparative Example 5 in which the orientation is random, the piezoelectric film forming composition, that is, the solvent of the mixed solution in which the raw material solutions of each element are mixed However, it is xylene: octane = 7: 3 (volume ratio). Therefore, the solvent of the entire mixed solution is not important, and the solvent of the raw material solution of La and Fe is xylene in order to preferentially orient the crystals of the piezoelectric layer 70 in the (100) plane. I can say that.

また、図26に示すように、実施例1の圧電体膜形成用組成物にジエタノールアミンを添加した実施例4やポリエチレングリコールを添加した実施例5は、実施例1と同様の粉末X線回折パターンであり、混合溶液にジエタノールアミンやポリエチレングリコールを添加しても、(100)面配向が維持できることが確認された。   As shown in FIG. 26, Example 4 in which diethanolamine is added to the composition for forming a piezoelectric film of Example 1 and Example 5 in which polyethylene glycol is added are similar to the powder X-ray diffraction pattern of Example 1. It was confirmed that (100) plane orientation can be maintained even when diethanolamine or polyethylene glycol is added to the mixed solution.

(試験例2)
実施例1〜5及び比較例1〜5において、第2電極を形成する前に、圧電体層の断面及び表面を50000倍の走査電子顕微鏡(SEM)により観察した。圧電体層表面及び断面が荒れておらず緻密な場合を○、圧電体層が荒れていた場合を×、として、膜荒れを評価した結果を表2に示す。また、図27(a)(断面)、図27(b)(表面)、図28(a)(断面)及び図28(b)(表面)に実施例1を、図27(c)(断面)及び図27(d)(表面)に実施例2を、図27(e)(断面)及び図27(f)(表面)に比較例1を、図27(g)(断面)及び図27(h)(表面)に比較例2を、図28(c)(断面)及び図28(d)(表面)に比較例3を、図29(a)(断面)、図29(b)(表面)に実施例4を、図29(c)(断面)、図29(d)(表面)に実施例5を示す。
(Test Example 2)
In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, before forming the second electrode, the cross section and the surface of the piezoelectric layer were observed with a scanning electron microscope (SEM) at 50000 times. Table 2 shows the results of evaluation of film roughness, where the surface of the piezoelectric layer and the cross section are not rough and are dense, and the case where the piezoelectric layer is rough is x. 27 (a) (cross section), FIG. 27 (b) (surface), FIG. 28 (a) (cross section) and FIG. 28 (b) (surface), Example 1 is shown in FIG. 27 (c) (cross section). ) And FIG. 27 (d) (surface), Example 2 in FIG. 27 (e) (cross section) and FIG. 27 (f) (surface), Comparative Example 1, FIG. 27 (g) (cross section) and FIG. Comparative example 2 is shown in (h) (surface), Comparative example 3 is shown in FIG. 28 (c) (cross section) and FIG. 28 (d) (surface), and FIG. 29 (a) (cross section) and FIG. Example 4 is shown on the surface), and Example 5 is shown in FIG. 29 (c) (cross section) and FIG. 29 (d) (surface).

表2及び図27に示すように、Laの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では、非常に密な膜構造であるのに対し、Laの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例1及び比較例5やブタノールである比較例2では、膜中に空孔が多く見られ、表面モフォロジーも大きく荒れていた。   As shown in Table 2 and FIG. 27, in Examples 1 to 3 in which the solvent of the La raw material solution contains xylene, the solvent of the La raw material solution is octane, whereas it has a very dense film structure. In Comparative Example 1 and Comparative Example 5 and Comparative Example 2 which is butanol, many vacancies were observed in the film, and the surface morphology was greatly roughened.

また、図28に示すように、Feの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では非常に密な膜構造であるのに対し、Feの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例3や比較例4では、膜中に空孔が多く見られ、表面モフォロジーも大きく荒れていた。   In addition, as shown in FIG. 28, in Examples 1 to 3 in which the solvent of the Fe raw material solution contains xylene, the comparative example in which the solvent of the Fe raw material solution is octane is a very dense film structure. In No. 3 and Comparative Example 4, many vacancies were observed in the film, and the surface morphology was greatly roughened.

