JP2017037933A - Piezoelectric element, piezoelectric element application device, and manufacturing method of piezoelectric element - Google Patents

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朋裕 酒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element having a piezoelectric body layer capable of controlling orientation of crystal, a piezoelectric element application device, and a manufacturing method of piezoelectric element.SOLUTION: The piezoelectric element comprises: a first electrode 60; a piezoelectric body layer 70 formed on the first electrode 60, which is constituted of a crystal of composite oxide having a perovskite-type structure containing bismuth and iron; a second electrode 80 formed on the piezoelectric body layer 70; and buffer layer 65 formed between the first electrode 60 and the piezoelectric body layer 70, which is constituted of an oxide containing bismuth and vanadium.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、圧電素子、圧電素子応用デバイス及び圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric element application device, and a method for manufacturing a piezoelectric element.

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。インクジェット式記録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(圧電体膜)を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。   As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to add ink in the pressure generation chamber. There is an ink jet recording head that presses and ejects ink droplets from a nozzle. A piezoelectric element used in an ink jet recording head is configured by sandwiching a piezoelectric material (electromagnetic film) made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function, for example, a crystallized dielectric material, between two electrodes. There is something.

このような圧電素子に用いられる圧電材料のうち、鉛を含有しない圧電材料として、例えば、ビスマス(Bi)及び鉄(Fe)を含有する鉄酸ビスマス系(BiFeO系)のペロブスカイト構造を有する複合化合物がある(例えば、特許文献1参照)。以下、ペロブスカイト構造の複合酸化物を、単に「複合酸化物」あるいは「酸化物」と略称する場合もある。 Among the piezoelectric materials used for such piezoelectric elements, as a piezoelectric material not containing lead, for example, a composite having a perovskite structure of bismuth ferrate (BiFeO 3 ) containing bismuth (Bi) and iron (Fe) There are compounds (see, for example, Patent Document 1). Hereinafter, the composite oxide having a perovskite structure may be simply referred to as “composite oxide” or “oxide”.

このような圧電材料においては、圧電特性を十分に発揮するためには、圧電体層を構成する酸化物の結晶が特定の方位に配向していることが望ましいとされている。そして、鉄酸ビスマス系の結晶を(100)面に配向させる技術として、マンガン酸ビスマス又はマンガン酸ビスマス及び鉄酸ビスマスの混晶からなるバッファー層を利用するものが知られている(特許文献2参照)。   In such a piezoelectric material, it is desirable that the oxide crystal constituting the piezoelectric layer is oriented in a specific direction in order to sufficiently exhibit the piezoelectric characteristics. As a technique for orienting bismuth ferrate crystals in the (100) plane, a technique using a buffer layer made of bismuth manganate or a mixed crystal of bismuth manganate and bismuth ferrate is known (Patent Document 2). reference).

特開2007−287745号公報JP 2007-287745 A 特開2013−226818号公報JP2013-226818A

しかしながら、BiFeO系の圧電材料からなる圧電体層を(100)面以外の配向に制御したいという要望がある。 However, there is a demand for controlling a piezoelectric layer made of a BiFeO 3 based piezoelectric material to have an orientation other than the (100) plane.

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。   Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink, and also in piezoelectric elements used in other than liquid ejecting heads. Exist as well.

本発明はこのような事情に鑑み、結晶の配向が制御された圧電体層を有する圧電素子、圧電素子応用デバイス、及び圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element having a piezoelectric layer whose crystal orientation is controlled, a piezoelectric element applied device, and a method for manufacturing the piezoelectric element.

上記課題を解決する本発明の態様は、第1電極と、前記第1電極に設けられ、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶からなる圧電体層と、前記圧電体層に設けられた第2電極と、前記第1電極と前記圧電体層との間に設けられ、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層とを備えたことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層を利用することにより、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶の配向を制御することが可能となる。よって、結晶の配向が制御された圧電体層を有する圧電素子を得ることができる。なお、「バッファー層」は、酸化物が第1電極と圧電体層との間に全体的に一定の厚みで存在する形態のものだけでなく、島状に存在する形態のものをも含む。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a first electrode, a piezoelectric layer that is provided on the first electrode and includes a crystal of a complex oxide having a perovskite structure including bismuth and iron, and the piezoelectric layer. A piezoelectric element comprising: a second electrode provided; and a buffer layer provided between the first electrode and the piezoelectric layer and made of an oxide containing bismuth and vanadium.
In such an embodiment, by using a buffer layer made of an oxide containing bismuth and vanadium, it is possible to control the crystal orientation of the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth and iron. Therefore, a piezoelectric element having a piezoelectric layer with controlled crystal orientation can be obtained. The “buffer layer” includes not only a form in which the oxide is present between the first electrode and the piezoelectric layer as a whole with a constant thickness but also a form in which the oxide exists in an island shape.

ここで、前記圧電材体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むことが好ましい。これにより、圧電材料層の圧電特性が向上した圧電素子とすることができる。   Here, the piezoelectric material layer preferably includes bismuth, iron, barium, and titanium. Thereby, it can be set as the piezoelectric element which the piezoelectric characteristic of the piezoelectric material layer improved.

また、前記圧電材体層は、さらにマンガンを含むことが好ましい。これにより、圧電体層のリーク特性の向上を図ることができる。   The piezoelectric material layer preferably further contains manganese. As a result, the leakage characteristics of the piezoelectric layer can be improved.

また、前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが3.03以上4.55以下であり、前記圧電体層は、(100)面に優先配向していることが好ましい。これにより、結晶が(100)面に優先配向した圧電体層を有する圧電素子とすることができる。   Further, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer is preferably 3.03 or more and 4.55 or less, and the piezoelectric layer is preferably preferentially oriented in the (100) plane. Thereby, a piezoelectric element having a piezoelectric layer in which crystals are preferentially oriented in the (100) plane can be obtained.

また、前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが6.82以上であり、前記圧電体層は、(110)面に優先配向していることが好ましい。これにより、結晶が(110)面に優先配向した圧電体層を有する圧電素子とすることができる。   Further, it is preferable that the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer is 6.82 or more, and the piezoelectric layer is preferentially oriented in the (110) plane. Thereby, a piezoelectric element having a piezoelectric layer in which crystals are preferentially oriented in the (110) plane can be obtained.

また、前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが1.95以下であり、前記圧電体層は、ランダム配向であることが好ましい。これにより、結晶の配向がランダムな圧電体層を有する圧電素子とすることができる。   In addition, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer is preferably 1.95 or less, and the piezoelectric layer is preferably in a random orientation. Thereby, a piezoelectric element having a piezoelectric layer with random crystal orientation can be obtained.

また、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする圧電素子応用デバイスにある。かかる態様によれば、所定の配向を有し、特性の向上した圧電素子を具備するため、特性に優れた圧電素子応用デバイスを実現することができる。   Another aspect of the present invention is a piezoelectric element application device comprising the piezoelectric element according to the above aspect. According to this aspect, since the piezoelectric element having a predetermined orientation and improved characteristics is provided, a piezoelectric element application device having excellent characteristics can be realized.

また、本発明の他の態様は、圧電体層と、前記圧電体層に設けられた第1電極及び第2電極とを備えた圧電素子の製造方法において、前記第1電極上に、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層を形成する工程と、前記バッファー層上に、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶からなる圧電体層を形成する工程と、を具備することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層を利用することにより、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶の配向を制御することが可能となる。よって、結晶の配向が制御された圧電体層を有する圧電素子を製造することができる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric element including a piezoelectric layer, and a first electrode and a second electrode provided on the piezoelectric layer. Forming a buffer layer made of an oxide containing vanadium, and forming a piezoelectric layer made of a complex oxide crystal of a perovskite structure containing bismuth and iron on the buffer layer. There is a method for manufacturing a piezoelectric element.
In such an embodiment, by using a buffer layer made of an oxide containing bismuth and vanadium, it is possible to control the crystal orientation of the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth and iron. Therefore, a piezoelectric element having a piezoelectric layer in which the crystal orientation is controlled can be manufactured.

前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を3.03以上4.55以下に設定して、前記複合酸化物の結晶を(100)面に優先配させることが好ましい。または、前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を6.82以上に設定して、前記複合酸化物の結晶を(110)面に優先配向させることが好ましい。または、前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を1.95以下に設定して、前記複合酸化物の結晶の配向をランダムにすることが好ましい。このように、バッファー層を形成する際に、ビスマスとバナジウムとのモル比を変更することにより、圧電体層を構成する複合酸化物の結晶の配向を制御することができる。   In the step of forming the buffer layer, it is preferable that a molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 3.03 or more and 4.55 or less, and the crystals of the composite oxide are preferentially arranged on the (100) plane. Alternatively, in the step of forming the buffer layer, it is preferable that the molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 6.82 or more and the crystals of the composite oxide are preferentially oriented in the (110) plane. Alternatively, in the step of forming the buffer layer, it is preferable that the molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 1.95 or less to make the crystal orientation of the composite oxide random. Thus, when forming the buffer layer, the orientation of the crystals of the complex oxide constituting the piezoelectric layer can be controlled by changing the molar ratio of bismuth and vanadium.

