JP2000022232A - Piezoelectric element, ink ject type recording head, and control and manufacture of piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric element, ink ject type recording head, and control and manufacture of piezoelectric element

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JP2000022232A
JP2000022232A JP18668098A JP18668098A JP2000022232A JP 2000022232 A JP2000022232 A JP 2000022232A JP 18668098 A JP18668098 A JP 18668098A JP 18668098 A JP18668098 A JP 18668098A JP 2000022232 A JP2000022232 A JP 2000022232A
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JP
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piezoelectric element
piezoelectric
thin film
electric field
orientation
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JP18668098A
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Koji Sumi
浩二 角
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Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal structure of a piezoelectric element using lead titanate, a method for manufacturing the crystal structure, and a method for controlling the crystal structure. SOLUTION: The piezoelectric element made of lead titanate exhibits a crystalline structure remarkably different depending on whether its burning temperature is lower or higher than 700 deg.C. A crystal having extremely less remnant polarization on the one hand and a crystal exhibiting hysteresis characteristics with an extremely high saturation polarization on the other hand are obtained, depending on differences in the crystalline structure. Accordingly, differences in the crystalline structure cause different drive signals Sd1 and Sd2 to be applied to the piezoelectric element, thus obtaining different displacements δ1 and δ2 corresponding thereto.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録ヘッド等に用いられる圧電体素子に係り、特に、圧
電体セラミックスとしてチタン酸鉛を使用した場合の特
殊な構造、その制御方法、製造方法およびインクジェッ
ト式記録ヘッドに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element used in an ink jet recording head or the like, and more particularly, to a special structure when lead titanate is used as a piezoelectric ceramic, a control method thereof, a manufacturing method, and the like. The present invention relates to an ink jet recording head.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電体素子は、強誘電性あるいは常誘電
性の結晶化した圧電性セラミックスにより構成されてい
る。圧電性セラミックスの組成は一般にチタン酸ジルコ
ニウム酸鉛(以下「PZT」という)を主成分とする二
成分系、またはこの二成分系のPZTに第三成分を加え
た三成分系からなる。二成分系PZTを用いた強誘電体
が、Applied Physics Letters, 1991, vol.58, No11, p
p1161-1163に記載されている。また、特開平6−400
35号公報には、二成分系PZTを用いた圧電体が開示
されている。
2. Description of the Related Art Piezoelectric devices are made of crystallized ferroelectric or paraelectric piezoelectric ceramics. The composition of the piezoelectric ceramic is generally composed of a two-component system containing lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”) as a main component, or a three-component system obtained by adding a third component to this two-component PZT. Ferroelectrics using binary PZT have been reported in Applied Physics Letters, 1991, vol.58, No11, p.
p1161-1163. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-400
No. 35 discloses a piezoelectric body using binary PZT.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チタン
酸鉛については、圧電性セラミックスとして使用可能性
は示唆されていたが、結晶化のための焼成温度とその焼
成温度によって生ずる特性の相違については認識されて
いなかった。
However, although lead titanate was suggested to be usable as a piezoelectric ceramic, it was recognized that the firing temperature for crystallization and the difference in characteristics caused by the firing temperature were different. Had not been.

【0004】そこで、本願出願人は、チタン酸鉛を圧電
性セラミックスとして使用してその特性と制御方法や製
造条件について明らかにした。その結果、チタン酸鉛を
使用した圧電体素子の焼成温度を一定条件に調整するこ
とにより、電圧/分極特性に顕著な相違の見られる二種
類の圧電体素子を作り分けることができることを発見し
た。
[0004] The applicant of the present application has clarified the characteristics, control method and manufacturing conditions of lead titanate as a piezoelectric ceramic. As a result, they found that by adjusting the firing temperature of a piezoelectric element using lead titanate to a constant condition, two types of piezoelectric elements having remarkable differences in voltage / polarization characteristics can be separately produced. .

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の第1
の課題は、残留分極が低く、大きな変位を生じうる圧電
体素子およびインクジェット式記録ヘッドを提供するこ
とである。本発明の第2の課題は、ヒステリシス特性を
示し少ない電圧変動で大きな変位制御が行える圧電体素
子およびインクジェット式記録ヘッドを提供することで
ある。本発明の第3の課題は、第1の課題を解決する圧
電体素子の制御方法を明らかにすることである。本発明
の第4の課題は、第2の課題を解決する圧電体素子の制
御方法を明らかにすることである。本発明の第5の課題
は、第1の課題を解決する圧電体素子の製造方法を提供
することである。本発明の第6の課題は、第2の課題を
解決する圧電体素子の製造方法を提供することである。
That is, the first aspect of the present invention is as follows.
An object of the present invention is to provide a piezoelectric element and an ink jet recording head which have low residual polarization and can cause large displacement. A second object of the present invention is to provide a piezoelectric element and an ink jet recording head which exhibit hysteresis characteristics and can perform large displacement control with small voltage fluctuation. A third object of the present invention is to clarify a method for controlling a piezoelectric element which solves the first object. A fourth object of the present invention is to clarify a method for controlling a piezoelectric element which solves the second object. A fifth object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element which solves the first object. A sixth object of the present invention is to provide a method of manufacturing a piezoelectric element which solves the second object.

【0006】上記第1の課題を解決する発明は、下部電
極および上部電極に挟持された圧電体薄膜を備える圧電
体素子において、圧電体薄膜を構成する圧電性セラミッ
クスは、チタン酸鉛から構成されており、その結晶は<
100>配向に対する<001>配向の存在比が0.5
乃至2.0の範囲にあることを特徴とする圧電体素子で
ある。
The present invention for solving the first problem is a piezoelectric element having a piezoelectric thin film sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, wherein the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric thin film is made of lead titanate. And the crystal is <
The ratio of the <001> orientation to the 100> orientation is 0.5
To 2.0 in the range.

【0007】上記第2の課題を解決する発明は、下部電
極および上部電極に挟持された圧電体薄膜を備える圧電
体素子において、圧電体薄膜を構成する圧電性セラミッ
クスは、チタン酸鉛から構成されており、その結晶は全
配向に対する<100>配向の存在比が0.7以上であ
って、かつ、<100>配向に対する<001>配向の
存在比が0.5以下であることを特徴とする圧電体素子
である。
The invention for solving the above-mentioned second problem is directed to a piezoelectric element having a piezoelectric thin film sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, wherein the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric thin film is made of lead titanate. The crystal has a feature that the abundance ratio of <100> orientation to all orientations is 0.7 or more, and the abundance ratio of <001> orientation to <100> orientation is 0.5 or less. This is a piezoelectric element.

