JP6098830B2 - Piezoelectric element, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, ultrasonic device, filter and sensor - Google Patents

Piezoelectric element, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, ultrasonic device, filter and sensor Download PDF

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Description

本発明は、圧電材料からなる圧電体層及び電極を有する圧電素子を具備し、ノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。   The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element that include a piezoelectric element having a piezoelectric layer made of a piezoelectric material and an electrode and eject liquid droplets from nozzle openings.

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を構成する圧電体層として用いられる圧電材料には、高い圧電特性が求められる。そして、圧電体層の圧電特性を十分に発揮するためには、その結晶性が菱面体晶系であるとき、(100)面に配向していることが望ましいとされている。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を(100)面に配向させるために、圧電体層に種チタンを用いる技術が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。特許文献1には、下部電極上にチタン酸鉛層を介してチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層を形成するようにした圧電素子の製造方法が開示されている。また、特許文献2には、圧電体層の結晶配向を制御する配向制御層として、ランタンニッケル酸化物(LNO)を用いる技術が開示されている。さらに、特許文献3には、PZT結晶のBサイトを形成できる金属元素から構成されるバッファー層を配向制御層として(100)配向させる技術が開示されている。   A piezoelectric material used as a piezoelectric layer constituting such a piezoelectric element is required to have high piezoelectric characteristics. And in order to fully exhibit the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer, it is said that when the crystallinity is rhombohedral, it is desirable to be oriented in the (100) plane. For example, in order to orient lead zirconate titanate (PZT) in the (100) plane, a technique using seed titanium for a piezoelectric layer is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3). Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a piezoelectric element in which a piezoelectric layer made of lead zirconate titanate is formed on a lower electrode via a lead titanate layer. Patent Document 2 discloses a technique using lanthanum nickel oxide (LNO) as an orientation control layer for controlling the crystal orientation of a piezoelectric layer. Further, Patent Document 3 discloses a technique in which a buffer layer made of a metal element capable of forming a B site of a PZT crystal is (100) oriented as an orientation control layer.

しかしながら、インクジェット式記録ヘッドを製造する際には、圧電体層は下部電極上の他、その下地の酸化珪素や酸化ジルコニウムなどの絶縁体層上にも成膜されることになるため、上述した配向制御層を用いても、圧電体層の結晶性が変化し、変位特性や耐久性が低下するという問題がある。   However, when manufacturing an ink jet recording head, the piezoelectric layer is formed on the underlying insulating layer such as silicon oxide or zirconium oxide in addition to the lower electrode. Even if the orientation control layer is used, there is a problem that the crystallinity of the piezoelectric layer changes, and the displacement characteristics and durability are lowered.

一方、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えば、Bi及びFeを含有するBiFeO系の圧電材料があるが(例えば、特許文献4参照)、このような圧電材料においても、結晶性の問題は存在する。何れにしても、圧電体層の結晶を(100)面に有効に配向させることができる配向制御層の出現が望まれている。 On the other hand, from the viewpoint of environmental problems, there is a demand for a piezoelectric material that suppresses lead-free or lead content. As a piezoelectric material not containing lead, for example, there is a BiFeO 3 -based piezoelectric material containing Bi and Fe (see, for example, Patent Document 4), but there is a problem of crystallinity even in such a piezoelectric material. . In any case, the appearance of an orientation control layer that can effectively orient the crystals of the piezoelectric layer in the (100) plane is desired.

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置においても同様に存在する。   Such a problem exists not only in an actuator device mounted on a liquid ejecting head such as an ink jet recording head but also in an actuator device mounted on another device.

特開2011−238774号公報JP 2011-238774 A 特開2004−066600号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-066600 特開2005−340428号公報JP 2005-340428 A 特開2007−287745号公報JP 2007-287745 A

本発明は、このような事情に鑑み、圧電体層の結晶を(100)面に優先配向させる配向制御層を有し、圧電素子の変位特性及び耐久性を向上することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention includes a liquid ejecting head that includes an orientation control layer that preferentially orients crystals of the piezoelectric layer in the (100) plane, and can improve the displacement characteristics and durability of the piezoelectric element. An object is to provide a liquid ejecting apparatus and a piezoelectric element.

上記課題を解決する本発明の態様は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた配向制御層及び圧電体層と、を具備し、前記圧電体層は、前記配向制御層上に設けられ、前記配向制御層は、ビスマス、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、前記圧電体層の結晶は、Z軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、結晶性が良好で、変位特性及び耐久性に優れた圧電体層を有する圧電素子が実現される。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a first electrode, a second electrode, and an orientation control layer and a piezoelectric layer provided between the first electrode and the second electrode, The piezoelectric layer is provided on the orientation control layer, and the orientation control layer is made of a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, and titanium, and the crystal of the piezoelectric layer is in the Z-axis direction ( The piezoelectric element is characterized in that crystal grains having a preferential orientation in the (100) plane and having the same orientation in the XY axis in-plane direction form a grain structure.
In such an embodiment, a piezoelectric element having a piezoelectric layer with good crystallinity and excellent displacement characteristics and durability is realized.

ここで、前記圧電体層は、ビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物であることが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶がZ軸方向で(100)面により強く配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒が全体的にまとまったグレイン構造を形成するため、圧電体層の結晶性はより良好となる。   Here, the piezoelectric layer is preferably a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, barium, iron, and titanium. According to this, the crystal of the piezoelectric layer is more strongly oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and in the XY-axis in-plane direction, crystal grains having the same orientation form a grain structure as a whole. The crystallinity of the body layer becomes better.

また、前記圧電体層は、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 layer preferably further contains manganese. This can improve the leakage characteristics of the piezoelectric layer.

また、前記結晶粒(同一方位の結晶粒がまとまったグレイン構造)の平均直径は、0.6μm以下であることが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶は微細で緻密となり、結晶性はさらに良好となる。   Moreover, it is preferable that the average diameter of the crystal grains (grain structure in which crystal grains having the same orientation are gathered) is 0.6 μm or less. According to this, the crystal of the piezoelectric layer is fine and dense, and the crystallinity is further improved.

また、前記圧電体層は自己配向する結晶であることが好ましい。これによれば、圧電体層の結晶性がさらに良好となる。   The piezoelectric layer is preferably a self-oriented crystal. According to this, the crystallinity of the piezoelectric layer is further improved.

本発明の他の態様は、ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドであって、前記何れかの態様に記載の圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、ビスマス、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる配向制御層を設けることにより、その上に形成される圧電体層の結晶がZ軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。これにより、圧電体層の結晶性は良好となり、変位特性及び耐久性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドが実現される。
本発明の他の態様は、前記態様に記載の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。かかる態様では、ビスマス、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる配向制御層を設けることにより、その上に形成される圧電体層の結晶がZ軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。これにより、結晶性が良好で、変位特性及び耐久性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置が実現される。
Another aspect of the present invention is a liquid ejecting head that discharges liquid from a nozzle opening, and includes the piezoelectric element according to any one of the above aspects.
In such an embodiment, by providing an orientation control layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron and titanium, the crystals of the piezoelectric layer formed thereon are preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction. In the XY axis in-plane direction, crystal grains having the same orientation form a grain structure. As a result, the crystallinity of the piezoelectric layer is improved, and a liquid ejecting head having a piezoelectric layer excellent in displacement characteristics and durability is realized.
Another aspect of the present invention, there is provided a liquid-jet apparatus comprising the liquid ejecting head according to prior Kitai like. In such an embodiment, by providing an orientation control layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron and titanium, the crystals of the piezoelectric layer formed thereon are preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction. In the XY axis in-plane direction, crystal grains having the same orientation form a grain structure. Accordingly, a liquid ejecting apparatus including a liquid ejecting head having a piezoelectric layer having excellent crystallinity and excellent displacement characteristics and durability is realized.