記録装置の概略構成を示す図。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus. 記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of a recording head. 記録ヘッドの平面図。The top view of a recording head. 記録ヘッドの断面図及び要部拡大断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view and a main part enlarged cross-sectional view of a recording head. 記録ヘッドの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of a recording head. 記録ヘッドの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of a recording head. 記録ヘッドの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of a recording head. 記録ヘッドの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of a recording head. 実施例の圧電体層のX線回折のピークを示す図。The figure which shows the peak of the X-ray diffraction of the piezoelectric material layer of an Example. I−V曲線を示す図である。It is a figure which shows an IV curve.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、図2〜図6において、X,Y,Zは、互いに直交する3つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をそれぞれX方向,Y方向,及びZ方向として説明する。Z方向は、板、層、及び膜の厚み方向あるいは積層方向を表す。X方向及びY方向は、板、層、及び膜の面内方向を表す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following description shows one embodiment of the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the present invention. In the drawings, the same reference numerals denote the same members, and descriptions thereof are omitted as appropriate. 2 to 6, X, Y, and Z represent three spatial axes that are orthogonal to each other. In this specification, directions along these axes will be described as an X direction, a Y direction, and a Z direction, respectively. The Z direction represents the thickness direction or the stacking direction of the plates, layers, and films. The X direction and the Y direction represent in-plane directions of the plate, layer, and film.

図1は本発明の実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置である。図示するように、インクジェット式記録装置Iにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット式記録ヘッドユニット(ヘッドユニット)II(図2参照)に、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ている。ヘッドユニットII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おり、例えば各々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されている。   FIG. 1 shows an ink jet recording apparatus which is an example of a liquid ejecting apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the ink jet recording apparatus I, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means can be attached to and detached from an ink jet recording head unit (head unit) II (see FIG. 2) having a plurality of ink jet recording heads. Is provided. The carriage 3 on which the head unit II is mounted is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction, and for example, ejects 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及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、ヘッドユニットII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には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。記録シートSを搬送する搬送手段は搬送ローラーに限られず、ベルトやドラム等であってもよい。   Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 through a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the head unit II is mounted is moved along the carriage shaft 5. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a conveyance roller 8 as a conveyance means, and a recording sheet S which is a recording medium such as paper is conveyed by the conveyance roller 8. The conveying means for conveying the recording sheet S is not limited to the conveying roller, and may be a belt, a drum, or the like.

なお、上記のインクジェット式記録装置Iは、ヘッドユニットIIがキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するタイプの記録装置であるが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置Iは、例えば、ヘッドユニットIIを固定し、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。   The ink jet recording apparatus I is a type of recording apparatus in which the head unit II is mounted on the carriage 3 and moves in the main scanning direction, but the configuration is not particularly limited. The ink jet recording apparatus I may be, for example, a so-called line recording apparatus that performs printing by fixing the head unit II and moving a recording sheet S such as paper in the sub-scanning direction.

以上説明したインクジェット式記録装置Iに搭載されるヘッドユニットIIの一例について図2〜図5を用いて説明する。図2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3は、図1の平面図であり、図4は図3のA−A′線断面図である。   An example of the head unit II mounted on the ink jet recording apparatus I described above will be described with reference to FIGS. 2 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 the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a plan view of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.

流路形成基板10(以下、「基板10」と称する)は例えばシリコン単結晶基板からなり、圧力発生室12が形成されている。そして、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口21がX方向に沿って並設されている。基板10の材料はシリコンに限らず、SOIやガラス等であってもよい。   The flow path forming substrate 10 (hereinafter referred to as “substrate 10”) is made of, for example, a silicon single crystal substrate, and has a pressure generating chamber 12 formed therein. The pressure generating chambers 12 partitioned by the plurality of partition walls 11 are provided with a plurality of nozzle openings 21 that discharge the same color ink along the X direction. The material of the substrate 10 is not limited to silicon, but may be SOI or glass.

基板10のうち、圧力発生室12のY方向の一端部側には、インク供給路13と連通路14とが形成されている。インク供給路13は、圧力発生室12の片側をX方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。また、連通路14は、X方向において圧力発生室12と略同じ幅を有している。連通路14の外側(+Y方向側)には、連通部15が形成されている。連通部15は、マニホールド100の一部を構成する。マニホールド100は、各圧力発生室12の共通のインク室となる。このように、基板10には、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15からなる液体流路が形成されている。   An ink supply path 13 and a communication path 14 are formed on one end side in the Y direction of the pressure generation chamber 12 in the substrate 10. The ink supply path 13 is configured so that one side of the pressure generation chamber 12 is narrowed from the X direction so that the opening area thereof is reduced. The communication passage 14 has substantially the same width as the pressure generation chamber 12 in the X direction. A communication portion 15 is formed on the outside (+ Y direction side) of the communication path 14. The communication part 15 constitutes a part of the manifold 100. The manifold 100 serves as an ink chamber common to the pressure generation chambers 12. As described above, the substrate 10 is formed with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the ink supply path 13, the communication path 14, and the communication portion 15.

基板10の一方の面(−Z方向側の面)上には、例えばSUS製のノズルプレート20が接合されている。ノズルプレート20には、X方向に沿ってノズル開口21が並設されている。ノズル開口21は、各圧力発生室12に連通している。ノズルプレート20は、接着剤や熱溶着フィルム等によって基板10に接合することができる。   On one surface (surface on the −Z direction side) of the substrate 10, for example, a SUS nozzle plate 20 is bonded. Nozzle openings 21 are arranged in the nozzle plate 20 along the X direction. The nozzle opening 21 communicates with each pressure generation chamber 12. The nozzle plate 20 can be bonded to the substrate 10 with an adhesive, a heat welding film, or the like.

基板10の他方の面(+Z方向側の面)上には、振動板50が形成されている。振動板50は、例えば、基板10上に形成された弾性膜51と、弾性膜51上に形成された絶縁体膜52と、により構成されている。弾性膜51は、例えば二酸化シリコン(SiO)からなり、絶縁体膜52は、例えば酸化ジルコニウム(ZrO)からなる。弾性膜51は、基板10とは別部材でなくてもよい。基板10の一部を薄く加工し、これを弾性膜として使用してもよい。 A diaphragm 50 is formed on the other surface (the surface on the + Z direction side) of the substrate 10. The diaphragm 50 is constituted by, for example, an elastic film 51 formed on the substrate 10 and an insulator film 52 formed on the elastic film 51. The elastic film 51 is made of, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), and the insulator film 52 is made of, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ). The elastic film 51 may not be a separate member from the substrate 10. A part of the substrate 10 may be processed to be thin and used as an elastic film.

絶縁体膜52上には、密着層56を介して、バッファー層65と、第1電極60と、圧電体層70と、第2電極80と、を含む圧電素子300が形成されている。密着層56は、バッファー層65や第1電極60と下地との密着性を向上させるためのものである。密着層56としては、例えば、酸化チタン(TiO)、チタン(Ti)、又は、窒化シリコン(SiN)等を用いることができる。なお、密着層56は省略可能である。 On the insulator film 52, a piezoelectric element 300 including a buffer layer 65, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70, and a second electrode 80 is formed via an adhesion layer 56. The adhesion layer 56 is for improving the adhesion between the buffer layer 65 and the first electrode 60 and the base. As the adhesion layer 56, for example, titanium oxide (TiO X ), titanium (Ti), silicon nitride (SiN), or the like can be used. Note that the adhesion layer 56 can be omitted.

本実施形態では、電気機械変換特性を有する圧電体層70の変位によって、振動板50及び第1電極60が変位する。すなわち、本実施形態では、振動板50及び第1電極60が、実質的に振動板としての機能を有している。弾性膜51及び絶縁体膜52を省略して、第1電極60のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板10上に第1電極60を直接設ける場合には、第1電極60にインクが接触しないように、第1電極60を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。   In the present embodiment, the diaphragm 50 and the first electrode 60 are displaced by the displacement of the piezoelectric layer 70 having electromechanical conversion characteristics. That is, in the present embodiment, the diaphragm 50 and the first electrode 60 substantially have a function as a diaphragm. The elastic film 51 and the insulator film 52 may be omitted, and only the first electrode 60 may function as a diaphragm. When the first electrode 60 is directly provided on the substrate 10, it is preferable to protect the first electrode 60 with an insulating protective film or the like so that ink does not contact the first electrode 60.

第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けられている。つまり、第1電極60は、圧力発生室12毎に独立する個別電極として構成されている。第1電極60は、X方向において、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第1電極60は、Y方向において、圧力発生室12よりも広い幅で形成されている。   The first electrode 60 is cut for each pressure generation chamber 12. That is, the first electrode 60 is configured as an individual electrode independent for each pressure generating chamber 12. The first electrode 60 is formed with a width narrower than the width of the pressure generating chamber 12 in the X direction. The first electrode 60 is formed with a width wider than the pressure generation chamber 12 in the Y direction.

圧電体層70及び第2電極80は、X方向に亘って、第1電極60及び振動板50上に連続して設けられている。圧電体層70及び第2電極80のY方向のサイズは、圧力発生室12のY方向のサイズよりも大きい。   The piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 are continuously provided on the first electrode 60 and the diaphragm 50 in the X direction. The size of the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 in the Y direction is larger than the size of the pressure generating chamber 12 in the Y direction.

また圧電体層70には、各隔壁11に対応する凹部71が形成されている。凹部71のX方向のサイズは、各隔壁11のX方向のサイズと略同一、もしくはそれよりも大きくなっている。   In addition, the piezoelectric layer 70 has a recess 71 corresponding to each partition wall 11. The size of the recess 71 in the X direction is substantially the same as or larger than the size of each partition wall 11 in the X direction.

第2電極80は、複数の圧電体層70に共通する共通電極として構成されている。第2電極80ではなく、第1電極60を共通電極としても良い。本実施形態では、第2電極80は、圧電体層70側に設けられた第1層81と、第1層81の圧電体層70とは反対側に設けられた第2層82と、を具備する。第2層82は省略しても構わない。   The second electrode 80 is configured as a common electrode common to the plurality of piezoelectric layers 70. Instead of the second electrode 80, the first electrode 60 may be a common electrode. In the present embodiment, the second electrode 80 includes a first layer 81 provided on the piezoelectric layer 70 side and a second layer 82 provided on the opposite side of the first layer 81 from the piezoelectric layer 70. It has. The second layer 82 may be omitted.