【0008】また、上記第1および第2の課題を解決す
る発明は、圧力室が形成された圧力室基板と、圧力室の
一方の面に設けられた振動板と、振動板の圧力室に対応
する位置に設けられ、当該圧力室に体積変化を及ぼすこ
とが可能に構成された本発明の圧電体素子と、を備えた
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドである。
Further, the invention for solving the above first and second problems is characterized in that a pressure chamber substrate in which a pressure chamber is formed, a diaphragm provided on one surface of the pressure chamber, and a pressure chamber of the diaphragm are provided. An ink jet recording head, comprising: a piezoelectric element according to the present invention, which is provided at a corresponding position and is capable of causing a volume change to the pressure chamber.

【0009】上記第3の課題を解決する発明は、当該圧
電体素子の印加電界/誘電分極特性において印加電界と
これに対応する分極とが略比例する領域において電界を
変化させることを特徴とする圧電体素子の制御方法であ
る。
The invention for solving the third problem is characterized in that the electric field is changed in a region where the applied electric field and the corresponding polarization are substantially proportional to the applied electric field / dielectric polarization characteristics of the piezoelectric element. This is a method for controlling the piezoelectric element.

【0010】上記第4の課題を解決する発明は、当該圧
電体素子の印加電界/誘電分極特性において印加電界と
これに対応する分極とがヒステリシス特性を示す領域に
おいて電界の変化方向を正負に変動させることにより当
該圧電体素子の体積変化を制御することを特徴とする圧
電体素子の制御方法である。
According to the invention for solving the above-mentioned fourth problem, in the applied electric field / dielectric polarization characteristics of the piezoelectric element, the direction of change of the electric field changes positively or negatively in a region where the applied electric field and the corresponding polarization exhibit hysteresis characteristics. And controlling a volume change of the piezoelectric element by controlling the volume of the piezoelectric element.

【0011】上記第5の課題を解決する発明は、圧電体
薄膜を結晶化させるための熱処理工程において、焼成温
度を680℃より低い温度に設定することを特徴とする
圧電体素子の製造方法である。
[0011] The invention for solving the fifth problem is a method of manufacturing a piezoelectric element, characterized in that a firing temperature is set to a temperature lower than 680 ° C in a heat treatment step for crystallizing a piezoelectric thin film. is there.

【0012】上記第6の課題を解決する発明は、圧電体
薄膜を結晶化させるための熱処理工程において、焼成温
度を740℃より高い温度に設定することを特徴とする
圧電体素子の製造方法である。
[0012] The invention for solving the above-mentioned sixth object is a method of manufacturing a piezoelectric element, characterized in that a baking temperature is set to a temperature higher than 740 ° C in a heat treatment step for crystallizing a piezoelectric thin film. is there.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を、図面
を参照して説明する。本実施形態はチタン酸鉛の構造を
明らかにし、圧電体素子およびインクジェット式記録ヘ
ッドを製造するものである。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. In this embodiment, the structure of lead titanate is clarified, and a piezoelectric element and an ink jet recording head are manufactured.

【0014】(構成)まず本発明の圧電体素子およびそ
れを使用したインクジェット式記録ヘッドの構造を説明
する。図4に本形態のインクジェット式記録ヘッドの分
解斜視図を示す。図5にインクジェット式記録ヘッドの
主要部一部断面図を示す。本インクジェット式記録ヘッ
ド1は、図4に示すようにノズル板10、圧力室基板2
0、振動板30および筐体25を備えて構成されてい
る。本発明の圧電体素子は、図4において振動板30の
裏側に設けられている。
(Structure) First, the structure of the piezoelectric element of the present invention and the ink jet recording head using the same will be described. FIG. 4 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of the present embodiment. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a main part of the ink jet recording head. As shown in FIG. 4, the ink jet recording head 1 includes a nozzle plate 10, a pressure chamber substrate 2.
0, a diaphragm 30 and a housing 25. The piezoelectric element of the present invention is provided on the back side of the diaphragm 30 in FIG.

【0015】圧力室基板20は、図4および図5に示す
ようにキャビティ(圧力室)21、側壁(隔壁)22、
リザーバ23および供給口24を備えている。キャビテ
ィ21は、シリコン等の基板をエッチングすることによ
り形成される、インクなどを吐出するための貯める空間
となっている。側壁22はキャビティ21間を仕切るよ
う形成されている。リザーバ23は、各キャビティ21
にインクを共通して充たすための流路として形成されて
いる。供給口24は、リザーバ23から各キャビティ2
1にインクを導入可能に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the pressure chamber substrate 20 has a cavity (pressure chamber) 21, a side wall (partition) 22,
A reservoir 23 and a supply port 24 are provided. The cavity 21 is a space formed by etching a substrate such as silicon to store ink and the like. The side wall 22 is formed so as to partition between the cavities 21. The reservoir 23 is provided with each cavity 21
Is formed as a flow path for commonly filling the ink. The supply port 24 is connected to each cavity 2 from the reservoir 23.
1 is formed so that ink can be introduced.

【0016】振動板30は圧力室基板20の一方の面に
貼り合わせられている。振動板30には本発明の圧電体
素子40が設けられている。圧電体素子40は、チタン
酸鉛の圧電性セラミックスが結晶化してペロブスカイト
構造を持つ結晶となっており、振動板30上に所定の形
状で形成されて構成されている。
The vibration plate 30 is bonded to one surface of the pressure chamber substrate 20. The vibration plate 30 is provided with the piezoelectric element 40 of the present invention. The piezoelectric element 40 is formed by crystallizing a piezoelectric ceramic of lead titanate into a crystal having a perovskite structure, and is formed on the diaphragm 30 in a predetermined shape.

【0017】ノズル板10は、圧力室基板20に設けら
れたキャビティ21の各々に対応する位置にそのノズル
穴11が配置されるよう、圧力室基板20に貼り合わせ
られている。ノズル板10を貼り合わせた圧力室基板2
0は、さらに図4に示すように筐体25に填められて、
インクジェット式記録ヘッド1を構成している。
The nozzle plate 10 is bonded to the pressure chamber substrate 20 such that the nozzle holes 11 are arranged at positions corresponding to the cavities 21 provided in the pressure chamber substrate 20. Pressure chamber substrate 2 with nozzle plate 10 attached
0 is further inserted into the housing 25 as shown in FIG.
The inkjet recording head 1 is configured.

【0018】図3に圧電体素子40の層構造を説明する
断面図を示す。振動板30は、図3に示すように絶縁膜
31および下部電極32を積層して構成され、圧電体素
子40は圧電体薄膜層41および上部電極42を積層し
て構成されている。
FIG. 3 is a sectional view for explaining the layer structure of the piezoelectric element 40. As shown in FIG. 3, the vibration plate 30 is formed by stacking an insulating film 31 and a lower electrode 32, and the piezoelectric element 40 is formed by stacking a piezoelectric thin film layer 41 and an upper electrode.

【0019】絶縁膜31は、導電性のない材料、例えば
シリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素によ
り構成され、圧電体層の体積変化により変形し、キャビ
ティ21の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構
成されている。
The insulating film 31 is made of a non-conductive material, for example, silicon dioxide formed by thermally oxidizing a silicon substrate. The insulating film 31 is deformed by a change in volume of the piezoelectric layer, and instantaneously changes the pressure inside the cavity 21. It is configured so as to be able to be increased.