また、本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス、フィルター、又はセンサーにある。かかる態様では、クラックの発生が抑制され、結晶が特定の方位に強配向した圧電体層を有する超音波デバイス、フィルター、又はセンサーとすることができる。 According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic device, filter, or sensor comprising the piezoelectric element according to any one of the above aspects. In such an embodiment, the generation of cracks is suppressed, and an ultrasonic device, filter, or sensor having a piezoelectric layer in which crystals are strongly oriented in a specific orientation can be obtained.

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及び断面図である。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 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のTEM画像を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a TEM image of Example 1. 実施例1及び比較例1のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of Example 1 and Comparative Example 1. EBSDにより得られた実施例1の圧電体層の表面写真及び結晶方位を示す粒界マップ。The grain boundary map which shows the surface photograph and crystal orientation of the piezoelectric material layer of Example 1 which were obtained by EBSD. EBSDにより得られた実施例1の配向制御層の表面写真及び結晶方位を示す粒界マップ。The grain boundary map which shows the surface photograph and crystal orientation of the orientation control layer of Example 1 which were obtained by EBSD. EBSDにより得られた比較例1の圧電体層の表面写真及び結晶方位を示す粒界マップ。The grain boundary map which shows the surface photograph and crystal orientation of the piezoelectric material layer of the comparative example 1 obtained by EBSD. 実施例1の圧電体層の結晶粒の直径分布図。FIG. 3 is a diameter distribution diagram of crystal grains of the piezoelectric layer according to the first embodiment. 実施例1及び比較例1のパルス耐久評価の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of the pulse durability evaluation of Example 1 and Comparative Example 1. 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。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分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′線断面図である。図1〜図2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 of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. . As shown in FIGS. 1 to 2, 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、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)等からなる絶縁体層55が積層形成されている。なお、絶縁体層55上に、必要に応じて、酸化チタン等からなる密着層が設けられていてもよい。 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 elastic film 50 is made of, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ). Insulator layer 55 is laminated. Note that an adhesive layer made of titanium oxide or the like may be provided on the insulator layer 55 as necessary.

また、絶縁体層55上には、第1電極60と、第1電極60の上方に設けられて、厚さが、例えば20〜80nmの配向制御層65と、この配向制御層65上に設けられて厚さが3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、圧電体層70の上方に設けられた第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。なお、ここで言う上方とは、直上だけでなく、間に他の部材が介在した状態も含むものである。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。   On the insulator layer 55, the first electrode 60 is provided above the first electrode 60. The thickness is, for example, 20 to 80 nm, and the orientation control layer 65 is provided on the orientation control layer 65. The piezoelectric layer 70 which is a thin film having a thickness of 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm, and the second electrode 80 provided above the piezoelectric layer 70 are laminated to form a piezoelectric layer. The element 300 is configured. In addition, the upper direction said here includes not only immediately above but the state where the other member intervened. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80.

圧電素子300は、一般的には、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極をそれぞれ独立する個別電極とする。本実施形態では、圧電素子300の実質的な駆動部となる各圧電体能動部の個別電極として第1電極60を設け、複数の圧電体能動部に共通する共通電極として第2電極80を設けるようにした。ここで、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部といい、圧電体能動部から連続するが第1電極60と第2電極80に挟まれておらず、電圧駆動されない部分を圧電体非能動部という。また、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圧電素子と称するが、アクチュエーター装置とも称する場合がある。   In the piezoelectric element 300, generally, one of the electrodes is a common electrode, and the other electrode is an independent electrode. In the present embodiment, the first electrode 60 is provided as an individual electrode of each piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is provided as a common electrode common to a plurality of piezoelectric active parts. I did it. Here, a portion where piezoelectric distortion is caused by application of voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion, which is continuous from the piezoelectric active portion but is not sandwiched between the first electrode 60 and the second electrode 80, and is voltage driven. The part that is not used is called a piezoelectric non-active part. In addition, the piezoelectric element 300 and a vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric element, but may be referred to as an actuator device.

なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体層55、及び第1電極60が圧電素子300と共に変形する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及び絶縁体層55を設けずに、第1電極60のみが振動板として作用するようにしてもよい。ただし、流路形成基板10上に直接第1電極60を設ける場合には、第1電極60とインクとが導通しないように第1電極60を絶縁性の保護膜等で保護するのが好ましい。   In the above-described example, the elastic film 50, the insulator layer 55, and the first electrode 60 act as a diaphragm that is deformed together with the piezoelectric element 300. However, the present invention is not limited to this, and for example, the elastic film 50 In addition, without providing the insulator layer 55, only the first electrode 60 may function as a diaphragm. However, when the first electrode 60 is provided directly on the flow path forming substrate 10, it is preferable to protect the first electrode 60 with an insulating protective film or the like so that the first electrode 60 and the ink are not electrically connected.

本実施形態の配向制御層65は、ビスマス、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる。具体的には、ABO3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)をつくっている。配向制御層65を構成する複合酸化物は、基本的には、AサイトのBiと、BサイトのFe及びTiとで構成されるのが好ましい。 The orientation control layer 65 of this embodiment is made of a complex oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, and titanium. Specifically, the A site of the ABO 3 type structure has 12 coordinated oxygen, and the B site has 6 coordinated oxygen to form an octahedron. The complex oxide constituting the orientation control layer 65 is preferably basically composed of Bi at the A site and Fe and Ti at the B site.

ビスマスと、鉄と、チタンの好ましい組成比は、元素比をBi:Fe:Ti=100:x:(100−x)で表した場合、40≦x≦60となる範囲が好ましい。   The preferred composition ratio of bismuth, iron, and titanium is preferably in the range of 40 ≦ x ≦ 60 when the element ratio is expressed as Bi: Fe: Ti = 100: x: (100−x).

このような構成からなる配向制御層65は、配向制御層65上に形成されるペロブスカイト構造の圧電体層70の結晶を(100)面に優先配向させる配向制御層65として機能する。より詳細には、圧電体層70の結晶は、Z軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。ここで、「Z軸方向」とは、圧電体層70の膜厚方向に沿った方向を指し、「XY軸面内方向」とは、Z軸方向と直交する平面の中で任意の方向をいう。また、「(100)面に優先配向している」とは、圧電体層70の全ての結晶が(100)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、80%以上)が(100)面に配向している場合とを含むものである。また、「同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する」とは、多結晶を構成する個々の結晶が同一方位を向いて集まり、結晶間で粒の塊を形成していることをいう。   The orientation control layer 65 having such a configuration functions as the orientation control layer 65 that preferentially orients crystals of the piezoelectric layer 70 having a perovskite structure formed on the orientation control layer 65 in the (100) plane. More specifically, the crystal of the piezoelectric layer 70 is preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and crystal grains having the same orientation form a grain structure in the XY-axis in-plane direction. Here, the “Z-axis direction” refers to a direction along the film thickness direction of the piezoelectric layer 70, and the “XY-axis in-plane direction” refers to an arbitrary direction in a plane orthogonal to the Z-axis direction. Say. Further, “preferentially oriented in the (100) plane” means that all the crystals of the piezoelectric layer 70 are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 80% or more) ( 100) plane orientation. Further, “crystal grains having the same orientation form a grain structure” means that the individual crystals constituting the polycrystal gather together in the same orientation and form a lump of grains between the crystals.

結晶粒の方位は、本発明では、電子線後方散乱回折法(EBSD)による結晶方位解析で得られたデータ、具体的には粒界マップで観察される。また、結晶粒の平均直径(平均粒径)は、かかる粒界マップを画像解析することにより算出した値である。   In the present invention, the crystal grain orientation is observed by data obtained by crystal orientation analysis by electron beam backscatter diffraction (EBSD), specifically, a grain boundary map. The average diameter (average particle diameter) of the crystal grains is a value calculated by image analysis of the grain boundary map.

上述したように圧電体層70の結晶がZ軸方向で(100)面に優先配向するだけでなく、XY軸面内方向で同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成することにより、圧電体層70の膜全体の結晶性は向上する。これにより、圧電体層70を有する圧電素子300の変位特性及び耐久性は、後述する実施例に示すように向上する。   As described above, the crystal of the piezoelectric layer 70 is not only preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, but crystal grains having the same orientation in the XY-axis in-plane direction form a grain structure. The crystallinity of the entire 70 film is improved. As a result, the displacement characteristics and durability of the piezoelectric element 300 having the piezoelectric layer 70 are improved as shown in examples described later.