第1電極60のインク供給路13側の端部(+Y方向側の端部)は圧電体層70及び第2電極80によって覆われている。一方、第1電極60のノズル開口21側の端部(−Y方向側の端部)は、圧電体層70の−Y方向側の端部から露出している。第1電極60の−Y方向側の端部には、第2電極80を形成する工程と同じ工程で形成された材料層(後述する第1層81及び82)を介して、リード電極90aに接続される。   The end of the first electrode 60 on the ink supply path 13 side (the end on the + Y direction side) is covered with the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80. On the other hand, the end portion on the nozzle opening 21 side (end portion on the −Y direction side) of the first electrode 60 is exposed from the end portion on the −Y direction side of the piezoelectric layer 70. The end of the first electrode 60 on the −Y direction side is connected to the lead electrode 90a via a material layer (first layers 81 and 82 described later) formed in the same process as the process of forming the second electrode 80. Connected.

また、第2電極80には、リード電極90bが接続されている。リード電極90a及び90bは、振動板50から第2電極80までが形成された基板10上に、リード電極90a及び90bを構成する材料の層を全面に亘って形成した後、この層を所定の形状にパターニングすることによって、同時に形成することができる。   Further, the lead electrode 90 b is connected to the second electrode 80. The lead electrodes 90a and 90b are formed on the substrate 10 on which the diaphragm 50 to the second electrode 80 are formed over the entire surface of the material constituting the lead electrodes 90a and 90b. By patterning into shapes, they can be formed simultaneously.

本実施形態では、第1電極60が圧力発生室12に対応して独立して設けられた個別電極を構成し、第2電極80が圧力発生室12の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成している液体噴射ヘッドを例示しているが、第1電極60が圧力発生室12の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成し、第2電極80が圧力発生室12に対応して独立して設けられた個別電極を構成していてもよい。   In this embodiment, the 1st electrode 60 comprises the separate electrode provided independently corresponding to the pressure generation chamber 12, and the 2nd electrode 80 is continuously provided over the parallel arrangement direction of the pressure generation chamber 12. FIG. The liquid ejecting head constituting the common electrode is illustrated, but the first electrode 60 constitutes the common electrode continuously provided across the juxtaposed direction of the pressure generating chambers 12, and the second electrode 80 may constitute an individual electrode provided independently corresponding to the pressure generating chamber 12.

圧電素子300が形成された基板10上には、保護基板30が接着剤35により接合されている。保護基板30は、マニホールド部32を有している。マニホールド部32により、マニホールド100の少なくとも一部が構成されている。本実施形態に係るマニホールド部32は、保護基板30を厚さ方向(Z方向)に貫通しており、更に圧力発生室12の幅方向(X方向)に亘って形成されている。そして、マニホールド部32は、上記のように、基板10の連通部15と連通している。これらの構成により、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が構成されている。   A protective substrate 30 is bonded to the substrate 10 on which the piezoelectric element 300 is formed by an adhesive 35. The protective substrate 30 has a manifold portion 32. The manifold part 32 constitutes at least a part of the manifold 100. The manifold portion 32 according to the present embodiment penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction (Z direction), and is further formed across the width direction (X direction) of the pressure generating chamber 12. The manifold portion 32 communicates with the communication portion 15 of the substrate 10 as described above. With these configurations, the manifold 100 serving as an ink chamber common to the pressure generation chambers 12 is configured.

保護基板30上には、封止膜41及び固定板42からなるコンプライアンス基板40が接合されている。固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向(Z方向)に完全に除去された開口部43となっている。マニホールド100の一方の面(+Z方向側の面)は、可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   A compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. A region of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction (Z direction). One surface (the surface on the + Z direction side) of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41.

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、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、図示しない駆動回路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、振動板50、密着層56、第1電極60、バッファー層65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, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), filled with ink from the manifold 100 to the nozzle opening 21, and then recorded from a drive circuit (not shown). In accordance with the signal, a voltage is applied between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generation chamber 12, and the diaphragm 50, the adhesion layer 56, the first electrode 60, the buffer layer 65, and the piezoelectric layer. By bending and deforming 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

次に、圧電素子300について、さらに詳細に説明する。圧電素子300は、第1電極60と、第2電極80と、第1電極60と第2電極80との間に設けられた圧電体層70と、を含む。第1電極60の厚さは約50nmである。圧電体層70は、厚さが50nm以上2000nm以下の、いわゆる薄膜の圧電体である。第2電極80の厚さは約50nmである。ここに挙げた各要素の厚さはいずれも一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲内で変更可能である。   Next, the piezoelectric element 300 will be described in more detail. The piezoelectric element 300 includes a first electrode 60, a second electrode 80, and a piezoelectric layer 70 provided between the first electrode 60 and the second electrode 80. The thickness of the first electrode 60 is about 50 nm. The piezoelectric layer 70 is a so-called thin film piezoelectric body having a thickness of 50 nm to 2000 nm. The thickness of the second electrode 80 is about 50 nm. The thickness of each element listed here is an example, and can be changed within a range not changing the gist of the present invention.

第1電極60の材料は、バッファー層65及び圧電体層70を形成する際に酸化せず、導電性を維持できる材料であることが必要である。例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属、又はランタンニッケル酸化物(LNO)等に代表される導電性酸化物が挙げられる。これらの中でも、圧電体層70の配向のし易さの観点から、白金を用いることが好ましい。本実施形態では、(111)面に優先配向しており、(111)面に由来するX線回折法による回折ピークの半値幅が10度以下である白金を第1電極60として用いている。ここで、「優先配向する」とは、全ての結晶、又はほとんどの結晶(例えば、50%以上、好ましくは80%以上)が特定の方位、例えば(111)面や(100)面に配向していることを言う。   The material of the first electrode 60 needs to be a material that does not oxidize when the buffer layer 65 and the piezoelectric layer 70 are formed and can maintain conductivity. For example, a noble metal such as platinum (Pt) or iridium (Ir), or a conductive oxide represented by lanthanum nickel oxide (LNO) or the like can be given. Among these, it is preferable to use platinum from the viewpoint of easy orientation of the piezoelectric layer 70. In the present embodiment, platinum that is preferentially oriented in the (111) plane and has a half-value width of a diffraction peak by an X-ray diffraction method derived from the (111) plane of 10 degrees or less is used as the first electrode 60. Here, “preferentially oriented” means that all or almost all crystals (for example, 50% or more, preferably 80% or more) are oriented in a specific orientation, for example, (111) plane or (100) plane. Say that.

バッファー層65は、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物である。ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは、0.51以上40.91以下、好ましくは、1.14以上18.18以下、さらに好ましくは、1.95以上10.61以下である。   The buffer layer 65 is an oxide containing bismuth and vanadium. The molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is 0.51 to 40.91, preferably 1.14 to 18.18, and more preferably 1.95 to 10.61.

後に詳しく述べるように、バッファー層65は、溶液法で形成することができる。この場合、バッファー層65を構成する結晶は、第1電極と圧電体層との間に全体的に一定の厚みで存在する膜状とはならず、島状となる場合もある。つまり、バッファー層65は、酸化物が第1電極と圧電体層との間に全体的に一定の厚みで存在する形態(膜状)のものだけでなく、島状のものを含むものとする。また、バッファー層65は、複数の圧電材料層74を焼成する際に圧電材料層74との間で成分元素の拡散等が生じる可能性があり、完全に分離された層としては検出されない可能性がある。しかし、このような場合であっても、圧電体層70の第1電極側に、例えば、バナジウム(V)の濃度が高い領域が存在することを確認することができ、これによりバッファー層65の存在を確認することができる。   As will be described in detail later, the buffer layer 65 can be formed by a solution method. In this case, the crystals constituting the buffer layer 65 may not be in the form of a film having a constant thickness as a whole between the first electrode and the piezoelectric layer, but may be in the form of islands. That is, the buffer layer 65 includes not only a form (film form) in which the oxide is present between the first electrode and the piezoelectric layer as a whole with a constant thickness but also an island form. In addition, when the plurality of piezoelectric material layers 74 are baked, the buffer layer 65 may cause diffusion of component elements between the piezoelectric material layers 74 and may not be detected as a completely separated layer. There is. However, even in such a case, it can be confirmed that a region having a high vanadium (V) concentration, for example, is present on the first electrode side of the piezoelectric layer 70, thereby The existence can be confirmed.

バッファー層65によって、バッファー層65上に形成される圧電体層70を構成する複合酸化物の結晶の配向を制御することができる。具体的には、後述するように、バッファー層65におけるビスマスのバナジウムに対するモル比を変更することにより、圧電体層70を構成する結晶の配向をランダムとしたり、あるいは、当該結晶を(100)面へ優先配向させたり、(110)面に優先配向させたりすることができる。   The buffer layer 65 can control the crystal orientation of the complex oxide constituting the piezoelectric layer 70 formed on the buffer layer 65. Specifically, as will be described later, by changing the molar ratio of bismuth to vanadium in the buffer layer 65, the orientation of the crystals constituting the piezoelectric layer 70 is made random, or the crystals are (100) planes. Can be preferentially oriented to the (110) plane.