【0020】下部電極32は、圧電体薄膜層に電圧を印
加するための上部電極42と対になる電極であり、導電
性を有する材料、例えば、チタン(Ti)層、白金(P
t)層、チタン(Ti)層を積層して構成されている。
このように複数の層を積層して下部電極を構成するの
は、白金層と圧電体薄膜層、白金層と絶縁膜との密着性
を高めるためである。上部電極膜42は、圧電体薄膜層
に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有
する材料、例えば膜厚0.1μmの白金(Pt)で構成
されている。
The lower electrode 32 is an electrode paired with the upper electrode 42 for applying a voltage to the piezoelectric thin film layer, and has a conductive material, for example, a titanium (Ti) layer, a platinum (P) layer.
t) and a titanium (Ti) layer.
The reason why the plurality of layers are stacked to form the lower electrode is to enhance the adhesion between the platinum layer and the piezoelectric thin film layer and between the platinum layer and the insulating film. The upper electrode film 42 is the other electrode for applying a voltage to the piezoelectric thin film layer, and is made of a conductive material, for example, platinum (Pt) having a thickness of 0.1 μm.

【0021】圧電体薄膜層41は、チタン酸鉛(PbT
iO)で構成された圧電性セラミックスにより形成さ
れている。チタン酸鉛の結晶構造は、その焼成温度によ
って二つの態様が出現する。その一つは、圧電体薄膜層
を結晶化させる焼成温度を680℃以下に設定した場合
であり、図1のX線回折特性に示すように、その結晶の
<100>配向に対する<001>配向の存在比が0.
5乃至2.0の範囲にあることを特徴とする結晶であ
る。もう一つは、圧電体薄膜層を結晶化させる焼成温度
を740℃以上に設定した場合であり、図2のX線回折
特性に示すように、その結晶の全配向に対する<100
>配向の存在比が0.7以上であって、かつ、<100
>配向に対する<001>配向の存在比が0.5以下で
あることを特徴とする結晶である。両特性の差について
は、後に説明する。
The piezoelectric thin film layer 41 is made of lead titanate (PbT
It is formed of piezoelectric ceramics composed of iO 3 ). Regarding the crystal structure of lead titanate, two modes appear depending on the firing temperature. One is the case where the firing temperature for crystallizing the piezoelectric thin film layer is set at 680 ° C. or lower, and as shown in the X-ray diffraction characteristics of FIG. 1, the <001> orientation relative to the <100> orientation of the crystal. Is 0.
A crystal characterized by being in the range of 5 to 2.0. The other is the case where the firing temperature for crystallizing the piezoelectric thin film layer is set to 740 ° C. or higher, and as shown in the X-ray diffraction characteristics of FIG.
> The orientation ratio is 0.7 or more, and <100
The crystal is characterized in that the ratio of the <001> orientation to the> orientation is 0.5 or less. The difference between the two characteristics will be described later.

【0022】圧電体薄膜層の厚みは、あまりに厚くする
と高い駆動電圧が必要となる。またあまりに薄くすると
膜厚を均一にできずエッチング後に分離された各圧電体
素子の特性がばらついたり製造工数が多くなって妥当な
コストで製造できなくなったりする。このため圧電体薄
膜層41は、500nm〜1500nm程度の厚みが好
ましい。
If the thickness of the piezoelectric thin film layer is too large, a high driving voltage is required. On the other hand, if the thickness is too small, the film thickness cannot be made uniform, and the characteristics of each piezoelectric element separated after the etching will vary, or the number of manufacturing steps will increase, making it impossible to manufacture at a reasonable cost. Therefore, the thickness of the piezoelectric thin film layer 41 is preferably about 500 nm to 1500 nm.

【0023】上記インクジェット式記録ヘッドの構成に
おけるインク滴吐出の原理を説明する。圧電体素子40
の下部電極32と上部電極42との間に電圧が印加され
ていない場合、圧電体薄膜層41は体積変化を生じな
い。この電圧が印加されていない圧電体素子40が設け
られているキャビティ21には、圧力変化が生じず、そ
のノズル穴11からインク滴は吐出されない。
The principle of ejecting ink droplets in the structure of the ink jet recording head will be described. Piezoelectric element 40
When no voltage is applied between the lower electrode 32 and the upper electrode 42, the piezoelectric thin film layer 41 does not change in volume. No pressure change occurs in the cavity 21 in which the piezoelectric element 40 to which the voltage is not applied is provided, and no ink droplet is ejected from the nozzle hole 11.

【0024】一方、圧電体素子40の下部電極32と上
部電極42との間に一定電圧が印加された場合、圧電体
薄膜層41は体積変化を生じる。この電圧が印加された
圧電体素子40が設けられているキャビティ21ではそ
の振動板30が大きくたわむ。このためキャビティ21
内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴11からインク滴
が吐出される。
On the other hand, when a constant voltage is applied between the lower electrode 32 and the upper electrode 42 of the piezoelectric element 40, the volume of the piezoelectric thin film layer 41 changes. In the cavity 21 in which the piezoelectric element 40 to which the voltage is applied is provided, the vibration plate 30 is largely bent. Therefore, the cavity 21
The pressure inside increases instantaneously, and ink droplets are ejected from the nozzle holes 11.

【0025】(製造方法の説明)次に本発明のインクジ
ェット式記録ヘッドの製造方法を、圧電体素子の製造方
法と併せて説明する。図6および図7に本実施形態の圧
電体素子およびインクジェット式記録ヘッドの製造方法
を説明する製造工程断面図を示す。この製造方法はいわ
ゆるゾルゲル法を使用したものである。ゾルの製造:
圧電体薄膜層の原料となる圧電性セラミックスのゾルを
製造する。まずゾルの原料となる溶質およびその溶媒と
して、表1に示すようなものを用意する。
(Description of Manufacturing Method) Next, a method of manufacturing an ink jet recording head according to the present invention will be described together with a method of manufacturing a piezoelectric element. 6 and 7 are cross-sectional views showing manufacturing steps for explaining a method of manufacturing the piezoelectric element and the ink jet recording head according to the present embodiment. This manufacturing method uses a so-called sol-gel method. Production of sol:
A sol of piezoelectric ceramics, which is a raw material for a piezoelectric thin film layer, is manufactured. First, a solute as a raw material of a sol and a solvent as shown in Table 1 are prepared.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】具体的には、2−n−ブトキシエタノール
中に、チタニウムテトライソプロポキシドを加え、室温
で30分間攪拌する。次にこれにイミノジエタノールを
加え、さらに室温で30分攪拌する。酢酸鉛を加え、8
0℃に加温し30分間攪拌する。この溶液を室温になる
まで自然冷却し、最後にポリエチレングリコールを加え
て室温下で5分攪拌する。以上の工程によってアルコー
ル系ゾル溶液が完成する。なお、2−n−ブトキシエタ
ノールは主溶媒である。イミノジエタノールは酢酸鉛の
溶解を促進し、チタニウムテトライソプロポキシドの加
水分解を抑止する働きをする。
Specifically, titanium tetraisopropoxide is added to 2-n-butoxyethanol, and the mixture is stirred at room temperature for 30 minutes. Next, iminodiethanol is added thereto, and the mixture is further stirred at room temperature for 30 minutes. Add lead acetate and add 8
Warm to 0 ° C. and stir for 30 minutes. The solution is naturally cooled to room temperature, and finally polyethylene glycol is added and the mixture is stirred at room temperature for 5 minutes. Through the above steps, an alcohol-based sol solution is completed. In addition, 2-n-butoxyethanol is a main solvent. Iminodiethanol promotes dissolution of lead acetate and serves to inhibit hydrolysis of titanium tetraisopropoxide.