また、圧電体層70のXY軸面内方向における結晶粒の平均直径は、0.6μm以下であることが好ましい。結晶粒の平均直径が0.6μm以下であることにより、圧電体層70の結晶性は緻密となり、結晶性はさらに向上する。   The average diameter of the crystal grains in the XY axis in-plane direction of the piezoelectric layer 70 is preferably 0.6 μm or less. When the average diameter of the crystal grains is 0.6 μm or less, the crystallinity of the piezoelectric layer 70 becomes dense and the crystallinity is further improved.

また、配向制御層65は、第1電極60をパターニングした後、成膜されるので、第1電極60上及び絶縁体層55上に成膜されることになるが、何れの下地の上でも、その後成膜される圧電体層70の結晶は、Z軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。これにより、第1電極60と絶縁体層55との境界近傍においても、圧電体層70の結晶状態の不均一さが低減される。   In addition, since the orientation control layer 65 is formed after the first electrode 60 is patterned, the orientation control layer 65 is formed on the first electrode 60 and the insulator layer 55. The crystals of the piezoelectric layer 70 to be subsequently formed are preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and crystal grains having the same orientation form a grain structure in the XY-axis in-plane direction. As a result, even in the vicinity of the boundary between the first electrode 60 and the insulator layer 55, the nonuniformity of the crystal state of the piezoelectric layer 70 is reduced.

なお、配向制御層65としての機能が阻害されない範囲で、ビスマス、鉄及びチタンの元素の一部を他の元素で置換した酸化物としてもよく、これも本発明の配向制御層に包含される。例えば、AサイトにBiの他にBa、Sr、Laなどの元素がさらに存在してもよいし、BサイトにFe及びTiと共にZr、Nbなどの元素がさらに存在していてもよい。また、上述した機能を有する限り、元素(Bi、Fe、Ti、O)の欠損や過剰により化学量論の組成(ABO)からずれたものも、本発明の配向制御層に包含される。 In addition, as long as the function as the orientation control layer 65 is not hindered, an oxide in which a part of elements of bismuth, iron, and titanium is substituted with another element may be included, and this is also included in the orientation control layer of the present invention. . For example, in addition to Bi, elements such as Ba, Sr, and La may further exist at the A site, and elements such as Zr and Nb may also exist along with Fe and Ti at the B site. In addition, as long as it has the above-described function, those that deviate from the stoichiometric composition (ABO 3 ) due to deficiency or excess of the elements (Bi, Fe, Ti, O) are also included in the orientation control layer of the present invention.

配向制御層65は、後述する圧電体層70を形成する圧電材料と同様なペロブスカイト構造を有して、小さいが圧電特性を有するものであり、配向制御層65と圧電体層70とを併せて圧電体層ということもできる。   The orientation control layer 65 has a perovskite structure similar to that of the piezoelectric material forming the piezoelectric layer 70 described later, and has a small but piezoelectric property. The orientation control layer 65 and the piezoelectric layer 70 are combined. It can also be called a piezoelectric layer.

配向制御層65上に設けられる圧電体層70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からなる圧電材料である。代表的には、AサイトにBi、Baが、BサイトにFe、Tiを含むものであり、例えば、鉄酸ビスマス系とチタン酸ビスマス系との混晶からなるペロブスカイト構造を有する複合酸化物が挙げられる。ペロブスカイト構造、すなわち、ABO3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)をつくっている。このAサイトにBi、Baが、BサイトにFe、Tiが位置している。鉄酸ビスマス系としては、鉄酸ビスマス(BiFeO)、鉄酸アルミニウム酸ビスマス(Bi(Fe,Al)O)、鉄酸マンガン酸ビスマス(Bi(Fe,Mn)O)、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン((Bi,La)(Fe,Mn)O)、鉄酸マンガン酸チタン酸ビスマスバリウム((Bi,Ba)(Fe,Mn,Ti)O)、鉄酸コバルト酸ビスマス(Bi(Fe,Co)O)、鉄酸ビスマスセリウム((Bi,Ce)FeO)、鉄酸マンガン酸ビスマスセリウム((Bi,Ce)(Fe,Mn)O)、鉄酸ビスマスランタンセリウム((Bi,La,Ce)FeO)、鉄酸マンガン酸ビスマスランタンセリウム((Bi,La,Ce)(Fe,Mn)O)、鉄酸ビスマスサマリウム((Bi,Sm)FeO)、鉄酸クロム酸ビスマス(Bi(Cr,Fe)O)、鉄酸マンガン酸チタン酸ビスマスカリウム((Bi,K)(Fe,Mn,Ti)O)、鉄酸マンガン酸亜鉛酸チタン酸ビスマスバリウム((Bi,Ba)(Fe,Mn,Zn,Ti)O)等が挙げられる。 The piezoelectric layer 70 provided on the orientation control layer 65 is a piezoelectric material made of a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium, and titanium. Typically, the A site contains Bi and Ba, and the B site contains Fe and Ti. For example, a composite oxide having a perovskite structure composed of a mixed crystal of bismuth ferrate and bismuth titanate is used. Can be mentioned. In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and the B site is 6-coordinated of oxygen to form an octahedron. Bi and Ba are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site. Examples of bismuth ferrates include bismuth ferrate (BiFeO 3 ), bismuth ferrate aluminumate (Bi (Fe, Al) O 3 ), bismuth ferrate manganate (Bi (Fe, Mn) O 3 ), manganese ferrate Bismuth lanthanum oxide ((Bi, La) (Fe, Mn) O 3 ), bismuth barium iron manganate titanate ((Bi, Ba) (Fe, Mn, Ti) O 3 ), bismuth iron cobaltate (Bi) (Fe, Co) O 3 ), bismuth cerium ferrate ((Bi, Ce) FeO 3 ), bismuth cerium ferrate manganate ((Bi, Ce) (Fe, Mn) O 3 ), bismuth lanthanum cerium ferrate ( (Bi, La, Ce) FeO 3), bismuth lanthanum iron manganese oxide, cerium ((Bi, La, Ce) (Fe, Mn) O 3), bismuth ferrite, samarium ((Bi, S ) FeO 3), ferrate chromic acid bismuth (Bi (Cr, Fe) O 3), ferrate manganate bismuth potassium titanate ((Bi, K) (Fe , Mn, Ti) O 3), ferrate manganate And bismuth barium zinc titanate ((Bi, Ba) (Fe, Mn, Zn, Ti) O 3 ).

また、チタン酸ビスマス系としては、チタン酸ビスマスナトリウム(Bi1/2Na1/2)TiO)、チタン酸ビスマスナトリウムカリウム((Bi,Na,K)TiO)、チタン酸亜鉛酸ビスマスバリウムナトリウム((Bi,Na,Ba)(Zn,Ti)O)、チタン酸銅酸ビスマスバリウムナトリウム((Bi,Na,Ba)(Cu,Ti)O)が挙げられる。その他、チタン酸ビスマスカリウム((Bi,K)TiO)、クロム酸ビスマス(BiCrO)等が挙げられる。また、上述した複合酸化物に、例えば、Bi(Zn1/2Ti1/2)O、(Bi1/21/2)TiO、(Li,Na,K)(Ta,Nb)Oを添加したものであってもよい。本実施形態においては、複合酸化物層72をBi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物とした。 Examples of the bismuth titanate include bismuth sodium titanate (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 , potassium bismuth sodium titanate ((Bi, Na, K) TiO 3 ), and bismuth barium titanate. Sodium ((Bi, Na, Ba) (Zn, Ti) O 3 ), sodium bismuth barium titanate ((Bi, Na, Ba) (Cu, Ti) O 3 ) may be mentioned. Other examples include potassium bismuth titanate ((Bi, K) TiO 3 ) and bismuth chromate (BiCrO 3 ). In addition, for example, Bi (Zn 1/2 Ti 1/2 ) O 3 , (Bi 1/2 K 1/2 ) TiO 3 , (Li, Na, K) (Ta, Nb) O 3 may be added. In the present embodiment, the composite oxide layer 72 is a composite oxide containing Bi, Fe, Ba, and Ti and having a perovskite structure.