また、図29に示すように、実施例1の圧電体膜形成用組成物にジエタノールアミンを添加した実施例4やポリエチレングリコールを添加した実施例5は、実施例1と同様に非常に密な膜構造であった。   As shown in FIG. 29, Example 4 in which diethanolamine was added to the composition for forming a piezoelectric film of Example 1 and Example 5 in which polyethylene glycol was added were very dense films as in Example 1. It was a structure.

(試験例3)
実施例1〜5及び比較例1〜5の各圧電体膜形成用組成物について、熱重量測定(TG測定)により重量減少率を測定した。温度に対する質量変化を測定した。結果の一例として、図30(a)及び図31(a)に実施例1を、図30(b)に実施例2を、図30(c)に比較例1を、図30(d)に比較例2を、図31(b)に比較例3を示す。図30及び図31に示すように、実施例1〜5及び比較例1〜5のいずれも350〜400℃以上で重量が一定となっており、実施例1〜5及び比較例1〜5において、乾燥及び脱脂工程での温度350℃は十分な温度であることが確認された。圧電体層の配向の差やモフォロジーが荒れる原因として、一般的には乾燥及び脱脂工程での温度が低いことが考えられるが、この試験例3の結果から、試験例1の配向の差や、試験例2の圧電体層のモフォロジー荒れは、乾燥及び脱脂工程での温度が低いことに起因しないと考えられる。
(Test Example 3)
For each of the piezoelectric film forming compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, the weight reduction rate was measured by thermogravimetry (TG measurement). The mass change with respect to temperature was measured. As an example of the results, Example 1 is shown in FIGS. 30 (a) and 31 (a), Example 2 is shown in FIG. 30 (b), Comparative Example 1 is shown in FIG. 30 (c), and FIG. Comparative example 2 is shown in FIG. 31 (b). As shown in FIG.30 and FIG.31, all of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-5 are 350-400 degreeC or more, and the weight is constant, In Examples 1-5 and Comparative Examples 1-5, The temperature of 350 ° C. in the drying and degreasing process was confirmed to be a sufficient temperature. As a cause of rough orientation difference and morphology of the piezoelectric layer, it is generally considered that the temperature in the drying and degreasing process is low. From the result of Test Example 3, the difference in orientation of Test Example 1, It is considered that the roughness of the morphology of the piezoelectric layer of Test Example 2 is not caused by the low temperature in the drying and degreasing processes.

(試験例4)
実施例1〜2及び比較例1〜2の各圧電体膜形成用組成物について、pHを測定したところ、実施例1は5.4、実施例2は8.0であり、比較例1及び比較例2は4.9であった。この試験例4の結果から、圧電体膜形成用組成物のpHと、圧電体層の配向の差及びモフォロジー荒れの相関は、特に見受けられなかった。
(Test Example 4)
When the pH of each of the piezoelectric film forming compositions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was measured, Example 1 was 5.4, Example 2 was 8.0, Comparative Example 1 and The comparative example 2 was 4.9. From the results of Test Example 4, there was no particular correlation between the pH of the composition for forming a piezoelectric film, the difference in the orientation of the piezoelectric layer, and the roughness of the morphology.

(試験例5)
実施例1〜5及び比較例1〜5の各圧電素子について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=400μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波を印加して、分極量と電圧の関係(P−V曲線)を求めた。良好なヒステリシスであった場合を○、良好なヒステリシスではなかった場合を×、として、ヒステリシス特性を評価した結果を表2に示す。また、結果の一例として、図32(a)及び図33(a)に実施例1を、図32(b)に実施例2を、図32(c)に比較例1を、図33(b)に比較例3を、図34(a)に実施例4を、図34(b)に実施例5示す。なお、比較例2は、ショートして測定することができなかった。
(Test Example 5)
For each of the piezoelectric elements of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, “FCE-1A” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., using an electrode pattern of φ = 400 μm, applying a triangular wave with a frequency of 1 kHz at room temperature, and polarization The relationship between the amount and voltage (P-V curve) was determined. Table 2 shows the results of the evaluation of the hysteresis characteristics, where ◯ indicates that the hysteresis was good, and x indicates that the hysteresis was not good. Also, as an example of the results, Example 1 is shown in FIGS. 32 (a) and 33 (a), Example 2 is shown in FIG. 32 (b), Comparative Example 1 is shown in FIG. 32 (c), and FIG. ) Shows Comparative Example 3, FIG. 34 (a) shows Example 4, and FIG. 34 (b) shows Example 5. In Comparative Example 2, measurement was not possible due to a short circuit.