【0028】絶縁膜形成工程(図6(a)): 上記ゾ
ルの製造と並行して、シリコン基板20に絶縁膜31を
形成する。シリコン基板20としては、例えば200μ
m程度のものを用いる。絶縁膜31は、1μm程度の厚
みに形成する。絶縁膜の製造には公知の熱酸化法等を用
いる。
Insulating film forming step (FIG. 6A): In parallel with the production of the sol, an insulating film 31 is formed on the silicon substrate 20. As the silicon substrate 20, for example, 200 μm
m is used. The insulating film 31 is formed to a thickness of about 1 μm. For the production of the insulating film, a known thermal oxidation method or the like is used.

【0029】下部電極形成工程(図6(b)): 次いで
絶縁膜31の上に下部電極32を形成する。下部電極3
2は、例えばチタン層、酸化チタン層、チタン層、白金
層、チタン層を0.01μm、0.01μm、0.00
5μm,0.5μm、0.005μmの厚みで積層す
る。これら層の製造は公知の直流スパッタ法等を用い
る。
Lower electrode forming step (FIG. 6B): Next, a lower electrode 32 is formed on the insulating film 31. Lower electrode 3
2 is, for example, a titanium layer, a titanium oxide layer, a titanium layer, a platinum layer, a titanium layer of 0.01 μm, 0.01 μm, 0.00
The layers are laminated at a thickness of 5 μm, 0.5 μm, and 0.005 μm. These layers are manufactured by a known direct current sputtering method or the like.

【0030】圧電体層形成工程(図6(c)(d)):
次いで上記ゾルを用いて上部電極32上に圧電体薄膜
層41を形成する。まず上記ゾルを下部電極上に一定の
厚みに塗布する。例えば公知のスピンコート法を用いる
場合には、毎分500回転で30秒、毎分1500回転
で30秒、最後に毎分500回転で10秒間塗布する。
塗布後、一定温度(例えば180度)で一定時間(例え
ば10分程度)乾燥させる。乾燥により溶媒であるブト
キシエタノールが蒸発する。乾燥後、さらに大気雰囲気
下において所定の高温(例えば400度)で一定時間
(30分間)脱脂する。脱脂により金属に配位している
有機の配位子が熱分解され、金属が酸化されて金属酸化
物となる。この塗布→乾燥→脱脂の各工程を所定回数、
例えば8回繰り返して8層の薄膜層を積層する(図6
(c)→図6(d)→図6(c)→…)。これらの乾燥
や脱脂により、溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは
配位子の熱分解を経て金属−酸素−金属のネットワーク
が形成される。
Step of forming piezoelectric layer (FIGS. 6C and 6D):
Next, a piezoelectric thin film layer 41 is formed on the upper electrode 32 using the above sol. First, the sol is applied on the lower electrode to a certain thickness. For example, when a known spin coating method is used, coating is performed at 500 rotations per minute for 30 seconds, at 1500 rotations per minute for 30 seconds, and finally at 500 rotations per minute for 10 seconds.
After the application, the coating is dried at a constant temperature (for example, 180 degrees) for a certain time (for example, about 10 minutes). Drying causes the solvent butoxyethanol to evaporate. After drying, degreasing is further performed at a predetermined high temperature (for example, 400 ° C.) for a certain period of time (30 minutes) in an air atmosphere. By degreasing, the organic ligand coordinated to the metal is thermally decomposed, and the metal is oxidized to a metal oxide. This coating → drying → degreasing process is performed a predetermined number of times,
For example, eight thin film layers are laminated by repeating eight times (FIG. 6).
(C) → FIG. 6 (d) → FIG. 6 (c) → ...). By these drying and degreasing, a metal-oxygen-metal network is formed between the metal alkoxide and the acetate in the solution through thermal decomposition of the ligand.

【0031】この薄膜層を4層形成した後と8層形成し
た後には、さらに一定の雰囲気下で焼成処理する。この
ときの温度をどのように設定するかによって、結晶化さ
れるチタン酸鉛の態様が上記したように二種類に分かれ
る。焼成処理には通常良く用いられる電気炉などを用い
る。
After forming the four thin film layers and after forming the eight thin film layers, a baking treatment is further performed under a constant atmosphere. Depending on how the temperature at this time is set, the form of the crystallized lead titanate is divided into two types as described above. For the firing treatment, an electric furnace or the like that is usually used is used.

【0032】例えば、比較的低い温度で高速熱処理(R
TA:Rapid Thermal Annealing)を施した場合、例え
ば680℃以下で5分間焼成した場合、結晶化されたチ
タン酸鉛は<100>配向に対する<001>配向の存
在比が0.5乃至2.0の範囲にある結晶となる(図1
参照)。
For example, a rapid heat treatment (R
When TA (Rapid Thermal Annealing) is applied, for example, when baked at 680 ° C. or lower for 5 minutes, the crystallized lead titanate has an abundance ratio of <001> orientation to <100> orientation of 0.5 to 2.0. (Fig. 1
reference).

【0033】一方比較的高い温度で高速熱処理を施した
場合、例えば740℃以上で5分間焼成した場合、結晶
化されたチタン酸鉛は全配向に対する<100>配向の
存在比が0.7以上であって、かつ、<100>配向に
対する<001>配向の存在比が0.5以下である結晶
となる(図2参照)。
On the other hand, when high-speed heat treatment is performed at a relatively high temperature, for example, when calcination is performed at 740 ° C. or more for 5 minutes, the crystallized lead titanate has an existing ratio of <100> orientation to all orientations of 0.7 or more. And a crystal in which the ratio of the <001> orientation to the <100> orientation is 0.5 or less (see FIG. 2).