Bi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、具体的には、鉄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、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。ここで、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る、又は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、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。 The composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti is specifically a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and titanium. It is also expressed as a solid solution in which barium acid is uniformly dissolved. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone. Here, 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. Also, the ratio of bismuth ferrate manganate to barium titanate can be variously changed.

このようなBi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70の組成は、((Bi,Ba)(Fe,Ti)O)で表される。代表的には、下記一般式(1)で表される混晶として表される。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 piezoelectric layer 70 made of a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti and having a perovskite structure is represented by ((Bi, Ba) (Fe, Ti) O 3 ). Typically, it is represented as a mixed crystal 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<0.40)
(Bi1−xBa)(Fe1−xTi)O (1’)
(0<x<0.40)
(1-x) [BiFeO 3 ] -x [BaTiO 3 ] (1)
(0 <x <0.40)
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(0 <x <0.40)

また、圧電体層70がBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造の複合酸化物である場合、Bi、Fe、Ba及びTi以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Mn、Co、Crなどが挙げられる。勿論、他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有する必要がある。圧電体層70が、Mn、CoやCrを含む場合、Mn、CoやCrはBサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Mnを含む場合、圧電体層70を構成する複合酸化物は、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のFeの一部がMnで置換された構造、又は、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表され、基本的な特性は鉄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おり、これらも圧電体層70とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。   Further, when the piezoelectric layer 70 is a complex oxide having a perovskite structure including Bi, Fe, Ba, and Ti, an element other than Bi, Fe, Ba, and Ti may be further included. Examples of other elements include Mn, Co, and Cr. Of course, even a complex oxide containing other elements needs to have a perovskite structure. When the piezoelectric layer 70 includes Mn, Co, and Cr, Mn, Co, and Cr are complex oxides having a structure located at the B site. For example, when Mn is included, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a structure in which part of Fe in a solid solution in which bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved, is substituted with Mn, or ferric acid It is expressed as a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth manganate and barium titanate, and the basic characteristics are the same as those of a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth ferrate and barium titanate. However, it has been found 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 iron manganate, bismuth iron cobaltate, and bismuth iron 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. In addition, other known additives may be included to improve the properties.

このようなBi、Fe、Ba及びTiに加えてMn、CoやCrも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70の組成は、((Bi,Ba)(Fe,Ti,Mn,Co,Cr)O)で表される。代表的には、下記一般式(2)で表される混晶として表される。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、Mは、Mn、CoまたはCr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。 The composition of the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure including Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti is ((Bi, Ba) (Fe, Ti, Mn, Co, Cr) O 3 ). Typically, it is represented as a mixed crystal represented by the following general formula (2). Moreover, this formula (2) can also be represented by the following general formula (2 ′). In General Formula (2) and General Formula (2 ′), M is Mn, Co, or Cr. 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)[Bi(Fe1−y)O]−x[BaTiO] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBa)((Fe1−y1−xTi)O (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(1-x) [Bi (Fe 1- y My ) O 3 ] -x [BaTiO 3 ] (2)
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
(Bi 1-x Ba x) ((Fe 1-y M y) 1-x Ti x) O 3 (2 ')
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)

なお、圧電体層70の厚さは限定されない。例えば、圧電体層70の厚さは3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmである。   Note that the thickness of the piezoelectric layer 70 is not limited. For example, the thickness of the piezoelectric layer 70 is 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm.

第2電極80としては、Ir,Pt,タングステン(W),タンタル(Ta),モリブデン(Mo)等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。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、流路形成基板10の絶縁体層55上に延設された金(Au)等のリード電極90がそれぞれ接続されている。このリード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加される。   The second electrode 80 may be any of various metals such as Ir, Pt, tungsten (W), tantalum (Ta), and molybdenum (Mo), and alloys thereof and metal oxides such as iridium oxide. It is done. Each second electrode 80 which is an individual electrode of the piezoelectric element 300 is extracted from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended on the insulator layer 55 of the flow path forming substrate 10. Lead electrodes 90 are connected to each other. A voltage is selectively applied to each piezoelectric element 300 via the lead electrode 90.

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、弾性膜50や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極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、必要に応じて設ける絶縁体膜等)にマニホールド100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。   At least a part of the manifold 100 is formed on the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the elastic film 50, the insulator film provided as necessary, and the lead electrode 90. A protective substrate 30 having a manifold portion 31 constituting the above is joined via an adhesive 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 member (for example, an elastic film 50, an insulator film provided as necessary, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 is provided. ) May be provided with an ink supply path 14 for communicating the manifold 100 and each pressure generating chamber 12.

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、絶縁体層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 layer 55, the first electrode 60, and the piezoelectric material 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3〜図6を参照して説明する。なお、図3〜図6は、圧力発生室の長手方向(第2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. 3 to 6 are cross-sectional views in the longitudinal direction (second direction) of the pressure generating chamber.

まず、図3(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の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO)等からなる二酸化シリコン膜を形成する。次いで、図3(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜)上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体層55を形成する。 First, as shown in FIG. 3A, a silicon dioxide film made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like that constitutes the elastic film 50 is formed on the surface of a wafer for flow path formation substrate that is a silicon wafer. Next, as shown in FIG. 3B, an insulator layer 55 made of zirconium oxide or the like is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film).

次に、図4(a)に示すように、絶縁体層55上に、白金からなる第1電極60をスパッタリング法や蒸着法等により全面に形成する。次いで、図4(b)に示すように、第1電極60上に所定形状のレジスト(図示なし)をマスクとして、第1電極60をパターニングする。   Next, as shown in FIG. 4A, a first electrode 60 made of platinum is formed on the entire surface of the insulator layer 55 by sputtering or vapor deposition. Next, as shown in FIG. 4B, the first electrode 60 is patterned on the first electrode 60 using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask.

次に、図4(c)に示すように、レジストを剥離した後、第1電極60上(及び絶縁体層55)に、Bi、Fe及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物となる前駆体である配向制御層前駆体層66を形成し、これを焼成することにより、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる配向制御層65とする(図4(d))。このように配向制御層65は、例えば、金属錯体を含む前駆体溶液を塗布して配向制御層前駆体層66を形成し、これを乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる配向制御層65を得る、MOD(Metal−Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて製造できる。その他、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・デポジション法などでも、配向制御層65を製造することもできる。   Next, as shown in FIG. 4C, after the resist is peeled off, a precursor that becomes a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, and Ti on the first electrode 60 (and the insulator layer 55). An alignment control layer precursor layer 66, which is a body, is formed and fired to obtain an alignment control layer 65 made of a complex oxide having a perovskite structure (FIG. 4D). Thus, the orientation control layer 65 is made of, for example, a metal oxide by applying a precursor solution containing a metal complex to form the orientation control layer precursor layer 66, drying it, and firing it at a higher temperature. The alignment control layer 65 can be obtained by using a chemical solution method such as a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sol-gel method. In addition, the alignment control layer 65 can also be manufactured by a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like.

配向制御層65を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、図4(c)に示すように、Bi、Fe及びTiを含有する金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなる配向制御層形成用組成物(配向制御層の前駆体溶液)をスピンコート法などを用いて、塗布して配向制御層前駆体層66を形成する(配向制御層前駆体溶液塗布工程)。   As an example of a specific forming procedure when forming the orientation control layer 65 by a chemical solution method, first, as shown in FIG. 4C, a MOD solution or sol containing a metal complex containing Bi, Fe and Ti is used. The composition for forming an orientation control layer (an orientation control layer precursor solution) is applied by spin coating or the like to form the orientation control layer precursor layer 66 (orientation control layer precursor solution coating step). .