圧電体は結晶の方位によって、変位量、誘電率、ヤング率等様々な物理的性質が異なる。よって、圧電体層を構成する複合酸化物の結晶が特定の方向に優先配向している方が、優れた圧電素子を得やすい。   Piezoelectric materials have different physical properties such as displacement, dielectric constant, Young's modulus, etc., depending on crystal orientation. Therefore, it is easier to obtain an excellent piezoelectric element when the complex oxide crystals constituting the piezoelectric layer are preferentially oriented in a specific direction.

圧電体層70は、ビスマス(Bi)及び鉄(Fe)、又はビスマス(Bi)、鉄(Fe)、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる。   The piezoelectric layer 70 is made of a composite oxide having a perovskite structure including bismuth (Bi) and iron (Fe), or bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba), and titanium (Ti).

ペロブスカイト構造、すなわち、ABO3型構造のAサイトには酸素が12配位しており、また、Bサイトには酸素が6配位して、8面体(オクタヘドロン)をつくっている。ビスマス及び鉄、又はビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物において、ビスマス(Bi)とバリウム(Ba)はAサイトに、鉄(Fe)とチタン(Ti)はBサイトに位置する。 In the perovskite structure, that is, the A site of the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and oxygen is 6-coordinated to the B site to form an octahedron. In a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth and iron, or bismuth, iron, barium and titanium, bismuth (Bi) and barium (Ba) are located at the A site, and iron (Fe) and titanium (Ti) are located at the B site. To do.

Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造の複合酸化物の場合、当該複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。   In the case of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti, the composite oxide is a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved. It is also expressed as a solid solution. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone.

鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、BiFeOやBaTiO以外に、元素(Bi、Fe、Ba、TiやO)が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本実施形態で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物において、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。 Bismuth ferrate and barium titanate are known piezoelectric materials each having a perovskite structure, and those having various compositions are known. For example, as bismuth ferrate or barium titanate, in addition to BiFeO 3 or BaTiO 3 , some elements (Bi, Fe, Ba, Ti, O) are partially lost or excessive, or some of the elements are other elements Although it is also known that it has been replaced with bismuth ferrate or barium titanate in this embodiment, it is deviated from the stoichiometric composition due to deficiency or excess unless the basic characteristics are changed. And those in which some of the elements are replaced with other elements are also included in the ranges of bismuth ferrate and barium titanate. In the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, barium and titanium, the ratio of bismuth ferrate manganate to barium titanate can be variously changed.

Bi及びFeを含むぺロブスカイト構造の複合酸化物の組成は、BiFeOで表される。また、Bi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造の複合酸化物の組成は、((Bi,Ba)(Fe,Ti)O)で表される。これらは、代表的には、下記一般式(1)で表される。また、この式(1)は、下記一般式(1’)で表すこともできる。ここで、一般式(1)及び一般式(1’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が1とすると、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。 The composition of the complex oxide having a perovskite structure containing Bi and Fe is represented by BiFeO 3 . The composition of the composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti is represented by ((Bi, Ba) (Fe, Ti) O 3 ). These are typically represented by the following general formula (1). Moreover, this formula (1) can also be represented by the following general formula (1 ′). Here, the description of the general formula (1) and the general formula (1 ′) is a composition notation based on stoichiometry, and as described above, as long as a perovskite structure can be taken, it is inevitable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Of course, a partial substitution of elements is allowed as well as a slight compositional deviation. For example, if the stoichiometric ratio is 1, the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.

(1−x)[BiFeO]−x[BaTiO] (1)
(0≦x≦0.50)
(Bi1−xBa)(Fe1−xTi)O (1’)
(0≦x≦0.50)
(1-x) [BiFeO 3 ] -x [BaTiO 3 ] (1)
(0 ≦ x ≦ 0.50)
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(0 ≦ x ≦ 0.50)

上記のペロブスカイト構造の複合酸化物は、Bi、Fe、Ba及びTi以外の元素(添加元素)をさらに含んでいてもよい。添加元素としては、例えば、Mn、Co、Crなどが挙げられる。Mn、CoやCrを含む場合、これらの元素はBサイトに位置する。例えば、Mnを含む場合、複合酸化物は、鉄酸ビスマス、又は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体において、Feの一部がMnで置換された構造となる。また、後者の場合、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物としても表される。Mnを添加した上記ペロブスカイト構造の複合酸化物の基本的な特性は、Mnを添加しない上記ペロブスカイト構造の複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上することがわかっている。また、CoやCrを含む場合も、Mnと同様にリーク特性が向上するものである。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Mn、CoおよびCrを例として説明したが、その他遷移金属元素の2元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっている。圧電体層70を構成する複合酸化物は、さらに、特性を向上等させるために、公知のその他の添加元素を含んでもよい。   The complex oxide having the perovskite structure may further contain an element (additive element) other than Bi, Fe, Ba, and Ti. Examples of the additive element include Mn, Co, Cr, and the like. When Mn, Co and Cr are included, these elements are located at the B site. For example, when Mn is included, the composite oxide has a structure in which part of Fe is substituted with Mn in a solid solution in which bismuth ferrate or bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved. In the latter case, it is also expressed as a complex oxide having a perovskite structure of mixed crystal of bismuth ferrate manganate and barium titanate. The basic characteristics of the composite oxide having the perovskite structure to which Mn is added are the same as those of the composite oxide having the perovskite structure to which Mn is not added, but it is known that the leakage characteristics are improved. Further, when Co or Cr is included, the leakage characteristics are improved in the same manner as Mn. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate, barium titanate, bismuth manganate ferrate, bismuth ferrate cobaltate, and bismuth ferrate chromate are not detected alone. Further, although Mn, Co, and Cr have been described as examples, it has been found that leakage characteristics are similarly improved when two other transition metal elements are included at the same time. The composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 may further contain other known additive elements in order to improve the characteristics.

このような添加元素を含むペロブスカイト型複合酸化物は、代表的には、下記一般式(2)で表される。また、この式(2)は、下記一般式(2’)で表すこともできる。なお一般式(2)及び一般式(2’)において、M1,M2,M3,M4はいずれも添加元素であり、それぞれBi,Fe,Ba,Tiの一部と置換されうる1種以上の金属元素である。ここで、一般式(2)及び一般式(2’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは許容される。例えば、化学量論が1であれば、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。   A perovskite complex oxide containing such an additive element is typically represented by the following general formula (2). Further, the formula (2) can also be expressed by the following general formula (2 ′). In the general formula (2) and the general formula (2 ′), M1, M2, M3, and M4 are all additive elements, and one or more metals that can be substituted for part of Bi, Fe, Ba, and Ti, respectively. It is an element. Here, the description of the general formula (2) and the general formula (2 ′) is a composition notation based on the stoichiometry, and as described above, as long as the perovskite structure can be taken, it is unavoidable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Such compositional deviation is acceptable. For example, if the stoichiometry is 1, one in the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.

(1−x)[(Bi1−aM1)(Fe1−bM2)O]−x[(Ba1−cM3)(Ti1−dM4)O] (2)
(0≦x≦0.50、0.01<a<0.10、0.01<b<0.10、0.01<c<0.10、0.01<d<0.10)
[(Bi1−aM11−x(Ba1−cM3][(Fe1−bM21−x(Ti1−dM4]O (2’)
(0≦x≦0.50、0.01<a<0.10、0.01<b<0.10、0.01<c<0.10、0.01<d<0.10)
(1-x) [(Bi 1-a M1 a) (Fe 1-b M2 b) O 3] -x [(Ba 1-c M3 c) (Ti 1-d M4 d) O 3] (2)
(0 ≦ x ≦ 0.50, 0.01 <a <0.10, 0.01 <b <0.10, 0.01 <c <0.10, 0.01 <d <0.10)
[(Bi 1-a M1 a ) 1-x (Ba 1-c M3 c ) x ] [(Fe 1-b M2 b ) 1-x (Ti 1-d M4 d ) x ] O 3 (2 ′)
(0 ≦ x ≦ 0.50, 0.01 <a <0.10, 0.01 <b <0.10, 0.01 <c <0.10, 0.01 <d <0.10)

次に、本実施形態の圧電素子300の製造方法の一例について、インクジェット式記録ヘッドの製造方法とあわせて、図5〜図8を参照して説明する。なお、図5〜図8は、圧力発生室の長手方向(第2方向)の断面図である。本実施形態では、圧電材料層74として、Bi、Fe、Ba及びTiを含む複合酸化物を形成する場合について例示する。   Next, an example of a method for manufacturing the piezoelectric element 300 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 8 together with a method for manufacturing an ink jet recording head. 5 to 8 are cross-sectional views in the longitudinal direction (second direction) of the pressure generating chamber. In the present embodiment, the case where a composite oxide containing Bi, Fe, Ba, and Ti is formed as the piezoelectric material layer 74 is illustrated.

まず、図5(a)に示すように、シリコン基板110を準備する。次に、シリコン基板110を熱酸化することによってその表面に、二酸化シリコン(SiO)等からなる弾性膜51を形成する。さらに、弾性膜51上に、スパッタリング法でジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することで酸化ジルコニウム膜からなる絶縁体膜52を得る。このようにして、弾性膜51と絶縁体膜52とからなる振動板50を形成する。さらに、絶縁体膜52上に、スパッタリンク法でチタン膜を形成し、これを熱酸化することで、密着層56を構成する酸化チタン膜を形成する。 First, as shown in FIG. 5A, a silicon substrate 110 is prepared. Next, the silicon substrate 110 is thermally oxidized to form an elastic film 51 made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like on the surface thereof. Further, a zirconium film is formed on the elastic film 51 by a sputtering method, and this is thermally oxidized to obtain an insulator film 52 made of a zirconium oxide film. In this way, the diaphragm 50 composed of the elastic film 51 and the insulator film 52 is formed. Further, a titanium film is formed on the insulator film 52 by a sputtering link method, and thermally oxidized to form a titanium oxide film constituting the adhesion layer 56.