【0034】上記から判るように、700℃付近を境に
それより低い温度で焼成するか高い温度で焼成するかに
より結晶構造が大きく変化する。これは、結晶化の際に
おける結晶成長の違いによるものと考えられる。チタン
酸鉛の結晶は、酸化チタン(TiO2)が結晶核となっ
て成長する場合と、酸化鉛(PbO)が結晶核となって
成長する場合とが考えられる。イオン間静電力と原子間
距離とから、酸化チタンを核とする場合は[100]配向
が、酸化鉛を核とする場合は[001]配向が支配的とな
る。ただし、酸化鉛は700℃以上の高温では、蒸発あ
るいは拡散が生じ易い。したがって、700℃を超える
温度で焼結、結晶化させると、酸化鉛の影響が減じ、
[100]配向の占有率が高くなるのである。
As can be seen from the above, the crystal structure changes significantly depending on whether the firing is performed at a lower temperature or a higher temperature at around 700 ° C. This is considered to be due to a difference in crystal growth during crystallization. It is considered that the crystal of lead titanate grows with titanium oxide (TiO2) as a crystal nucleus and grows with lead oxide (PbO) as a crystal nucleus. Based on the inter-ion electrostatic force and the interatomic distance, the [100] orientation is dominant when titanium oxide is used as a nucleus, and the [001] orientation is used when lead oxide is used as a nucleus. However, at a high temperature of 700 ° C. or more, lead oxide tends to evaporate or diffuse. Therefore, when sintered and crystallized at a temperature exceeding 700 ° C., the effect of lead oxide is reduced,
The occupancy of the [100] orientation increases.

【0035】焼成温度を異ならせることで製造される二
種類の圧電体素子は、その結晶構造の相違に起因して、
印加電界に対する誘電分極特性が互いに異なる。すなわ
ち、比較的低い温度で焼成し<100>配向に対する<
001>配向の存在比が0.5乃至2.0の範囲となっ
た結晶の場合には、例えば図8に示すような印加電界−
分極特性を示す。図8から判るように、印加電界が20
0[kV/cm]以下の範囲Aでは、印加電界と分極と
がほぼ比例する。この領域では、残留分極Prが非常に
少ないので、電界の増加に対する分極の変化量、すなわ
ち体積の変化が多く、少ない電界で大きな変位が得られ
る圧電体素子を形成可能である。印加電界が200[k
V/cm]より多くなると、範囲B、範囲Cと進むに連
れて印加電界−分極特性がヒステリシスを有するように
なる。範囲Dではかなり顕著なヒステリシスループを示
すようになる。この範囲では、電界の印加方向を反転さ
せなければ分極方向を変化させることができない。
The two types of piezoelectric elements manufactured by different firing temperatures have different crystal structures due to their different crystal structures.
Dielectric polarization characteristics with respect to an applied electric field are different from each other. That is, firing at a relatively low temperature <100> orientation <
001> In the case of a crystal in which the orientation ratio is in the range of 0.5 to 2.0, for example, the applied electric field-
Shows polarization characteristics. As can be seen from FIG.
In the range A of 0 [kV / cm] or less, the applied electric field is substantially proportional to the polarization. In this region, since the remanent polarization Pr is very small, it is possible to form a piezoelectric element in which the amount of change in polarization with respect to the increase in the electric field, that is, the change in volume is large and a large displacement can be obtained with a small electric field. When the applied electric field is 200 [k
V / cm], the applied electric field-polarization characteristic has hysteresis as the range B and the range C are advanced. In the range D, a considerably remarkable hysteresis loop is shown. In this range, the polarization direction cannot be changed without reversing the application direction of the electric field.

【0036】一方比較的高い温度で焼成し全配向に対す
る<100>配向の存在比が0.7以上であって、か
つ、<100>配向に対する<001>配向の存在比が
0.5以下となった結晶の場合には、例えば、図9に示
すような印加電界−分極特性を示す。図9から判るよう
に、印加電界が低いうちから、図8の範囲Dと同様の印
加電界−分極特性を示す。このヒステリシス特性を有す
る圧電体素子では、印加する電界(電圧)の変化が増加
方向か減少方向かによって分極方向、すなわち体積変化
の方向を反転させることが可能である。つまり、時間の
経過と共に単調増加になったり単調減少になったりする
制御電界(電圧)を印加することによって、この結晶構
造を備えた圧電体素子の制御が可能となる。
On the other hand, it is baked at a relatively high temperature and the ratio of <100> orientation to all orientations is 0.7 or more, and the ratio of <001> orientation to <100> orientation is 0.5 or less. In the case of the resulting crystal, for example, an applied electric field-polarization characteristic as shown in FIG. 9 is exhibited. As can be seen from FIG. 9, while the applied electric field is low, the same applied electric field-polarization characteristics as those in the range D of FIG. 8 are exhibited. In a piezoelectric element having this hysteresis characteristic, the direction of polarization, that is, the direction of volume change, can be reversed depending on whether the applied electric field (voltage) changes in an increasing direction or a decreasing direction. That is, by applying a control electric field (voltage) that monotonically increases or monotonically decreases with the passage of time, it becomes possible to control the piezoelectric element having this crystal structure.

【0037】以上の焼成処理によりアモルファス状態の
ゲルからいずれかの結晶構造を備えたペロブスカイト結
晶構造が形成される。
By the above calcination treatment, a perovskite crystal structure having any crystal structure is formed from the gel in an amorphous state.

【0038】上部電極形成工程(図6(e)): 圧電体
薄膜層41の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッタ
法等の技術を用いて、上部電極42を形成する。上部電
極の材料は、白金(Pt)等を用いる。厚みは100n
m程度にする。
Upper Electrode Forming Step (FIG. 6E): An upper electrode 42 is formed on the piezoelectric thin film layer 41 by using a technique such as an electron beam evaporation method or a sputtering method. As a material of the upper electrode, platinum (Pt) or the like is used. The thickness is 100n
m.

【0039】以上の工程で圧電体素子の原形が完成す
る。この圧電体素子を適用箇所に適した形状にエッチン
グすることで、本発明の圧電体素子として動作させるこ
とが可能である。本実施形態では上記圧電体素子の積層
構造をインクジェット式記録ヘッドに適合させてエッチ
ングしインクジェット式記録ヘッドを製造する。
The original shape of the piezoelectric element is completed through the above steps. By etching this piezoelectric element into a shape suitable for the application location, it is possible to operate as the piezoelectric element of the present invention. In the present embodiment, an ink jet recording head is manufactured by etching the laminated structure of the piezoelectric element so as to be compatible with the ink jet recording head.

【0040】エッチング工程(図7(a)): 各層を形
成後、上部電極42および圧電体薄膜層41を、各キャ
ビティ21に合わせた形状になるようマスクし、その周
囲をエッチングする。具体的には、まずスピンナー法、
スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジスト材料
を塗布する。次いでマスクを圧電体素子の形状に形成し
てから露光し現像して、レジストパターンを上部電極4
2上に形成する。これに通常用いるイオンミリング、あ
るいはドライエッチング法等を適用して、上部電極およ
び圧電体薄膜層をエッチングし除去する。
Etching Step (FIG. 7A): After forming each layer, the upper electrode 42 and the piezoelectric thin film layer 41 are masked so as to have a shape conforming to each cavity 21, and the periphery thereof is etched. Specifically, first, the spinner method,
A resist material having a uniform thickness is applied using a method such as a spray method. Next, a mask is formed in the shape of the piezoelectric element, exposed and developed to form a resist pattern on the upper electrode 4.
2 is formed. The upper electrode and the piezoelectric thin film layer are etched and removed by applying ion milling, a dry etching method or the like which is usually used for this.