塗布する配向制御層65の前駆体溶液は、焼成によりBi、Fe及びTiを含む複合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、Fe及びTi等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。Feを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス(アセチルアセトナート)鉄などが挙げられる。Tiを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸チタン、酢酸チタンなどが挙げられる。勿論、Bi、Fe、Ti等を二種以上含む金属錯体を用いてもよい。また、配向制御層65の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 of the orientation control layer 65 to be applied is obtained by mixing a metal complex capable of forming a composite oxide containing Bi, Fe and Ti by firing, and dissolving or dispersing the mixture in an organic solvent. As a metal complex containing Bi, Fe, Ti, etc., 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 Fe include iron 2-ethylhexanoate, iron acetate, and tris (acetylacetonato) iron. Examples of the metal complex containing Ti include titanium 2-ethylhexanoate and titanium acetate. Of course, a metal complex containing two or more of Bi, Fe, Ti, etc. may be used. Examples of the solvent for the precursor solution of the orientation control layer 65 include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octylic acid, and the like. Can be mentioned.

次いで、この配向制御層前駆体層66を所定温度(例えば、150〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(配向制御層乾燥工程)。次に、乾燥した配向制御層前駆体層66を所定温度(例えば、350〜450℃)に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(配向制御層脱脂工程)。ここで言う脱脂とは、配向制御層前駆体層66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。配向制御層乾燥工程や配向制御層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 orientation control layer precursor layer 66 is heated to a predetermined temperature (for example, 150 to 200 ° C.) and dried for a predetermined time (alignment control layer drying step). Next, the dried alignment control layer precursor layer 66 is degreased by heating it to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.) and holding it for a certain time (alignment control layer degreasing step). Degreasing as used herein refers to releasing the organic component contained in the orientation control layer precursor layer 66 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O, or the like. The atmosphere of the orientation control layer drying step and the orientation control layer degreasing step is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas.

次に、図4(d)に示すように、配向制御層前駆体層66を所定温度、例えば600〜850℃程度に加熱して、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、Bi、Fe及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる配向制御層65を形成する(焼成工程)。   Next, as shown in FIG. 4D, the orientation control layer precursor layer 66 is heated to a predetermined temperature, for example, about 600 to 850 ° C., and is maintained for a certain time, for example, 1 to 10 minutes for crystallization. Then, an orientation control layer 65 made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, and Ti is formed (firing step).

この配向制御層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。配向制御層乾燥工程、配向制御層脱脂工程及び配向制御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 this orientation control layer 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 orientation control layer drying step, the orientation control layer degreasing step, and the orientation control layer firing step include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp and a hot plate.

本実施形態では、塗布工程を1回として1層からなる配向制御層65を形成したが、上述した配向制御層塗布工程、配向制御層乾燥工程及び配向制御層脱脂工程や、配向制御層塗布工程、配向制御層乾燥工程、配向制御層脱脂工程及び配向制御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配向制御層65を形成してもよい。但し、圧電体層70の変位特性を低減させないためには薄い方が好ましく、厚さ20nm〜80nm、好ましくは、20nm〜50nmとするのが好ましい。   In this embodiment, the orientation control layer 65 consisting of one layer is formed by applying the coating process once, but the orientation control layer coating process, the orientation control layer drying process, the orientation control layer degreasing process, and the orientation control layer coating process described above. The orientation control layer drying step, the orientation control layer degreasing step, and the orientation control layer firing step may be repeated a plurality of times depending on the desired film thickness and the like to form the orientation control layer 65 composed of a plurality of layers. However, in order not to reduce the displacement characteristics of the piezoelectric layer 70, the thinner one is preferable, and the thickness is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 20 nm to 50 nm.

次に、配向制御層65上にBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70を形成する。圧電体層70は、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、脱脂することにより製造することができる。その他、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・デポジション法などでも圧電体層70を製造することができる。   Next, a piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti is formed on the orientation control layer 65. The piezoelectric layer 70 can be manufactured, for example, by applying and drying a solution containing a metal complex and degreasing. In addition, the piezoelectric layer 70 can be manufactured by a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like.

例えば、まず、図5(a)に示すように、配向制御層65上に、圧電体層70となる圧電材料の構成金属を含有する有機金属錯体を含むゾルやMOD溶液(前駆体溶液)を、スピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。   For example, first, as shown in FIG. 5A, a sol or MOD solution (precursor solution) containing an organometallic complex containing a constituent metal of a piezoelectric material to be the piezoelectric layer 70 is formed on the orientation control layer 65. The piezoelectric precursor film 71 is formed by coating using a spin coating method or the like (coating process).

塗布する前駆体溶液は、焼成によりBi、Fe、Ba及びTiを含む複合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。また、Mn、CoやCrを含む複合酸化物からなる複合酸化物層72を形成する場合は、さらに、Mn、CoやCrを有する金属錯体を含有する前駆体溶液を用いる。Biや、Fe、Ba、Ti、Mn、Co、Crをそれぞれ含む金属錯体を有する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混合すればよい。Bi、Fe、Ba、Ti、Mn、Co、Cr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。Feを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス(アセチルアセトナート)鉄などが挙げられる。Baを含む金属錯体としては、例えば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。Tiを含有する金属錯体としては、例えばチタニウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸チタン、チタン(ジ−i−プロポキシド)ビス(アセチルアセトナート)などが挙げられる。Mnを含む金属錯体としては、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。勿論、Biや、Fe、Ba、Ti、Mn、Co、Crを二種以上含む金属錯体を用いてもよい。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 to be applied is obtained by mixing a metal complex capable of forming a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti by firing, and dissolving or dispersing the mixture in an organic solvent. Moreover, when forming the complex oxide layer 72 which consists of complex oxide containing Mn, Co, and Cr, the precursor solution containing the metal complex which contains Mn, Co, and Cr is further used. What is necessary is just to mix the mixing ratio of the metal complex which has a metal complex containing Bi, Fe, Ba, Ti, Mn, Co, and Cr so that each metal may become a desired molar ratio. As the metal complex containing Bi, Fe, Ba, Ti, Mn, Co, and Cr, for example, alkoxide, organic acid salt, β diketone complex, and 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 Fe include iron 2-ethylhexanoate, iron acetate, and tris (acetylacetonato) iron. Examples of the metal complex containing Ba include barium isopropoxide, barium 2-ethylhexanoate, barium acetylacetonate, and the like. Examples of the metal complex containing Ti include titanium isopropoxide, titanium 2-ethylhexanoate, titanium (di-i-propoxide) bis (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. Of course, a metal complex containing two or more of Bi, Fe, Ba, Ti, Mn, Co, and Cr 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.

次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば130℃〜180℃程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、例えば300℃〜400℃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、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。なお、塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回行ってもよい。 Next, the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature, for example, about 130 ° C. to 180 ° C. and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating to a predetermined temperature, for example, 300 ° C. to 400 ° C., and holding it for a certain time (degreasing step). Here, degreasing refers, the organic components contained in the piezoelectric precursor film 71, for example, is to be detached 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. In addition, you may perform an application | coating process, a drying process, and a degreasing process in multiple times.

次に、図5(b)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば650〜800℃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、複合酸化物層72を形成する(焼成工程)。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。   Next, as shown in FIG. 5B, the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by heating to a predetermined temperature, for example, about 650 to 800 ° C. and holding for a certain period of time, thereby forming a composite oxide layer 72. (Baking process). Examples of the heating device used in the drying step, the degreasing step, and the firing step include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp, a hot plate, and the like.

なお、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すことにより、複数層の複合酸化物層72からなる圧電体層70を形成してもよい。   The above-described coating process, drying process and degreasing process, and the coating process, drying process, degreasing process and firing process are repeated a plurality of times according to the desired film thickness and the like, thereby comprising a plurality of composite oxide layers 72. The piezoelectric layer 70 may be formed.

次いで、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層の複合酸化物層72からなる圧電体層70を形成することで、図5(c)に示すように複数層の複合酸化物層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層の複合酸化物層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、複合酸化物層72を積層して設けたが、1層のみでもよい。   Next, a piezoelectric body composed of a plurality of composite oxide layers 72 by repeating the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and firing process a plurality of times according to a desired film thickness and the like. By forming the layer 70, as shown in FIG. 5C, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of composite oxide layers 72 is formed. For example, when the film thickness of the coating solution per one time is about 0.1 μm, for example, the total film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of ten composite oxide layers 72 is about 1.1 μm. In the present embodiment, the composite oxide layer 72 is laminated, but only one layer may be provided.