次に、図5(b)に示すように、第1電極60を構成する白金層を、スパッタリング法や蒸着法等により形成する。その後、図5(c)に示すように、密着層56を構成する酸化チタン膜及び第1電極60を構成する白金層を同時にパターニングして、所望の形状とする。密着層56及び第1電極60のパターニングは、例えば、第1電極60上に所定形状のマスク(図示なし)を形成し、このマスクを介して密着層56及び第1電極60をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィー法を用いることが可能である。   Next, as shown in FIG. 5B, a platinum layer constituting the first electrode 60 is formed by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. Thereafter, as shown in FIG. 5C, the titanium oxide film constituting the adhesion layer 56 and the platinum layer constituting the first electrode 60 are simultaneously patterned to have a desired shape. For the patterning of the adhesion layer 56 and the first electrode 60, for example, a mask having a predetermined shape (not shown) is formed on the first electrode 60, and the adhesion layer 56 and the first electrode 60 are etched through the mask. Photolithographic methods can be used.

次に、図5(d)に示すように、第1電極60(及び絶縁体膜52)上に、ビスマス及びバナジウムを含むバッファー層65を形成する。バッファー層65は、例えば、MOD(Metal−Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の溶液法により形成できる。また、バッファー層65は、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法等の固相法によっても形成できる。   Next, as shown in FIG. 5D, a buffer layer 65 containing bismuth and vanadium is formed on the first electrode 60 (and the insulator film 52). The buffer layer 65 can be formed by, for example, a solution method such as a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sol-gel method. The buffer layer 65 can also be formed by a solid phase method such as a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, or an aerosol deposition method.

バッファー層65を溶液法で形成する場合の具体的手順は、以下のとおりである。まず、金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなるバッファー層65用の前駆体溶液を準備する。次に、図5(c)に示すように、この前駆体溶液を第1電極60上にスピンコート法等によって塗布して、前駆体膜を形成する(塗布工程)。   A specific procedure for forming the buffer layer 65 by a solution method is as follows. First, a MOD solution containing a metal complex and a precursor solution for the buffer layer 65 made of a sol are prepared. Next, as shown in FIG. 5C, this precursor solution is applied onto the first electrode 60 by a spin coating method or the like to form a precursor film (application step).

バッファー層65用の前駆体溶液は、焼成によりビスマス(Bi)とバナジウム(V)とを含む酸化物を形成しうる金属錯体を混合し、該混合物を有機溶媒に溶解または分散させたものである。BiやVをそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、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を含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマスなどが挙げられる。Vを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸バナジウム、酢酸バナジウムなどが挙げられる。各元素を含む金属錯体を二種以上用いても良い。たとえば、Biを含む金属錯体を二種以上用いても良い。また、前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。   The precursor solution for the buffer layer 65 is obtained by mixing a metal complex capable of forming an oxide containing bismuth (Bi) and vanadium (V) by firing, and dissolving or dispersing the mixture in an organic solvent. . As a metal complex containing Bi or V, for example, an alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex, or the like can be used. Examples of the metal complex containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate and bismuth acetate. Examples of the metal complex containing V include vanadium 2-ethylhexanoate and vanadium acetate. Two or more metal complexes containing each element may be used. For example, two or more metal complexes containing Bi may be used. Examples of the solvent for the precursor solution include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octylic acid, and the like.

バッファー層65用の前駆体溶液において、金属錯体の混合割合は、各金属が所望のモル比となるように決定される。バッファー層65上に形成される圧電体層70を構成する複合酸化物の結晶の配向は、次のように制御される。
(1)ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが比較的小さい場合はランダム
(2)Bi/Vが中程度の場合は(100)面への優先配向
(3)Bi/Vが比較的大きい場合は(110)面への優先配向
すなわち、バッファー層65を形成する際に、ビスマスとバナジウムとのモル比を変更することにより、圧電体層を構成する複合酸化物の結晶の配向を制御することができる。溶液法では、バッファー層65用の前駆体溶液を調製する際に、ビスマスとバナジウムとのモル比を設定すればよい。
In the precursor solution for the buffer layer 65, the mixing ratio of the metal complex is determined so that each metal has a desired molar ratio. The crystal orientation of the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 formed on the buffer layer 65 is controlled as follows.
(1) When the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is relatively small, random (2) When Bi / V is medium, (100) Preferred orientation to the plane (3) When Bi / V is relatively large Controls the orientation of the crystals of the composite oxide constituting the piezoelectric layer by changing the molar ratio of bismuth and vanadium when forming the buffer layer 65, that is, the preferred orientation to the (110) plane. Can do. In the solution method, when the precursor solution for the buffer layer 65 is prepared, the molar ratio of bismuth and vanadium may be set.

次いで、この前駆体膜を所定温度(例えば、150〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した前駆体膜を所定温度(例えば、350〜450℃)に加熱し、この温度で一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。ここで言う脱脂とは、前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、NO、CO、HO等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。 Next, the precursor film is heated to a predetermined temperature (for example, 150 to 200 ° C.) and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried precursor film is heated to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.), and degreased by holding at this temperature for a predetermined time (degreasing step). Degreasing as used herein refers to desorbing organic components contained in the precursor film, for example, as NO 2 , CO 2 , H 2 O, or the like. The atmosphere of the drying step or the degreasing step is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas.

最後に、脱脂した前駆体膜を、より高い温度、例えば600〜850℃程度に加熱して、この温度で一定時間、例えば、1〜10分間保持することによって結晶化させる(焼成工程)と、バッファー層65が完成する。   Finally, the degreased precursor film is heated to a higher temperature, for example, about 600 to 850 ° C., and is crystallized by holding at this temperature for a certain time, for example, 1 to 10 minutes (firing step). The buffer layer 65 is completed.

焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。バッファー層乾燥工程、バッファー層脱脂工程及びバッファー層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。   Also in the firing step, the atmosphere is not limited, and it may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas. Examples of the heating device used in the buffer layer drying step, the buffer layer degreasing step, and the buffer layer baking step include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp, a hot plate, and the like.

本実施形態では、塗布工程を1回として1層からなるバッファー層65を形成したが、上述したバッファー層塗布工程、バッファー層乾燥工程及びバッファー層脱脂工程や、バッファー層塗布工程、バッファー層乾燥工程、バッファー層脱脂工程及びバッファー層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層からなるバッファー層65を形成してもよい。   In the present embodiment, a single buffer layer 65 is formed with one coating step, but the above-described buffer layer coating step, buffer layer drying step, buffer layer degreasing step, buffer layer coating step, buffer layer drying step The buffer layer degreasing step and the buffer layer baking step may be repeated a plurality of times depending on the desired film thickness and the like to form a buffer layer 65 composed of a plurality of layers.

なお、バッファー層65を溶液法で形成した場合、塗布する溶液の濃度が薄く、また塗布される膜も薄いため、焼成の際に膜が収縮し、作製された結晶が、第1電極と圧電体層との間に全体的に一定の厚みで存在する膜状とはならず、島状となる場合もある。図5(d)等では、酸化物が第1電極と圧電体層との間に全体的に一定の厚みで存在する形態(膜状)でバッファー層65を示しているが、バッファー層65は島状のものを含むものとする。   When the buffer layer 65 is formed by a solution method, the concentration of the solution to be applied is thin and the film to be applied is also thin. Therefore, the film shrinks during firing, and the produced crystal becomes the first electrode and the piezoelectric film. In some cases, it does not have a film shape with a constant thickness between the body layer and an island shape. In FIG. 5D and the like, the buffer layer 65 is shown in a form (film shape) in which the oxide is present between the first electrode and the piezoelectric layer with a constant thickness as a whole. Including islands.

次に、バッファー層65上に、複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成する。圧電体層70は、バッファー層65と同様の方法で作製することができる。図6(a)には、圧電体層70を液相法によって形成する例を示している。図6(a)に示したように、液相法によって形成された圧電体層70は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程によって形成された圧電体膜72を複数有する。すなわち、圧電体層70は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。塗布工程から焼成工程までの一連の工程は、バッファー層65用の前駆体溶液の代わりに圧電体膜72用の前駆体溶液を用いる点を除き、液相法でバッファー層65を形成する工程と同様である。   Next, a piezoelectric layer 70 composed of a plurality of piezoelectric films 72 is formed on the buffer layer 65. The piezoelectric layer 70 can be manufactured by the same method as the buffer layer 65. FIG. 6A shows an example in which the piezoelectric layer 70 is formed by a liquid phase method. As shown in FIG. 6A, the piezoelectric layer 70 formed by the liquid phase method has a plurality of piezoelectric films 72 formed by a series of steps from the coating step to the firing step. That is, the piezoelectric layer 70 is formed by repeating a series of steps from the coating step to the firing step a plurality of times. A series of steps from the coating step to the firing step includes a step of forming the buffer layer 65 by a liquid phase method except that a precursor solution for the piezoelectric film 72 is used instead of the precursor solution for the buffer layer 65. It is the same.

一例として、Bi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電体膜72を形成する場合は、焼成によりBi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物を形成しうる金属錯体を有機溶媒に溶解または分散させたものを、前駆体溶液として用いる。また、ベースとなる材料系に、Mn、CoやCrなどの金属を少量添加する場合には、さらに、このような添加金属を含む金属錯体を前駆体溶液に加える。   As an example, when forming the piezoelectric film 72 made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Ba, Fe and Ti, a complex oxide containing Bi, Ba, Fe and Ti can be formed by firing. A solution obtained by dissolving or dispersing a metal complex in an organic solvent is used as a precursor solution. When a small amount of metal such as Mn, Co, or Cr is added to the base material system, a metal complex containing such an added metal is further added to the precursor solution.