図32に示すように、Laの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では良好なヒステリシスとなったのに対し、Laの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例1や比較例5ではヒステリシスが閉じる傾向があり変位量が小さく、また、溶媒がブタノールである比較例2ではショートし、良好なヒステリシスではなかった。また、図33に示すように、Feの原料溶液の溶媒がキシレンを含有する実施例1〜3では良好なヒステリシスとなったのに対し、Feの原料溶液の溶媒がオクタンである比較例3や比較例4ではヒステリシスが閉じる傾向があり変位量が小さく、良好なヒステリシスではなかった。比較例1〜5が良好なヒステリシスとならなかったのは、試験例1及び試験例2に示すように、配向がランダムであったことやモフォロジー荒れに起因していると考えられる。   As shown in FIG. 32, in Examples 1 to 3 in which the solvent of the La raw material solution contains xylene, good hysteresis was obtained, whereas Comparative Example 1 and Comparative Example in which the solvent of the La raw material solution was octane. In No. 5, the hysteresis tends to close and the amount of displacement is small, and in Comparative Example 2 where the solvent is butanol, a short circuit occurs and the hysteresis is not good. In addition, as shown in FIG. 33, in Examples 1 to 3 in which the solvent of the Fe raw material solution contains xylene, good hysteresis was obtained, while in Comparative Example 3 in which the solvent of the Fe raw material solution was octane, In Comparative Example 4, the hysteresis tends to close and the amount of displacement is small, and the hysteresis is not good. The reason why Comparative Examples 1 to 5 did not exhibit good hysteresis is considered to be due to random orientation or morphological roughness as shown in Test Example 1 and Test Example 2.

また、図34に示すように、実施例1の圧電体膜形成用組成物にジエタノールアミンを添加した実施例4やポリエチレングリコールを添加した実施例5は、実施例1と同様に非常に良好なヒステリシスであった。   As shown in FIG. 34, Example 4 in which diethanolamine is added to the composition for forming a piezoelectric film of Example 1 and Example 5 in which polyethylene glycol is added have very good hysteresis as in Example 1. Met.

(試験例6)
実施例1〜5及び比較例1〜5の各圧電体膜形成用組成物について、7日間放置した。7日経過しても析出物が生じなかった場合を○、析出物が生じた場合を×として、圧電体膜形成用組成物の保存安定性を評価した結果を表2に示す。この結果、Biの原料溶液の溶媒及びMnの原料溶液の溶媒がオクタンである実施例1、2、4、5及び比較例1〜4の圧電体膜形成用組成物は、析出物が生じなかったが、Biの原料溶液の溶媒及びMnの原料溶液の溶媒がキシレンである実施例3及び比較例5では、圧電体膜形成用組成物を製造してから1日経過後には固形物が析出した。なお、実施例1〜5及び比較例1〜5の各圧電体膜形成用組成物は、製造直後は、沈殿は生じていなかった。
(Test Example 6)
The piezoelectric film forming compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were left for 7 days. Table 2 shows the results of evaluating the storage stability of the composition for forming a piezoelectric film, with ◯ indicating that no precipitate was produced even after 7 days, and x indicating that the precipitate was formed. As a result, in the compositions for forming piezoelectric films of Examples 1, 2, 4, 5 and Comparative Examples 1 to 4, in which the solvent of the Bi raw material solution and the solvent of the Mn raw material solution are octane, no precipitate is generated. However, in Example 3 and Comparative Example 5 where the solvent of the Bi raw material solution and the solvent of the Mn raw material solution were xylene, solids were precipitated after 1 day from the production of the piezoelectric film forming composition. did. In each of the piezoelectric film forming compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, no precipitation occurred immediately after the production.