このようにBi、Fe及びTiを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなる配向制御層65上にBi、Fe、Ba及びTiを含むペロブスカイト構造の圧電体層70を形成することにより、圧電体層70の結晶は、Z軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。これにより、圧電体層70の結晶性は優れたものとなり、後述する実施例に示すように、変位特性及び耐久性が向上する。   Thus, by forming the piezoelectric layer 70 having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti on the orientation control layer 65 made of a composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, and Ti, the piezoelectric layer 70 is formed. These crystals are preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and crystal grains having the same orientation form a grain structure in the XY-axis in-plane direction. As a result, the crystallinity of the piezoelectric layer 70 becomes excellent, and the displacement characteristics and durability are improved as shown in the examples described later.

圧電体層70を形成した後は、図6(a)に示すように、圧電体層70上に、例えば、白金等の金属からなる第2電極80を積層し、圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして圧電素子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℃〜800℃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, as shown in FIG. 6A, a second electrode 80 made of a metal such as platinum is laminated on the piezoelectric layer 70, and the piezoelectric layer 70 and the second layer The electrode 80 is simultaneously patterned to form the piezoelectric element 300. 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 800 ° 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6(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. 6B, 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6(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. 6C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is placed on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110 with an adhesive 35 interposed therebetween. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

次に、図示しないが、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜を介して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。   Next, although not shown, a mask film is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. Then, by performing anisotropic etching (wet etching) using an alkaline solution such as KOH on the flow path forming substrate wafer 110 through the mask film, the pressure generating chamber 12 corresponding to the piezoelectric element 300, the communication portion 13, An ink supply path 14 and a communication path 15 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 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 bonded. The compliance substrate 40 is bonded, and the flow path forming substrate wafer 110 and the like are divided into a single chip size flow path forming substrate 10 and the like as shown in FIG. 1, thereby forming the ink jet recording head I of this embodiment. .

本実施形態では、配向制御層65をBi、Fe及びTiを含む複合酸化物で構成することにより、この上に形成されるBi、Fe、Ba及びTiを含む圧電体層70の結晶がZ軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成する。これは、Bi、Fe及びTiを含む複合酸化物からなる配向制御層65によって、その上に形成される圧電体層70のペロブスカイト構造の結晶成長が促進されたためである。これにより、本実施形態の圧電体層70の結晶性は優れたものとなり、変位特性及び耐久性は向上する。   In the present embodiment, the orientation control layer 65 is composed of a composite oxide containing Bi, Fe, and Ti, so that the crystal of the piezoelectric layer 70 containing Bi, Fe, Ba, and Ti formed thereon has a Z axis. The crystal grains are preferentially oriented in the (100) plane in the direction, and crystal grains having the same orientation form the grain structure in the XY axial direction. This is because the crystal growth of the perovskite structure of the piezoelectric layer 70 formed thereon is promoted by the orientation control layer 65 made of a complex oxide containing Bi, Fe, and Ti. Thereby, the crystallinity of the piezoelectric layer 70 of the present embodiment is excellent, and the displacement characteristics and durability are improved.

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)
<基板の準備>
まず、(110)に配向した単結晶シリコン基板の表面に熱酸化により厚さ1170nmの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RFマグネトロンスパッター法により厚さ20nmのジルコニウム膜を形成し、熱酸化することで酸化ジルコニウム膜を形成した。次に、酸化ジルコニウム膜上に、密着層としてRFマグネトロンスパッター法により厚さ10nmのジルコニウム膜を形成し、ジルコニウム膜上にRFマグネトロンスパッター法により厚さ130nmの白金膜からなる第1電極60を形成して電極付き基板とした。
Example 1
<Preparation of substrate>
First, a silicon dioxide film having a thickness of 1170 nm was formed by thermal oxidation on the surface of a single crystal silicon substrate oriented in (110). Next, a zirconium film having a thickness of 20 nm was formed on the silicon dioxide film by RF magnetron sputtering, and a zirconium oxide film was formed by thermal oxidation. Next, a zirconium film having a thickness of 10 nm is formed as an adhesion layer on the zirconium oxide film by RF magnetron sputtering, and a first electrode 60 made of a platinum film having a thickness of 130 nm is formed on the zirconium film by RF magnetron sputtering. Thus, a substrate with an electrode was obtained.

<配向制御層>
2−エチルヘキサン酸ビスマス、2−エチルヘキサン酸鉄、2−エチルヘキサン酸チタンの各n−オクタン溶液を混合し、Bi:Fe:Tiのモル比が、100:40:60となる割合で混合して、配向制御層前駆体溶液を調製した。
<Orientation control layer>
Each n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, and titanium 2-ethylhexanoate is mixed and mixed at a ratio of Bi: Fe: Ti of 100: 40: 60. Thus, an alignment control layer precursor solution was prepared.

この配向制御層前駆体溶液を上記電極付き基板上にスピンコーターで成膜した後、ホットプレート上で180℃×3min、350℃×3minでベークし、アモルファス膜を形成する。次いで、ランプアニール炉を用いて700℃×5min焼成し、Bi、Fe及びTiを含む酸化物からなる厚さ80nmの配向制御層65とした。この配向制御層(BiFeTiO層)65を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、第1電極60側の原子一層目から(100)配向を形成している自己配向膜であることが確認された。ここでのTEM画像を図7に示す。 The orientation control layer precursor solution is formed on the substrate with electrodes by a spin coater and then baked on a hot plate at 180 ° C. × 3 min and 350 ° C. × 3 min to form an amorphous film. Next, firing was performed at 700 ° C. for 5 minutes using a lamp annealing furnace to obtain an orientation control layer 65 having a thickness of 80 nm made of an oxide containing Bi, Fe, and Ti. When this orientation control layer (BiFeTiO 3 layer) 65 is observed with a transmission electron microscope (TEM), it is confirmed that the orientation control layer (BiFeTiO 3 layer) is a self-alignment film forming (100) orientation from the first atomic layer on the first electrode 60 side. It was done. The TEM image here is shown in FIG.

<圧電体層>
Bi、Ba、Fe、Ti及びMnを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層を形成するために、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、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=75.0:25.0:71.3:25.0:3.8となるように混合して、((Bi,Ba)(Fe,Ti,Mn))からなる圧電体層前駆体溶液を調製した。
<Piezoelectric layer>
In order to form a piezoelectric layer composed of a composite oxide containing Bi, Ba, Fe, Ti and Mn and having a perovskite structure, bismuth 2-ethylhexanoate, barium 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, Each n-octane solution of 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 = 75.0. : 25.0: 71.3: 25.0: 3.8 to prepare a piezoelectric layer precursor solution made of ((Bi, Ba) (Fe, Ti, Mn)).

この圧電体層前駆体溶液を適量マイクロピペットに取り、スピンコーターにセットした電極付き基板の配向制御層65上に滴下する。スピンコーターで成膜した後、ホットプレート上で180℃×3min、350℃×3minでベークしアモルファス膜を形成する。ランプアニール炉を用いて750℃×5min焼成し、複合酸化物層72とした。   An appropriate amount of this piezoelectric layer precursor solution is taken into a micropipette and dropped onto the orientation control layer 65 of the electrode-attached substrate set on the spin coater. After forming a film with a spin coater, an amorphous film is formed by baking on a hot plate at 180 ° C. × 3 min and 350 ° C. × 3 min. The composite oxide layer 72 was obtained by firing at 750 ° C. for 5 minutes using a lamp annealing furnace.