金属錯体としては、バッファー層65の場合と同様、例えば、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、Fe及びTiを含む金属錯体については、バッファー層65用の前駆体膜を形成する際に用いた金属錯体と同様のものを用いることができる。Baを含む金属錯体としては、例えば、酢酸バリウム、バリウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸バリウム、バリウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。Mnを含有する金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。Coを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸コバルト、コバルト(III)アセチルアセトナートなどが挙げられる。Crを含む有機金属化合物としては、2−エチルヘキサン酸クロムなどが挙げられる。Bi、Ba、Fe、Ti等を二種以上含む金属錯体を用いてもよい。また、各元素を含む金属錯体を二種以上用いても良い。たとえば、Biを含む金属錯体を二種以上用いても良い。また、前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。   As the metal complex, as in the case of the buffer layer 65, for example, an alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex, or the like can be used. About the metal complex containing Bi, Fe, and Ti, the same metal complex as that used when forming the precursor film for the buffer layer 65 can be used. Examples of the metal complex containing Ba include barium acetate, barium isopropoxide, barium 2-ethylhexanoate, barium acetylacetonate, and the like. Examples of the metal complex containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate and manganese acetate. Examples of the organometallic compound containing Co include cobalt 2-ethylhexanoate and cobalt (III) acetylacetonate. Examples of the organometallic compound containing Cr include chromium 2-ethylhexanoate. A metal complex containing two or more of Bi, Ba, Fe, Ti and the like may be used. Moreover, you may use 2 or more types of metal complexes containing each element. For example, two or more metal complexes containing Bi may be used. Examples of the solvent for the precursor solution include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octylic acid, and the like.

図6(a)では、上述した塗布工程から焼成工程までの一連の工程を9回繰り返して、9層の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成する例を示している。塗布工程によって形成された前駆体膜の膜厚が0.1μm程度の場合、9層の圧電体膜72からなる圧電体層70の全体の膜厚は約0.9μm程度となる。   FIG. 6A shows an example in which a series of steps from the coating step to the firing step described above is repeated nine times to form a piezoelectric layer 70 composed of nine layers of piezoelectric films 72. When the film thickness of the precursor film formed by the coating process is about 0.1 μm, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the nine piezoelectric films 72 is about 0.9 μm.

先に説明したとおり、バッファー層65上に形成される圧電体層70を構成する複合酸化物の結晶の配向は、バッファー層65におけるビスマスのバナジウムに対するモル比を変更することにより制御され、ランダム、(100)面への優先配向、あるいは(110)面への優先配向のいずれかとなる。   As described above, the orientation of the crystals of the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 formed on the buffer layer 65 is controlled by changing the molar ratio of bismuth to vanadium in the buffer layer 65, and is randomly selected. Either the preferred orientation to the (100) plane or the preferred orientation to the (110) plane.

次に、図6(b)に示すように、圧電体層70上に第2電極80の一部として第1層81を形成する。第1層81は、白金をスパッタリングすることにより成膜される。   Next, as shown in FIG. 6B, the first layer 81 is formed as a part of the second electrode 80 on the piezoelectric layer 70. The first layer 81 is formed by sputtering platinum.

次に、図7(a)に示すように、第1層81及び圧電体層70を各圧力発生室12に対応してパターニングする。第1層81及び圧電体層70のパターニングは、例えば、第1層81上に所定形状のマスク(図示なし)を形成し、このマスクを介して第1層81及び圧電体層70をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィー法を用いることが可能である。   Next, as shown in FIG. 7A, the first layer 81 and the piezoelectric layer 70 are patterned corresponding to each pressure generating chamber 12. For patterning the first layer 81 and the piezoelectric layer 70, for example, a mask (not shown) having a predetermined shape is formed on the first layer 81, and the first layer 81 and the piezoelectric layer 70 are etched through the mask. It is possible to use a so-called photolithography method.

次に、図7(b)に示すように、基板110の一方面側(圧電体層70が形成された面側)に、第2層82を形成する。第2層82は、第1層81と同様、白金をスパッタリングすることによって形成することが可能である。   Next, as shown in FIG. 7B, the second layer 82 is formed on one side of the substrate 110 (the side on which the piezoelectric layer 70 is formed). Similar to the first layer 81, the second layer 82 can be formed by sputtering platinum.

以上の工程によって、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを備えた圧電素子300が完成する。本実施形態では、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とが重なり合う部分が、実質的に圧電素子300として機能する。   Through the above steps, the piezoelectric element 300 including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 is completed. In the present embodiment, the portion where the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 overlap substantially functions as the piezoelectric element 300.

次に、図7(c)に示すように、基板110上に、例えば、金(Au)等からなるリード電極90a,90bを形成する。リード電極90a及び90bは、基板110上に、リード電極90a及び90bを構成する材料の層を全面に亘って形成した後、この層を所定の形状にパターニングすることによって、同時に形成することができる。このときのパターニングにも、上述したようなフォトリソグラフィー法を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 7C, lead electrodes 90 a and 90 b made of, for example, gold (Au) are formed on the substrate 110. The lead electrodes 90a and 90b can be simultaneously formed by forming a layer of the material constituting the lead electrodes 90a and 90b over the entire surface on the substrate 110 and then patterning the layer into a predetermined shape. . The photolithography method described above can also be used for patterning at this time.

次に、図8(a)に示すように、基板110の圧電素子300側の面に、接着剤35を介して保護基板用ウェハー130を接合する。また、保護基板用ウェハー130に、マニホールド部32や貫通孔33を形成する。   Next, as illustrated in FIG. 8A, a protective substrate wafer 130 is bonded to the surface of the substrate 110 on the piezoelectric element 300 side via an adhesive 35. Further, the manifold portion 32 and the through hole 33 are formed in the protective substrate wafer 130.

次に、基板110の表面を削って薄くする。そして、図8(b)に示すように、基板110上に、マスク膜54を新たに形成し、これを所定形状にパターニングする。そして、図8(c)に示すように、マスク膜54を介して、基板110に対して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)を実施する。これにより、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15を形成する。   Next, the surface of the substrate 110 is cut and thinned. Then, as shown in FIG. 8B, a mask film 54 is newly formed on the substrate 110 and patterned into a predetermined shape. Then, as shown in FIG. 8C, anisotropic etching (wet etching) using an alkaline solution such as KOH is performed on the substrate 110 through the mask film 54. Thereby, the pressure generating chamber 12, the ink supply path 13, the communication path 14, and the communication part 15 are formed.

次に、シリコン基板110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分をダイシング等により切断・除去する。更に、シリコン基板110の圧電素子300とは反対側の面に、ノズルプレート20を接合する(図4(a)参照)。また、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合する(図4(a)参照)。ここまでの工程によって、ヘッドユニットIIのチップの集合体が完成する。この集合体を個々のチップに分割することによって、ヘッドユニットIIが得られる。   Next, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the silicon substrate 110 and the protective substrate wafer 130 are cut and removed by dicing or the like. Further, the nozzle plate 20 is bonded to the surface of the silicon substrate 110 opposite to the piezoelectric element 300 (see FIG. 4A). Further, the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130 (see FIG. 4A). The assembly of the chips of the head unit II is completed through the steps so far. The head unit II is obtained by dividing the aggregate into individual chips.

以下、製造例を示し、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。
(実施例1)
<基板の準備>
まず、単結晶シリコン基板を酸化することで、表面に厚さ170nmの二酸化シリコン膜からなる弾性膜51を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にスパッター法にて厚さ285nmのジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することで、酸化ジルコニウム膜からなる絶縁体膜52を形成した。その後、酸化ジルコニウム膜上にスパッター法にて厚さ20nmのチタン膜を形成し、これを熱酸化することで、酸化チタン膜からなる密着層56を形成した。次に、酸化チタン膜上に、スパッター法により、厚さ130nmの第1電極60を形成して、電極付き基板とした。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to production examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
Example 1
<Preparation of substrate>
First, an elastic film 51 made of a silicon dioxide film having a thickness of 170 nm was formed on the surface by oxidizing a single crystal silicon substrate. Next, a zirconium film having a thickness of 285 nm was formed on the silicon dioxide film by sputtering, and this was thermally oxidized to form an insulator film 52 made of a zirconium oxide film. Thereafter, a titanium film having a thickness of 20 nm was formed on the zirconium oxide film by sputtering, and this was thermally oxidized to form an adhesion layer 56 made of a titanium oxide film. Next, a first electrode 60 having a thickness of 130 nm was formed on the titanium oxide film by a sputtering method to obtain a substrate with an electrode.

<バッファー層用の前駆体溶液の調製>
次に、第1電極60上にBi及びバナジウムを含むバッファー層65を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、2−エチルヘキサン酸ビスマスのn−オクタン溶液(溶液1)と2−エチルヘキサン酸バナジウムのn−オクタン溶液(溶液2)を、Biの濃度が0.5mol/L、Vの濃度が0.11mol/Lとなるように調製した。次に、溶液1と溶液2とを、体積比で3:7となるように混合し、さらに、Biの濃度が0.015mol/Lとなるようにn−オクタン溶液で希釈を行い、バッファー層65用の前駆体溶液を調製した。ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは1.95である。
<Preparation of precursor solution for buffer layer>
Next, a buffer layer 65 containing Bi and vanadium was formed on the first electrode 60. The method is as follows. First, an n-octane solution (solution 1) of bismuth 2-ethylhexanoate and an n-octane solution (solution 2) of vanadium 2-ethylhexanoate have a Bi concentration of 0.5 mol / L and a V concentration of 0. It was prepared to be 11 mol / L. Next, the solution 1 and the solution 2 are mixed so that the volume ratio is 3: 7, and further diluted with an n-octane solution so that the concentration of Bi becomes 0.015 mol / L. A precursor solution for 65 was prepared. The molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is 1.95.