(試験例7)
実施例1〜5及び比較例1〜5の各圧電体前駆体膜について、目視により観察し、ストライエーション(放射状の縞模様)が生じなかった場合を○、ストライエーション(放射状の縞模様)が生じた場合を×として評価した。また、圧電体前駆体膜に塗布ムラが生じなかった場合を○、塗布ムラ(析出物等の異物などに起因するもの)が生じた場合を×として評価した。結果を表2に示す。この結果、Biの原料溶液の溶媒及びMnの原料溶液の溶媒がオクタンである実施例1、2、4、5及び比較例1〜4の圧電体前駆体膜は、ストライエーション及び塗布ムラが生じておらず、均一な圧電体前駆体膜であった。一方、Biの原料溶液の溶媒及びMnの原料溶液の溶媒がキシレンである実施例3及び比較例5では、ストライエーションは生じなかったが、濡れ性が悪いため塗布ムラが生じていた。
(Test Example 7)
For each of the piezoelectric precursor films of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, the case where no striation (radial striped pattern) occurred was observed by visual observation, and the striation (radial striped pattern) was The resulting case was evaluated as x. Moreover, the case where application | coating nonuniformity did not arise in a piezoelectric material precursor film | membrane evaluated as (circle), and the case where application | coating nonuniformity (those resulting from foreign materials, such as a precipitate) produced, was evaluated as x. The results are shown in Table 2. As a result, in the piezoelectric precursor films of Examples 1, 2, 4, 5 and Comparative Examples 1 to 4 in which the solvent of the Bi raw material solution and the solvent of the Mn raw material solution are octane, striation and coating unevenness occur. This was a uniform piezoelectric precursor film. On the other hand, in Example 3 and Comparative Example 5 where the solvent of the Bi raw material solution and the solvent of the Mn raw material solution were xylene, striation did not occur, but coating unevenness occurred because of poor wettability.

以上述べたように、La及びFeの原料溶液の溶媒がキシレンである実施例1〜5では、圧電体層は(100)面に優先配向し、密であり、また、圧電素子は良好なヒステリシスを描くものであった。また、Laの原料溶液の溶媒や混合溶液にジエタノールアミンを添加した実施例2や実施例4では、ジエタノールアミンを添加していない場合よりも、厚い膜を形成することができた。そして、Bi及びMnの原料溶液がオクタンである実施例1、2、4及び5では、圧電体膜形成用組成物の保存安定性及び濡れ性が良好であり、また、圧電体前駆体膜の塗布ムラも生じず、均一な厚さの圧電体層を形成することができた。   As described above, in Examples 1 to 5 where the solvent of the raw material solution of La and Fe is xylene, the piezoelectric layer is preferentially oriented in the (100) plane and dense, and the piezoelectric element has good hysteresis. It was something to draw. In Examples 2 and 4 in which diethanolamine was added to the solvent or mixed solution of the La raw material solution, a thicker film could be formed than in the case where no diethanolamine was added. In Examples 1, 2, 4 and 5 in which the raw material solutions of Bi and Mn are octane, the storage stability and wettability of the piezoelectric film forming composition are good, and the piezoelectric precursor film There was no coating unevenness, and a piezoelectric layer having a uniform thickness could be formed.

(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the silicon single crystal substrate is exemplified as the flow path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.

さらに、上述した実施形態では、基板(流路形成基板10)上に第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を順次積層した圧電素子300を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, the piezoelectric element 300 in which the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are sequentially stacked on the substrate (the flow path forming substrate 10) is illustrated, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, the present invention can also be applied to a longitudinal vibration type piezoelectric element in which piezoelectric materials and electrode forming materials are alternately stacked to expand and contract in the axial direction.

また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図35は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。   In addition, the ink jet recording head of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 35 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図35に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。   In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 35, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting the ink supply means, and the recording head units 1A and 1B. Is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.

そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。   The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.

なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。   In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.