同様にさらに複合酸化物層72を作製するため、圧電体層前駆体溶液を適量マイクロピペットに取り、スピンコーターにセットした電極付き基板上に滴下する。スピンコーターで成膜した後、ホットプレート上で180℃×3min、350℃×3minでベークしてアモルファス膜を形成する。この作業を2回繰り返した後、ランプアニール炉を用いて750℃×5min焼成して結晶膜とした。ランプアニール炉までの工程を5回繰り返し、配向制御層と、12層の複合酸化物層72からなる、厚さ約900nmの圧電体層70を形成した。この圧電体層70上にスパッタリング法を用いてイリジウムからなる第2電極80を形成した。   Similarly, in order to further produce the composite oxide layer 72, an appropriate amount of the piezoelectric layer precursor solution is taken into a micropipette and dropped onto a substrate with an electrode set on a spin coater. After film formation by a spin coater, an amorphous film is formed by baking on a hot plate at 180 ° C. × 3 min and 350 ° C. × 3 min. After repeating this operation twice, it was baked at 750 ° C. for 5 minutes using a lamp annealing furnace to obtain a crystal film. The steps up to the lamp annealing furnace were repeated five times to form a piezoelectric layer 70 having a thickness of about 900 nm, consisting of an orientation control layer and 12 composite oxide layers 72. A second electrode 80 made of iridium was formed on the piezoelectric layer 70 by sputtering.

(比較例1)
配向制御層65のかわりに、ニッケル酸ランタン膜を形成し、このニッケル酸ランタン膜上に、12層の複合酸化物層を積層した以外は実施例1と同様の手順で、ニッケル酸ランタン膜と、12層の複合酸化物層からなる厚さ約900nmの圧電体層を形成した。
(Comparative Example 1)
A lanthanum nickelate film was formed in place of the orientation control layer 65, and a lanthanum nickelate film was formed in the same manner as in Example 1 except that 12 complex oxide layers were laminated on the lanthanum nickelate film. Then, a piezoelectric layer having a thickness of about 900 nm composed of 12 complex oxide layers was formed.

なお、ニッケル酸ランタン膜は以下の手順で形成した。ランタンアセチルアセトナート(ランタンアセチルアセトナート2水和物(La(acac))・2HO)とニッケルアセチルアセトナート(ニッケルアセチルアセトナート2水和物[Ni(acac)・2HO)を、ランタンとニッケルがそれぞれ0.005molとなるようにビーカーに加えた。その後、酢酸水溶液(酢酸99.7重量%)25mlを加え、さらに、水5mlを加えて混合した。その後、溶液の温度が70℃となるよう、ホットプレートで加熱し、約1時間加熱攪拌してニッケル酸ランタン膜形成用前駆体溶液を調製した。 The lanthanum nickelate film was formed by the following procedure. Lanthanum acetylacetonate (lanthanum acetylacetonate dihydrate (La (acac) 3 ) · 2H 2 O) and nickel acetylacetonate (nickel acetylacetonate dihydrate [Ni (acac) 2 ] 3 · 2H 2 O) was added to the beaker such that lanthanum and nickel were each 0.005 mol. Thereafter, 25 ml of an acetic acid aqueous solution (99.7% by weight of acetic acid) was added, and 5 ml of water was further added and mixed. Then, it heated with the hotplate so that the temperature of a solution might be set to 70 degreeC, and it heated and stirred for about 1 hour, and prepared the precursor solution for lanthanum nickelate film formation.

このニッケル酸ランタン膜形成用前駆体溶液を上記電極付き基板上にスピンコーターで成膜した後、ホットプレート上で180℃×3min、350℃×3minでベークし、アモルファス膜を形成する。次いで、ランプアニール炉を用いて700℃×5min焼成し、Ni及びLaを含む酸化物からなる厚さ40nmのニッケル酸ランタン膜とした。   This precursor solution for forming a lanthanum nickelate film is formed on the substrate with the electrode by a spin coater and then baked on a hot plate at 180 ° C. × 3 min and 350 ° C. × 3 min to form an amorphous film. Next, firing was performed at 700 ° C. for 5 minutes using a lamp annealing furnace to obtain a lanthanum nickelate film having a thickness of 40 nm made of an oxide containing Ni and La.

(試験例1)
Bruker AXS社製の「D8 Discover With GADDS:微小領域X線回折装置」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、第2電極を形成する前に実施例のX線回折チャートを求めた。図8に、実施例1及び比較例1のX線回折パターンを示す。ここで、2θ=22.5°付近のピークが(100)面に由来するピークであり、2θ=31.8°付近のピークが(110)面に由来するピークである。
(Test Example 1)
Using the “D8 Discover With GADDS: Micro-area X-ray diffractometer” manufactured by Bruker AXS, using CuKα ray as the X-ray source, and at room temperature, the X-ray diffraction chart of the example was formed before forming the second electrode. Asked. FIG. 8 shows the X-ray diffraction patterns of Example 1 and Comparative Example 1. Here, the peak near 2θ = 22.5 ° is a peak derived from the (100) plane, and the peak near 2θ = 31.8 ° is a peak derived from the (110) plane.

図8に示すように、配向制御層上に設けられた実施例1の圧電体層は、(100)面に強く配向することがわかった。一方、ニッケル酸ランタン膜上に設けられた比較例1の圧電体層は、(100)面に配向せず、(110)面に強く配向することがわかった。   As shown in FIG. 8, it was found that the piezoelectric layer of Example 1 provided on the orientation control layer was strongly oriented in the (100) plane. On the other hand, it was found that the piezoelectric layer of Comparative Example 1 provided on the lanthanum nickelate film was not oriented in the (100) plane but strongly oriented in the (110) plane.

これにより、Bi、Fe及びTiを含む複合酸化物は、この上に形成されるBi、Fe、Ba、Ti及びMnを含む圧電体層の結晶を(100)面に優先配向する配向制御層として作用することがわかった。   As a result, the composite oxide containing Bi, Fe and Ti serves as an orientation control layer for preferentially orienting the crystals of the piezoelectric layer containing Bi, Fe, Ba, Ti and Mn formed thereon on the (100) plane. I found it to work.

(試験例2)
Oxford instruments社製の「Nodlys S:電子線後方散乱回折法(EBSD)」を用い、第2電極80を形成する前の実施例1の圧電体層、実施例1の圧電体層を形成する前の配向制御層、第2電極80を形成する前の比較例1の圧電体層の結晶方位をそれぞれ測定した。図9〜図11に、表面写真及び測定により得られた結晶方位を示す粒界マップを示す。
(Test Example 2)
Before the formation of the piezoelectric layer of Example 1 and the piezoelectric layer of Example 1 before forming the second electrode 80 using “Nodlys S: Electron Beam Backscattering Diffraction (EBSD)” manufactured by Oxford Instruments The crystal orientation of the piezoelectric layer of Comparative Example 1 before forming the orientation control layer and the second electrode 80 was measured. 9 to 11 show surface grain photographs and grain boundary maps showing crystal orientations obtained by measurement.

図9(a)、図10(a)、図11(a)に示すように、実施例1の圧電体層及び配向制御層、比較例1の圧電体層の表面には、いずれもクラックが発生しなかった。   As shown in FIG. 9A, FIG. 10A, and FIG. 11A, there are cracks on the surfaces of the piezoelectric layer and orientation control layer of Example 1 and the piezoelectric layer of Comparative Example 1. Did not occur.

図9(b)に示すように、配向制御層上に設けられた実施例1の圧電体層の結晶は、Z軸方向で(100)面に強く配向することがわかった。また、図9(c)に示すように、XY軸面内方向では、結晶方位の揃った結晶粒が観察され、グレイン構造を形成していることが観察された。また、図10(b)、(c)に示すように、圧電体層が形成される前の配向制御層の結晶についてもZ軸方向で(100)面に強く配向し、XY軸面内方向では、結晶方位のほぼ揃った結晶粒がグレイン構造を形成していることが観察された。この結果、配向制御層の結晶配向性は、Z軸方向及びXY軸面内方向のいずれの方向においても、その上に形成される圧電体層に受け継がれることがわかった。これにより、実施例1の圧電体層の結晶性は良好であることがわかった。   As shown in FIG. 9B, it was found that the crystal of the piezoelectric layer of Example 1 provided on the orientation control layer was strongly oriented in the (100) plane in the Z-axis direction. Further, as shown in FIG. 9C, in the XY axis in-plane direction, crystal grains having a uniform crystal orientation were observed, and it was observed that a grain structure was formed. Further, as shown in FIGS. 10B and 10C, the crystals of the orientation control layer before the piezoelectric layer is formed are also strongly oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and in the XY-axis in-plane direction. Then, it was observed that crystal grains having almost the same crystal orientation formed a grain structure. As a result, it has been found that the crystal orientation of the orientation control layer is inherited by the piezoelectric layer formed thereon in both the Z-axis direction and the XY-axis in-plane direction. Thereby, it was found that the crystallinity of the piezoelectric layer of Example 1 was good.