【0041】圧力室形成工程(図7(b)): 圧電体
素子40が形成された圧力室基板20の他方の面をエッ
チングしてキャビティ21を形成する。例えば、異方性
エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活
性気体を用いた異方性エッチングを用いて、キャビティ
21空間のエッチングを行う。エッチングされずに残さ
れた部分が側壁22になる。
Pressure Chamber Forming Step (FIG. 7B): The other surface of the pressure chamber substrate 20 on which the piezoelectric element 40 is formed is etched to form a cavity 21. For example, the cavity 21 space is etched using anisotropic etching using an active gas such as anisotropic etching and parallel plate type reactive ion etching. The portion left without being etched becomes the side wall 22.

【0042】ノズル板貼り合わせ工程(図7(c)):
エッチング後の圧力室基板20にノズル板10を接着
剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル穴11
がキャビティ21各々の空間に配置されるよう位置合せ
する。ノズル板10が貼り合わせられた圧力室基板20
を筐体25に取り付け(図4参照)、インクジェット式
記録ヘッド1を完成させる。なお、ノズル板10を貼り
合わせる代わりに、ノズル板と圧力室基板を一体的にエ
ッチングして形成してもよい。一体的にエッチングして
ノズル板と圧力室基板とを同時に製造した場合には貼り
合わせ工程は不要である。ノズル穴はキャビティに相当
する位置に開口させる。
Nozzle plate bonding step (FIG. 7 (c)):
The nozzle plate 10 is attached to the pressure chamber substrate 20 after the etching with an adhesive. At the time of bonding, each nozzle hole 11
Are positioned in the space of each cavity 21. Pressure chamber substrate 20 to which nozzle plate 10 is attached
Is attached to the housing 25 (see FIG. 4), and the ink jet recording head 1 is completed. Instead of bonding the nozzle plate 10, the nozzle plate and the pressure chamber substrate may be integrally etched and formed. When the nozzle plate and the pressure chamber substrate are manufactured at the same time by integrally etching, the bonding step is unnecessary. The nozzle hole is opened at a position corresponding to the cavity.

【0043】(実施例)上記実施形態により二種類の結
晶構造の圧電体素子を製造した。実施例1として、温度
600℃の比較的低い焼成温度で結晶化させたチタン酸
鉛の圧電体素子を掲げる。膜厚は、1.0μmである。
実施例2として温度850℃の比較的高い焼成温度で結
晶化させたチタン酸鉛の圧電体素子を掲げる。膜厚は、
1.0μmである。比較例として従来品の圧電体素子
(PZT)を挙げる。焼成処理は650度で5分間、さ
らに850度で1分間加熱した。膜厚は、1.0μmで
ある。
Example A piezoelectric element having two types of crystal structures was manufactured according to the above embodiment. As Example 1, a piezoelectric element made of lead titanate crystallized at a relatively low firing temperature of 600 ° C. will be described. The thickness is 1.0 μm.
As a second embodiment, a piezoelectric element made of lead titanate crystallized at a relatively high firing temperature of 850 ° C. will be described. The film thickness is
1.0 μm. As a comparative example, a conventional piezoelectric element (PZT) will be described. The firing treatment was performed at 650 ° C. for 5 minutes, and further at 850 ° C. for 1 minute. The thickness is 1.0 μm.

【0044】図1に実施例1の圧電体素子におけるX線
回折特性(2θ)を示す。図1から明らかなように、結
晶の配向として、<001>配向、<100>配向、<
110>配向および<101>配向が主として観察され
た。その中で、<100>配向に対する<001>配向
の存在比が0.7であり、0.5乃至2.0の範囲に入
っていることが判る。
FIG. 1 shows the X-ray diffraction characteristics (2θ) of the piezoelectric element of the first embodiment. As is clear from FIG. 1, the crystal orientations are <001> orientation, <100> orientation, <
The 110> and <101> orientations were mainly observed. Among them, it can be seen that the abundance ratio of the <001> orientation to the <100> orientation is 0.7, which is in the range of 0.5 to 2.0.

【0045】また図2に実施例2の圧電体素子における
X線回折特性(2θ)を示す。図2から明らかなよう
に、結晶の配向として、<001>配向、<100>配
向、<110>配向および<101>配向が主として観
察された。その中で、全配向に対する<100>配向の
存在比が顕著に多く、0.7以上となっていることが判
る。また<100>配向に対する<001>配向の存在
比が約0.2であり、0.5以下の範囲に入っているこ
とが判る。
FIG. 2 shows the X-ray diffraction characteristic (2θ) of the piezoelectric element of the second embodiment. As is clear from FIG. 2, <001>, <100>, <110>, and <101> orientations were mainly observed as crystal orientations. Among them, it can be seen that the abundance ratio of <100> orientation to all orientations is remarkably large, and is 0.7 or more. Also, it can be seen that the abundance ratio of the <001> orientation to the <100> orientation is about 0.2, and is within 0.5 or less.

【0046】図8に実施例1の圧電体素子における印加
電界に対する分極特性を示す。図8のヒステリシスルー
プは1μFのロードキャパシタソーヤ・タワー回路を使
用して周波数60Hzの正弦波を加えて測定した。図8
においてヒステリシスループが非対称である原因は圧電
体薄膜層と上部電極との界面準位の相違によると推察さ
れる。図8から判るように、実施例1では200[kV
/cm]以下の低い電界で電界と分極とがほぼ比例し、
その後ヒステリシスを備えるようになる。
FIG. 8 shows the polarization characteristics of the piezoelectric element of Example 1 with respect to an applied electric field. The hysteresis loop of FIG. 8 was measured using a 1 μF load capacitor Sawyer tower circuit with a 60 Hz sine wave applied. FIG.
It is presumed that the reason why the hysteresis loop is asymmetric in the above is due to the difference in the interface state between the piezoelectric thin film layer and the upper electrode. As can be seen from FIG. 8, in the first embodiment, 200 kV
/ Cm] or less at low electric fields of less than or equal to
Then comes the hysteresis.

【0047】また図9に実施例2の圧電体素子における
印加電界に対する分極特性を示す。図9から判るよう
に、実施例2では200[kV/cm]以下の低い電界
から電界−分極特性が顕著なヒステリシスを示す。この
状態では、電界(電圧)の変化方向を変えることによっ
て分極方向を反転させることが可能である。
FIG. 9 shows the polarization characteristics of the piezoelectric element of Example 2 with respect to an applied electric field. As can be seen from FIG. 9, in Example 2, the electric field-polarization characteristic shows a remarkable hysteresis from a low electric field of 200 [kV / cm] or less. In this state, it is possible to reverse the polarization direction by changing the change direction of the electric field (voltage).