また、本発明は、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圧電素子に限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス、並びに赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー及び焦電センサー等の各種センサー等の圧電素子に適用することができる。また、本発明は、強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。   The present invention is not limited to a piezoelectric element mounted on a liquid jet head typified by an ink jet recording head, but includes an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a piezoelectric transformer, an infrared sensor, and an ultrasonic wave. It can be applied to piezoelectric elements such as various sensors such as sensors, thermal sensors, pressure sensors, and pyroelectric sensors. Further, the present invention can be similarly applied to a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.

I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 マニホールド部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子   I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric element holding portion, 40 compliance substrate, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric element

Claims (8)

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
(111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程と、
前記白金膜上に、Bi、La、Fe、Mnを含み、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物により圧電体前駆体膜を形成する工程と、
前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
A method of manufacturing a liquid ejecting head having a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid and a piezoelectric element for causing a pressure change in the pressure generating chamber,
Forming a platinum film made of platinum preferentially oriented in the (111) plane;
A composition for forming a piezoelectric film obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing Bi, La, Fe, and Mn and containing at least La and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe on the platinum film. Forming a piezoelectric precursor film with a material;
Forming a piezoelectric layer by firing the piezoelectric precursor film;
And a step of forming an electrode on the piezoelectric layer.
前記(111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程では、チタンからなるチタン膜上に前記白金膜を形成し、
前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程は不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1に記載する液体噴射ヘッドの製造方法。
In the step of forming a platinum film made of platinum preferentially oriented on the (111) plane, the platinum film is formed on a titanium film made of titanium,
The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the step of forming the piezoelectric layer by firing the piezoelectric precursor film is performed in an inert gas atmosphere.
前記圧電体膜形成用組成物は、Biを含有する有機金属化合物のオクタン溶液又はキシレン溶液、及び、Mnを含有する有機金属化合物のオクタン溶液又はキシレン溶液を混合して得られるものであることを特徴とする請求項1または2に記載する液体噴射ヘッドの製造方法。   The piezoelectric film forming composition is obtained by mixing an octane solution or xylene solution of an organometallic compound containing Bi and an octane solution or xylene solution of an organometallic compound containing Mn. The method for manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the liquid jet head is a liquid jet head. 前記圧電体前駆体膜形成用組成物は、ジエタノールアミンを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載する液体噴射ヘッドの製造方法。   The method for manufacturing a liquid ejecting head according to claim 1, wherein the composition for forming a piezoelectric precursor film includes diethanolamine. 前記Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液は、ジエタノールアミンを含むことを特徴とする請求項4に記載する液体噴射ヘッドの製造方法。   The method for manufacturing a liquid jet head according to claim 4, wherein the xylene solution of the organometallic compound containing La contains diethanolamine. 請求項1〜5のいずれか一項に記載する液体噴射ヘッドの製造方法により製造された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 manufactured by the method of manufacturing a liquid ejecting head according to claim 1. (111)面に優先配向している白金からなる白金膜を形成する工程と、
前記白金膜上に、Bi、La、Fe、Mnを含み、少なくともLaを含有する有機金属化合物のキシレン溶液及びFeを含有する有機金属化合物のキシレン溶液を混合して得られる圧電体膜形成用組成物により圧電体前駆体膜を形成する工程と、
前記圧電体前駆体膜を焼成することにより圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
Forming a platinum film made of platinum preferentially oriented in the (111) plane;
A composition for forming a piezoelectric film obtained by mixing a xylene solution of an organometallic compound containing Bi, La, Fe, and Mn and containing at least La and a xylene solution of an organometallic compound containing Fe on the platinum film. Forming a piezoelectric precursor film with a material;
Forming a piezoelectric layer by firing the piezoelectric precursor film;
And a step of forming an electrode on the piezoelectric layer.
Laを含有する有機金属化合物のキシレン溶液、Feを含有する有機金属化合物のキシレン溶液、Biを含有する有機金属化合物の溶液及びFeを含有する有機金属化合物の溶液を混合することを特徴とする圧電体膜形成用組成物の製造方法。   A piezoelectric comprising mixing a xylene solution of an organometallic compound containing La, a xylene solution of an organometallic compound containing Fe, a solution of an organometallic compound containing Bi, and a solution of an organometallic compound containing Fe The manufacturing method of the composition for body film formation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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