一方、図11(b)、(c)に示すように、ニッケル酸ランタン膜上に設けられた比較例1の圧電体層の結晶は、Z軸方向で(100)面に配向せず、XY軸面内方向でも結晶方位はランダムな方向であることがわかった。   On the other hand, as shown in FIGS. 11B and 11C, the crystal of the piezoelectric layer of Comparative Example 1 provided on the lanthanum nickelate film is not oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and XY The crystal orientation was found to be random even in the axial direction.

(試験例3)
試験例2の電子線後方散乱回折法(EBSD)により得られたデータを解析することにより、実施例1の圧電体層の結晶粒の平均直径(平均粒径)を算出した。平均直径は、EBSDの測定により得られた結晶方位を示す粒界マップから、結晶粒のまとまり毎に結晶粒の重心を通る径を2°刻みで測定し、これらの径の平均直径とした。図12に、実施例1のXY軸面内方位における結晶粒の直径分布図を示す。
(Test Example 3)
By analyzing the data obtained by the electron beam backscatter diffraction method (EBSD) of Test Example 2, the average diameter (average particle diameter) of the crystal grains of the piezoelectric layer of Example 1 was calculated. For the average diameter, the diameter passing through the center of gravity of each crystal grain was measured in increments of 2 ° from the grain boundary map showing the crystal orientation obtained by EBSD measurement, and the average diameter of these diameters was determined. FIG. 12 shows a diameter distribution diagram of crystal grains in the XY-axis in-plane direction of Example 1.

図12に示すように、実施例1の圧電体層のXY軸面内方位における結晶粒の平均直径は0.586μmとなった。このように圧電体層の結晶粒の平均直径は、微細で緻密であるあることがわかった。さらに、試験例1、2から、かかる結晶粒は、Z軸方向で(100)面に強く配向し、XY軸面内方向では、結晶方位の揃った結晶粒がグレイン構造を形成する。これにより、実施例1の圧電体層の結晶性は良好となり、後述する試験例4において、変位特性及び耐久性が向上したと考えられる。   As shown in FIG. 12, the average diameter of the crystal grains in the XY-axis in-plane orientation of the piezoelectric layer of Example 1 was 0.586 μm. Thus, the average diameter of the crystal grains of the piezoelectric layer was found to be fine and dense. Furthermore, from Test Examples 1 and 2, such crystal grains are strongly oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and the crystal grains having a uniform crystal orientation form a grain structure in the XY-axis in-plane direction. Thereby, the crystallinity of the piezoelectric layer of Example 1 was improved, and it is considered that the displacement characteristics and durability were improved in Test Example 4 described later.

(試験例4)
「パルス耐久試験装置」を用い、実施例1及び比較例1の圧電素子を用いてパルス耐久評価を行った。図13に、パルス耐久評価の結果を示すグラフを示す。
(Test Example 4)
Using the “pulse durability test apparatus”, pulse durability evaluation was performed using the piezoelectric elements of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 13 is a graph showing the results of pulse durability evaluation.

図13に示すように、実施例1の圧電素子は、初期の変位変化率を基準とした場合、パルス数が増加しても、変位変化率は低下しなかった。一方、比較例1の圧電素子は、パルス数の増加と共に、変位変化率は低下した。これにより、配向制御層をBi、Fe及びTiを含む複合酸化物で構成することにより、圧電素子の変位特性及び耐久性が向上することがわかった。   As shown in FIG. 13, in the piezoelectric element of Example 1, when the initial displacement change rate was used as a reference, the displacement change rate did not decrease even when the number of pulses increased. On the other hand, in the piezoelectric element of Comparative Example 1, the displacement change rate decreased as the number of pulses increased. Thus, it was found that the displacement characteristics and durability of the piezoelectric element are improved by forming the orientation control layer with a composite oxide containing Bi, Fe, and Ti.

以上、試験例1〜4の結果から、配向制御層として、ビスマス、鉄及びチタンを含む複合酸化物を用いることにより、その上に形成される圧電体層の結晶が、Z軸方向で(100)面に強く配向し、XY軸面内方向では結晶方位の揃った結晶粒がグレイン構造を形成することがわかった。そして、配向制御された圧電体層は、優れた結晶性を有し、圧電素子として用いた場合、変位特性及び耐久性が向上することがわかった。したがって、本発明によれば、変位特性及び耐久性が向上した信頼性の高い液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子を実現することができる。   As described above, from the results of Test Examples 1 to 4, by using a composite oxide containing bismuth, iron, and titanium as the orientation control layer, the crystal of the piezoelectric layer formed thereon is (100) in the Z-axis direction. It has been found that crystal grains that are strongly oriented in the plane and aligned in the XY axis plane form a grain structure. And it was found that the orientation-controlled piezoelectric layer has excellent crystallinity, and when used as a piezoelectric element, the displacement characteristics and durability are improved. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a highly reliable liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and piezoelectric element with improved displacement characteristics and durability.

(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14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. 14 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図14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. 14, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting 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。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限定されずベルトやドラム等であってもよい。   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 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. Note that the conveying unit that conveys the recording sheet S is not limited to the conveying roller, and may be a belt, a drum, or the like.

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。その他のデバイスとしては、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. Other devices include, for example, an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a temperature-electric converter, a pressure-electric converter, a ferroelectric transistor, a piezoelectric transformer, and a filter for blocking harmful rays such as infrared rays. And filters such as 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)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 15 連通路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体層、 60 第1電極、 65 配向制御層、 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), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 15 communicating path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 40 compliance substrate , 50 elastic film, 55 insulator layer, 60 first electrode, 65 orientation control layer, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric element

Claims (10)

第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた配向制御層及び圧電体層と、を具備
前記圧電体層は、前記配向制御層上に設けられ、
前記配向制御層は、ビスマス、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、
前記圧電体層の結晶は、Z軸方向で(100)面に優先配向し、XY軸面内方向では、同一方位の結晶粒がグレイン構造を形成することを特徴とする圧電素子。
Comprising a first electrode, a second electrode, an orientation control layer and the piezoelectric layer disposed between the first electrode and the second electrode,
The piezoelectric layer is provided on the orientation control layer,
The orientation control layer is made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron and titanium,
The piezoelectric element is characterized in that crystals of the piezoelectric layer are preferentially oriented in the (100) plane in the Z-axis direction, and crystal grains having the same orientation form a grain structure in the XY-axis in-plane direction.
前記圧電体層は、ビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, barium, iron, and titanium. 前記圧電体層は、さらにマンガンを含むことを特徴とする請求項2に記載の圧電素子The piezoelectric element according to claim 2, wherein the piezoelectric layer further contains manganese. 前記同一方位の結晶粒が形成しているグレイン構造の平均直径は、0.6μm以下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4. The piezoelectric element according to claim 1, wherein an average diameter of the grain structure formed by the crystal grains having the same orientation is 0.6 μm or less. 前記圧電体層は自己配向する結晶であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電素子 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the piezoelectric layer is a crystalline for self-orientation. ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドであって、
請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
A liquid ejecting head for discharging liquid from a nozzle opening,
A liquid ejecting head, wherein the obtaining Bei piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5.
請求項に記載の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 according to claim 6 . 請求項1〜5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超音波デバイス。  An ultrasonic device comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項1〜5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フィルター。  A filter comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項1〜5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センサー。  A sensor comprising the piezoelectric element according to claim 1.
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