【0048】上記特性の相違から圧電体素子を駆動する
制御信号の波形が定まる。図10(a)は比較的低い温
度で焼成した実施例1のような圧電体素子を駆動するた
めの駆動信号Sd1の波形である。このように体積変化
を起こさせたいタイミングに合わせて体積変化の大きさ
に比例する電圧を圧電体素子の上部電極−下部電極間に
加える。この駆動信号Sd1を加えることにより、圧電
体素子は図10(a)の波線δ1のような特性で体積変
化を生じる。駆動信号にオフセットを設けてあるのは、
インクのメニスカスをノズルに発生させ、インクの吐出
性能を上げるためである。この圧電体素子がインクジェ
ット式記録ヘッドのアクチュエータに使用される場合に
は、電圧値に応じた量のインクを吐出させることが可能
である。このとき、比較例の圧電体素子に比べ、残留歪
みが少ないので、効率のよい電気機械変換作用が期待で
きる。また誘電率が比較的低いため容量の少ない素子を
提供でき負荷回路の負担が少なくて済む。
The waveform of the control signal for driving the piezoelectric element is determined from the difference in the above characteristics. FIG. 10A shows the waveform of the drive signal Sd1 for driving the piezoelectric element as in Example 1 fired at a relatively low temperature. A voltage proportional to the magnitude of the volume change is applied between the upper electrode and the lower electrode of the piezoelectric element in accordance with the timing at which the volume change is desired. By adding the drive signal Sd1, the piezoelectric element undergoes a volume change with a characteristic like a dashed line δ1 in FIG. The reason why the offset is provided in the drive signal is that
This is for generating a meniscus of the ink at the nozzles and improving the ink ejection performance. When this piezoelectric element is used for an actuator of an ink jet recording head, it is possible to eject an amount of ink according to the voltage value. At this time, since the residual strain is smaller than that of the piezoelectric element of the comparative example, an efficient electromechanical conversion action can be expected. Also, since the dielectric constant is relatively low, an element having a small capacity can be provided, and the load on the load circuit can be reduced.

【0049】図10(b)は比較的高い温度で焼成した
実施例2のような圧電体素子を駆動するための駆動信号
Sd2の波形である。このように、体積変化を起こさせ
たいタイミングに駆動信号の変化方向が反転するような
鋸歯状波電圧を、圧電体素子の上部電極−下部電極間に
加える。この駆動信号Sd2を加えることにより、圧電
体素子は図10(b)の波線δ2のような特性で体積変
化を生ずる。この圧電体素子がインクジェット式記録ヘ
ッドのアクチュエータに使用される場合には、わずかな
電圧変化で一定量のインクを吐出させることが可能であ
る。このとき、比較例の圧電体素子に比べ、誘電率が比
較的低いため容量の小さい素子とすることができ負荷回
路の負担が少なくて済む。また電圧変化方向でインク吐
出を制御できるので、負荷回路の負担がさらに少なくて
済む。
FIG. 10B shows the waveform of the drive signal Sd2 for driving the piezoelectric element as in the second embodiment fired at a relatively high temperature. In this manner, a sawtooth voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode of the piezoelectric element so that the direction of change of the drive signal is reversed at the timing when a volume change is desired. By adding the drive signal Sd2, the piezoelectric element undergoes a volume change with a characteristic like a dashed line δ2 in FIG. When this piezoelectric element is used for an actuator of an ink jet recording head, it is possible to discharge a fixed amount of ink with a slight voltage change. At this time, since the dielectric constant is relatively low as compared with the piezoelectric element of the comparative example, the element can be a small-capacity element and the load on the load circuit can be reduced. Further, since the ink ejection can be controlled in the voltage change direction, the load on the load circuit can be further reduced.

【0050】さらにこのような顕著なヒステリシス特性
は記憶ユニットとなり得るため、この圧電体素子を複数
併設し個別に電圧印加可能に構成することでメモリを構
成することも可能である。すなわち実施例2のような圧
電体素子では、飽和分極または残留分極が制御電圧の絶
対値が8Vより低くても40[μC/cm]と大き
い。したがって記録したい情報論理に合わせた駆動信号
を供給して書き込みを行い、分極方向を検出して情報読
み取りを行うことにより、書き換え可能なメモリとして
使用することが可能である。
Further, since such a remarkable hysteresis characteristic can be used as a storage unit, it is possible to configure a memory by arranging a plurality of piezoelectric elements in parallel and applying a voltage individually. That is, in the piezoelectric element of the second embodiment, the saturation polarization or the residual polarization is as large as 40 [μC / cm 2 ] even if the absolute value of the control voltage is lower than 8V. Therefore, it is possible to use the memory as a rewritable memory by supplying a drive signal in accordance with the information logic to be recorded, writing the data, detecting the polarization direction and reading the information.

【0051】(その他の変形例)本発明は、上記各実施
形態によらず種々に変形して適応することが可能であ
る。例えば、上記実施形態ではゾルゲル法を用いて圧電
体薄膜層を結晶化させていたが、MOD法や共沈法、水
熱法によって有機金属の前駆体から圧電体薄膜層を結晶
化させるものでもよい。その際、二種類の結晶構造を得
るための熱処理温度が異なったとしても、結晶構造に先
に挙げた配向性上の特徴が見られれば上記実施形態と同
等の効果を奏する。
(Other Modifications) The present invention can be variously modified and applied irrespective of the above embodiments. For example, in the above embodiment, the piezoelectric thin film layer is crystallized using the sol-gel method. However, the piezoelectric thin film layer may be crystallized from an organic metal precursor by a MOD method, a coprecipitation method, or a hydrothermal method. Good. At this time, even if the heat treatment temperature for obtaining the two types of crystal structures is different, the same effects as those of the above embodiment can be obtained if the above-mentioned orientation characteristics are observed in the crystal structures.

【0052】また、本発明で製造した圧電体素子は、上
記インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみなら
ず、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ
電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶
装置、空間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器
等のような強誘電体装置、誘電体装置、パイロ電気装
置、圧電装置、および電気光学装置の製造に適応するこ
とができる。すなわち、本発明の圧電体素子は低誘電
性、低残留歪みあるいは高飽和分極を呈するために、あ
らゆる用途に適する圧電体素子を提供可能である。
The piezoelectric element manufactured by the present invention is not limited to the piezoelectric element of the above-mentioned ink jet recording head, but also includes a nonvolatile semiconductor memory device, a thin film capacitor, a pyroelectric detector, a sensor, and a surface acoustic wave optical waveguide. Applicable to the manufacture of ferroelectric devices, dielectric devices, pyroelectric devices, piezoelectric devices, and electro-optical devices such as tubes, optical storage devices, spatial light modulators, frequency doublers for diode lasers, etc. . That is, since the piezoelectric element of the present invention exhibits low dielectric properties, low residual strain, or high saturation polarization, it is possible to provide a piezoelectric element suitable for any use.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明によれば、チタン酸鉛を比較的低
温で焼成したので、残留分極が低く、大きな変位を生ず
る圧電体素子およびインクジェット式記録ヘッドを提供
することができる。
According to the present invention, since the lead titanate is calcined at a relatively low temperature, it is possible to provide a piezoelectric element and an ink jet recording head having low remanent polarization and large displacement.