<圧電体層の前駆体溶液の調製>
Bi、Ba、Fe、Ti及びMnを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる圧電体膜72を形成するために、2−エチルヘキサン酸ビスマス、2−エチルヘキサン酸バリウム、2−エチルヘキサン酸鉄、2−エチルヘキサン酸チタン及び2−エチルヘキサン酸マンガンの各n−オクタン溶液を混合し、Bi:Ba:Fe:Ti:Mnのモル比が、Bi:Ba:Fe:Ti:Mn=75:25:71.25:25:3.75となるように混合して、Bi、Ba、Fe、Ti及びMnを含む圧電体層の前駆体溶液(以下、「BFM―BT前駆体溶液」という)を調製した。
<Preparation of precursor solution for piezoelectric layer>
In order to form a piezoelectric film 72 made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Ba, Fe, Ti and Mn, bismuth 2-ethylhexanoate, barium 2-ethylhexanoate, 2-ethylhexanoic acid Each n-octane solution of iron, titanium 2-ethylhexanoate and manganese 2-ethylhexanoate was mixed, and the molar ratio of Bi: Ba: Fe: Ti: Mn was Bi: Ba: Fe: Ti: Mn = 75. : 25: 71.25: 25: 3.75, and mixed with a precursor solution of a piezoelectric layer containing Bi, Ba, Fe, Ti and Mn (hereinafter referred to as “BFM-BT precursor solution”) ) Was prepared.

<バッファー層の形成>
バッファー層用の前駆体溶液を、上記電極付き基板上に滴下し、3000rpmで前記電極付き基板を回転させてスピンコートすることによりバッファー層前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に、180℃のホットプレート上で4分間加熱した後、350℃で4分間加熱した(乾燥工程及び脱脂工程)。次に、RTA装置を使用し、700℃で5分間焼成した(焼成工程)。以上の工程により、バナジウム酸ビスマスからなり、島状で厚さ10nm程度のバッファー層65を形成した。
<Formation of buffer layer>
The precursor solution for the buffer layer was dropped on the substrate with electrodes, and the substrate with electrodes was rotated at 3000 rpm and spin-coated to form a buffer layer precursor film (coating step). Next, after heating for 4 minutes on a 180 degreeC hotplate, it heated for 4 minutes at 350 degreeC (a drying process and a degreasing process). Next, it baked for 5 minutes at 700 degreeC using the RTA apparatus (baking process). Through the above steps, an island-like buffer layer 65 made of bismuth vanadate and having a thickness of about 10 nm was formed.

<圧電体層の形成>
次に、前駆体溶液を、前記BFM―BT前駆体溶液を前記電極付き基板上に滴下し、3000rpmで前記電極付き基板を回転させてスピンコートすることにより圧電体層前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に、ホットプレート上で、180℃で2分間乾燥した(乾燥工程)。次いで、350℃で2分間脱脂を行った(脱脂工程)。塗布工程から脱脂工程までの工程を2回繰り返した後に、RTA装置を使用し、酸素雰囲気中で、750℃2分間の焼成を行った(焼成工程)。以上の工程を4回繰り返すことにより、Bi、Ba、Fe、Ti及びMnを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物(以下、「BFM―BT」とも言う)からなり、全体で厚さ700nmの圧電体層70を形成した。
<Formation of piezoelectric layer>
Next, the BFM-BT precursor solution was dropped onto the electrode-attached substrate, and the precursor solution was spin-coated by rotating the electrode-attached substrate at 3000 rpm, thereby forming a piezoelectric layer precursor film ( Application process). Next, it was dried at 180 ° C. for 2 minutes on a hot plate (drying process). Next, degreasing was performed at 350 ° C. for 2 minutes (degreasing step). After repeating the steps from the coating step to the degreasing step twice, firing was performed at 750 ° C. for 2 minutes in an oxygen atmosphere using an RTA apparatus (firing step). By repeating the above process four times, a composite oxide having a perovskite structure (hereinafter also referred to as “BFM-BT”) containing Bi, Ba, Fe, Ti, and Mn is formed. A body layer 70 was formed.

(実施例2)
バッファー層65用の前駆体溶液を調製する際に、溶液1と溶液2とを、体積比で4:6となるように混合し、さらに、Biの濃度を0.020mol/Lとなるようにn−オクタンで希釈した以外は、実施例1と同様の操作を行った。実施例2において、バッファー層65における、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは3.03である。
(Example 2)
When preparing the precursor solution for the buffer layer 65, the solution 1 and the solution 2 are mixed so that the volume ratio is 4: 6, and the Bi concentration is 0.020 mol / L. The same operation as in Example 1 was performed, except that dilution with n-octane was performed. In Example 2, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer 65 is 3.03.

(実施例3)
バッファー層65用の前駆体溶液を調製する際に、溶液1と溶液2とを、体積比でBi:V=5:5となるように混合し、さらに、Biの濃度を0.025mol/Lとなるようにn−オクタンで希釈した以外は、実施例1と同様の操作を行った。実施例3において、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは4.55である。
(Example 3)
When preparing the precursor solution for the buffer layer 65, the solution 1 and the solution 2 are mixed so that the volume ratio is Bi: V = 5: 5, and the concentration of Bi is further set to 0.025 mol / L. The same operation as in Example 1 was performed except that the solution was diluted with n-octane so that In Example 3, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is 4.55.

(実施例4)
バッファー層65用の前駆体溶液を調製する際に、溶液1と溶液2とを、体積比でBi:V=6:4となるように混合し、さらに、Biの濃度を0.030mol/Lとなるようにn−オクタンで希釈した以外は、実施例1と同様の操作を行った。実施例4において、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは6.82である。
Example 4
When preparing the precursor solution for the buffer layer 65, the solution 1 and the solution 2 are mixed so that the volume ratio is Bi: V = 6: 4, and the Bi concentration is 0.030 mol / L. The same operation as in Example 1 was performed except that the solution was diluted with n-octane so that In Example 4, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is 6.82.

(実施例5)
バッファー層65用の前駆体溶液を調製する際に、溶液1と溶液2とを、体積比でBi:V=7:3となるように混合し、さらに、Biの濃度を0.035mol/Lとなるようにn−オクタンで希釈した以外は、実施例1と同様の操作を行った。実施例5において、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vは10.61である。
(Example 5)
When preparing the precursor solution for the buffer layer 65, the solution 1 and the solution 2 are mixed so that the volume ratio is Bi: V = 7: 3, and the Bi concentration is 0.035 mol / L. The same operation as in Example 1 was performed except that the solution was diluted with n-octane so that In Example 5, the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is 10.61.

(参考例)
バッファー層65用の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸マンガンのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Mn=1:1となるように混合し、ビスマスのモル濃度が0.03125mol/Lとなるようにn−オクタンで調節したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Reference example)
As a precursor solution for the buffer layer 65, an n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate and manganese 2-ethylhexanoate was mixed so that the molar concentration ratio was Bi: Mn = 1: 1. The same operation as in Example 1 was performed, except that the one adjusted with n-octane so that the molar concentration was 0.03125 mol / L was used.

(試験例1)
実施例1−5の圧電体層について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線回折の測定を行い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、実施例及び比較例のX線回折チャートを求めた。この結果を図9に示す。
(Test Example 1)
For the piezoelectric layer of Example 1-5, X-ray diffraction was measured using “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS, and CuKα rays were used as the X-ray source. An X-ray diffraction chart was obtained. The result is shown in FIG.

これらの図において、2θ=22.5°付近のピークは、(100)面への配向を示すピークである。また、2θ=32°付近のピークは、(110)面への配向を示すピークである。これらのピークは、主に、圧電体層70を構成するペロブスカイトに由来するピークである。2θ=36°付近のピークは、絶縁体膜52を構成する酸化ジルコニウムに由来するピークである。2θ=40°付近のピークは、電極を構成する白金由来のピークである。   In these figures, the peak in the vicinity of 2θ = 22.5 ° is a peak indicating orientation to the (100) plane. Further, the peak near 2θ = 32 ° is a peak indicating the orientation to the (110) plane. These peaks are mainly peaks derived from the perovskite constituting the piezoelectric layer 70. The peak around 2θ = 36 ° is a peak derived from zirconium oxide constituting the insulator film 52. The peak near 2θ = 40 ° is a peak derived from platinum constituting the electrode.

図9に示すように、実施例1には、(100)面を示すピークと(110)面を示すピークが認められた。別途、X線解析による2次元画像でさらに詳しく解析したところ、実施例1において、圧電体層70を構成するペロブスカイト構造の複合酸化物の結晶の配向は、ランダムであることがわかった。なお、X線解析には、Bruker AXS社製D8Discoverを用い、X線源としてCuKα線を使用した。また、検出器には2次元検出器(Hi−STAR)を使用した。測定条件は、X線源側のコリメーターは50umΦを使用し、X線源の電圧を50kV、電流を100mAとし、試料から2次元検出器までの距離を15cmとした。   As shown in FIG. 9, in Example 1, a peak indicating the (100) plane and a peak indicating the (110) plane were recognized. Separately, a more detailed analysis was performed using a two-dimensional image obtained by X-ray analysis. As a result, in Example 1, it was found that the orientation of crystals of the complex oxide having a perovskite structure constituting the piezoelectric layer 70 was random. For X-ray analysis, Bruker AXS D8 Discover was used, and CuKα rays were used as the X-ray source. A two-dimensional detector (Hi-STAR) was used as the detector. The measurement conditions were such that the collimator on the X-ray source side used 50 umφ, the voltage of the X-ray source was 50 kV, the current was 100 mA, and the distance from the sample to the two-dimensional detector was 15 cm.

また、実施例2及び実施例3では、(100)面を示すピークが認められ、圧電体層70を構成するペロブスカイト構造の複合酸化物の結晶が(100)面に優先配向していることがわかった。また、実施例4及び実施例5では、(110)面を示すピークが認められ、圧電体層70を構成するペロブスカイト構造の複合酸化物の結晶が(110)面に優先配向していることがわかった。   In Example 2 and Example 3, a peak indicating the (100) plane was observed, and the crystals of the complex oxide having a perovskite structure constituting the piezoelectric layer 70 were preferentially oriented in the (100) plane. all right. Further, in Example 4 and Example 5, a peak indicating the (110) plane is observed, and the crystals of the complex oxide having a perovskite structure constituting the piezoelectric layer 70 are preferentially oriented in the (110) plane. all right.

以上の結果を表1にまとめた。   The above results are summarized in Table 1.

表1から、ビスマスのバナジウムに対するモル比を変更することによって、圧電体層70を構成する結晶の配向を制御できることがわかる。また、配向の傾向は、
(1)ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが比較的小さい場合はランダム
(2)Bi/Vが中程度の場合は(100)面への優先配向
(3)Bi/Vが比較的大きい場合は(110)面への優先配向
となることがわかる。
From Table 1, it can be seen that the orientation of crystals constituting the piezoelectric layer 70 can be controlled by changing the molar ratio of bismuth to vanadium. The orientation tendency is
(1) When the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is relatively small, random (2) When Bi / V is medium, (100) Preferred orientation to the plane (3) When Bi / V is relatively large It can be seen that is a preferred orientation to the (110) plane.

また、この傾向に鑑みて、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが1.95よりも小さい領域では、実施例1と同様、圧電体層70を構成するペロブスカイト構造の複合酸化物の結晶の配向は、ランダムになると考えられる。また、ビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが10.61よりも大きい領域では、実施例4及び5と同様、圧電体層70を構成するペロブスカイト構造の複合酸化物の結晶は、(110)面に優先配向すると考えられる。   Further, in view of this tendency, in the region where the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is smaller than 1.95, the orientation of crystals of the complex oxide of the perovskite structure constituting the piezoelectric layer 70 is the same as in Example 1. Will be random. Further, in the region where the molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium is larger than 10.61, the complex oxide crystal of the perovskite structure constituting the piezoelectric layer 70 is the (110) plane as in Examples 4 and 5. The preferential orientation is considered.

(試験例2)
実施例3の圧電素子と参考例において、さらに圧電体層70上に白金をスパッタすることにより、厚さ50nmの第2電極80を作製した。そして、第1電極60と第2電極80間に、±50Vの電圧を印加して、電流(I)と電圧(V)との関係(I−V特性)を評価した。測定は、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、測定時の保持時間を2秒として大気下で行った。この結果を図10に示す。
(Test Example 2)
In the piezoelectric element of Example 3 and the reference example, the second electrode 80 having a thickness of 50 nm was manufactured by further sputtering platinum on the piezoelectric layer 70. And the voltage (± 50V) was applied between the 1st electrode 60 and the 2nd electrode 80, and the relationship (IV characteristic) of electric current (I) and voltage (V) was evaluated. The measurement was performed in the atmosphere using “4140B” manufactured by Hewlett-Packard Co., with the holding time at the time of measurement being 2 seconds. The result is shown in FIG.

図10に示すように、実施例の圧電素子は、参考例よりも電流密度(リーク電流)が小さい傾向を示すことが分かった。すなわち、ビスマス及びバナジウムを含むバッファー層を用いた場合、第1電極側にMnが少ないためか、ビスマス及びマンガンを含むバッファー層を用いた参考例よりも、リーク電流の改善とマイナス側における耐圧特性の低減を図ることができることが分かった。   As shown in FIG. 10, it was found that the piezoelectric elements of the examples tend to have a smaller current density (leakage current) than the reference examples. That is, when a buffer layer containing bismuth and vanadium is used, there is less Mn on the first electrode side, which is better than the reference example using the buffer layer containing bismuth and manganese, and the breakdown voltage characteristics on the minus side It was found that the reduction of

(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。
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。
(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.
In the above-described embodiment, an ink jet recording head has been described as an example of a liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads, and is a liquid ejecting head that ejects liquid other than ink. Of course, it can also be applied. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.

また、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。このような圧電素子応用デバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルターなどが挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、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、焦電センサー、及びジャイロセンサー(角速度センサー)等が挙げられる。   Further, the piezoelectric element according to the present invention is not limited to the piezoelectric element used in the liquid ejecting head, and can be used in other devices. Examples of such piezoelectric element applied devices include ultrasonic devices such as ultrasonic transmitters, ultrasonic motors, temperature-electrical converters, pressure-electrical converters, ferroelectric transistors, piezoelectric transformers, and infrared rays. Examples of the filter include a light blocking filter, an optical filter using a photonic crystal effect by quantum dot formation, and an optical filter using optical interference of a thin film. The present invention can also be applied to a piezoelectric element used as a sensor and a piezoelectric element used as a ferroelectric memory. Examples of the sensor using the piezoelectric element include an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, and a gyro sensor (angular velocity sensor).

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 インク供給路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 32 マニホールド部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 60 第1電極、 65 バッファー層、 70 圧電体層、 74 圧電材料層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 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 ink supply path, 15 communicating portion, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 32 manifold section, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 60 first electrode, 65 buffer layer, 70 piezoelectric layer, 74 piezoelectric material layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 300 piezoelectric element

Claims (11)

第1電極と、前記第1電極に設けられ、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶からなる圧電体層と、前記圧電体層に設けられた第2電極と、前記第1電極と前記圧電体層との間に設けられ、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層とを備えたことを特徴とする圧電素子。   A first electrode; a piezoelectric layer provided on the first electrode and made of a complex oxide crystal having a perovskite structure including bismuth and iron; a second electrode provided on the piezoelectric layer; A piezoelectric element comprising a buffer layer provided between an electrode and the piezoelectric layer and made of an oxide containing bismuth and vanadium. 前記圧電材体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric material layer includes bismuth, iron, barium, and titanium. 前記圧電材体層は、さらにマンガンを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric material layer further contains manganese. 前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが3.03以上4.55以下であり、前記複合酸化物の結晶は(100)面に優先配向していることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。   The molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer is 3.03 or more and 4.55 or less, and the crystals of the composite oxide are preferentially oriented in the (100) plane. The piezoelectric element as described in any one of -3. 前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが6.82以上であり、前記複合酸化物の結晶は(110)面に優先配向していることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。   The molar ratio Bi / V of vanadium to vanadium in the buffer layer is 6.82 or more, and the crystals of the composite oxide are preferentially oriented in the (110) plane. The piezoelectric element according to claim 1. 前記バッファー層におけるビスマスのバナジウムに対するモル比Bi/Vが1.95以下であり、前記複合酸化物の結晶の配向はランダムであることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。   The molar ratio Bi / V of bismuth to vanadium in the buffer layer is 1.95 or less, and the crystal orientation of the composite oxide is random. Piezoelectric element. 請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とする圧電素子応用デバイス。   A piezoelectric element application device comprising the piezoelectric element according to claim 1. 圧電体層と、前記圧電体層に設けられた第1電極及び第2電極とを備えた圧電素子の製造方法において、
前記第1電極上に、ビスマス及びバナジウムを含む酸化物からなるバッファー層を形成する工程と、
前記バッファー層上に、ビスマス及び鉄を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物の結晶からなる圧電体層を形成する工程と、を具備することを特徴とする圧電素子の製造方法。
In a method for manufacturing a piezoelectric element comprising a piezoelectric layer, and a first electrode and a second electrode provided on the piezoelectric layer,
Forming a buffer layer made of an oxide containing bismuth and vanadium on the first electrode;
Forming a piezoelectric layer made of a complex oxide crystal having a perovskite structure containing bismuth and iron on the buffer layer.
前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を3.03以上4.55以下に設定して、前記複合酸化物の結晶を(100)面に優先配させることを特徴とする請求項8に記載の圧電素子の製造方法。   In the step of forming the buffer layer, the molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 3.03 or more and 4.55 or less, and crystals of the composite oxide are preferentially arranged on the (100) plane, A method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 8. 前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を6.82以上に設定して、前記複合酸化物の結晶を(110)面に優先配向させることを特徴とする請求項8に記載の圧電素子の製造方法。   9. The step of forming the buffer layer, wherein a molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 6.82 or more to preferentially orient the crystals of the complex oxide in a (110) plane. The manufacturing method of the piezoelectric element as described in any one of. 前記バッファー層を形成する工程において、前記ビスマスの前記バナジウムに対するモル比を1.95以下に設定して、前記複合酸化物の結晶の配向をランダムにすることを特徴とする請求項8に記載の圧電素子の製造方法。   9. The step of forming the buffer layer, wherein the molar ratio of the bismuth to the vanadium is set to 1.95 or less, and the crystal orientation of the composite oxide is randomized. A method for manufacturing a piezoelectric element.
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