【0054】本発明によれば、チタン酸鉛を比較的高温
で焼成したので、ヒステリシス特性を示し少ない電圧変
動で大きな変位制御が行える圧電体素子およびインクジ
ェット式記録ヘッドを提供することができる。
According to the present invention, since the lead titanate is calcined at a relatively high temperature, it is possible to provide a piezoelectric element and an ink jet recording head which exhibit hysteresis characteristics and can perform large displacement control with small voltage fluctuation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】比較的低い温度で焼成した本発明の圧電体素子
(実施例1)におけるX線回折特性図(2θ)である。
FIG. 1 is an X-ray diffraction characteristic diagram (2θ) of a piezoelectric element of the present invention fired at a relatively low temperature (Example 1).

【図2】比較的高い温度で焼成した本発明の圧電体素子
(実施例2)におけるX線回折特性図(2θ)である。
FIG. 2 is an X-ray diffraction characteristic diagram (2θ) of the piezoelectric element of the present invention (Example 2) fired at a relatively high temperature.

【図3】本発明の圧電体素子の積層構造を説明する断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a laminated structure of the piezoelectric element of the present invention.

【図4】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜
視図である。
FIG. 4 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of the present invention.

【図5】本発明のインクジェット式記録ヘッドの斜視図
一部断面図である。
FIG. 5 is a perspective view, partly in section, of an ink jet recording head of the present invention.

【図6】本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法を説明する製造工程断面図である(その1)。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process for explaining the method of manufacturing the ink jet printer head of the present invention (part 1).

【図7】本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法を説明する製造工程断面図である(その2)。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step for explaining the method for manufacturing an ink jet printer head of the present invention (part 2).

【図8】チタン酸鉛を比較的低温で焼成した場合におけ
る、圧電体薄膜層に印加する電界の強さEに対する圧電
体薄膜層の誘電分極Pの強さを表す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the strength of the dielectric polarization P of the piezoelectric thin film layer with respect to the strength E of the electric field applied to the piezoelectric thin film layer when lead titanate is fired at a relatively low temperature.

【図9】チタン酸鉛を比較的高温で焼成した場合におけ
る、圧電体薄膜層に印加する電界の強さEに対する圧電
体薄膜層の誘電分極Pの強さを表す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the strength of the dielectric polarization P of the piezoelectric thin film layer with respect to the strength E of the electric field applied to the piezoelectric thin film layer when lead titanate is fired at a relatively high temperature.

【図10】圧電体素子の駆動特性図であり、(a)は比
較的低い温度で焼成した実施例1の圧電体素子における
駆動信号と変位を示す図であり、(b)は比較的高い温
度で焼成した実施例2の圧電体素子における駆動信号と
変位を示す図である。
10A and 10B are driving characteristic diagrams of a piezoelectric element, in which FIG. 10A is a diagram showing a driving signal and displacement in the piezoelectric element of Example 1 fired at a relatively low temperature, and FIG. It is a figure which shows the drive signal and displacement in the piezoelectric element of Example 2 baked at the temperature.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…ノズル板 20…圧力室基板 30…振動板 31…絶縁膜 32…下部電極 40…圧電体素子 41…圧電体薄膜層 42…上部電極 11…ノズル 21…キャビティ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nozzle plate 20 ... Pressure chamber substrate 30 ... Vibration plate 31 ... Insulating film 32 ... Lower electrode 40 ... Piezoelectric element 41 ... Piezoelectric thin film layer 42 ... Upper electrode 11 ... Nozzle 21 ... Cavity

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B41J 2/055 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) B41J 2/055

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下部電極および上部電極に挟持された圧
電体薄膜を備える圧電体素子において、 前記圧電体薄膜を構成する圧電性セラミックスは、チタ
ン酸鉛から構成されており、その結晶は<100>配向
に対する<001>配向の存在比が0.5乃至2.0の
範囲にあることを特徴とする圧電体素子。
1. A piezoelectric element comprising a piezoelectric thin film sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, wherein the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric thin film is made of lead titanate, and the crystal of which is <100. A piezoelectric element, wherein the ratio of the <001> orientation to the> orientation is in the range of 0.5 to 2.0.
【請求項2】 下部電極および上部電極に挟持された圧
電体薄膜を備える圧電体素子において、 前記圧電体薄膜を構成する圧電性セラミックスは、チタ
ン酸鉛から構成されており、その結晶は全配向に対する
<100>配向の存在比が0.7以上であって、かつ、
<100>配向に対する<001>配向の存在比が0.
5以下であることを特徴とする圧電体素子。
2. A piezoelectric element comprising a piezoelectric thin film sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, wherein the piezoelectric ceramics constituting the piezoelectric thin film is made of lead titanate, and the crystal of which is oriented in all directions. <100> orientation is 0.7 or more with respect to
The existence ratio of the <001> orientation to the <100> orientation is 0.1.
A piezoelectric element having a size of 5 or less.
【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の圧電体
素子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、 圧力室が形成された圧力室基板と、 前記圧力室の一方の面に設けられた振動板と、 前記振動板の前記圧力室に対応する位置に設けられ、当
該圧力室に体積変化を及ぼすことが可能に構成された前
記圧電体素子と、を備えたことを特徴とするインクジェ
ット式記録ヘッド。
3. An ink jet recording head provided with the piezoelectric element according to claim 1, wherein a pressure chamber substrate in which a pressure chamber is formed, and a vibration provided on one surface of the pressure chamber. An ink jet type recording comprising: a plate; and the piezoelectric element provided at a position corresponding to the pressure chamber of the vibration plate, and configured to be able to apply a volume change to the pressure chamber. head.
【請求項4】 請求項1に記載の圧電体素子の制御方法
であって、 当該圧電体素子の印加電界/誘電分極特性において印加
電界とこれに対応する分極とが略比例する領域において
電界を変化させることを特徴とする圧電体素子の制御方
法。
4. The method for controlling a piezoelectric element according to claim 1, wherein in the applied electric field / dielectric polarization characteristics of the piezoelectric element, an electric field is applied in a region where the applied electric field and the corresponding polarization are substantially proportional. A method for controlling a piezoelectric element, wherein the method is changed.
【請求項5】 請求項2に記載の圧電体素子の制御方法
であって、 当該圧電体素子の印加電界/誘電分極特性において印加
電界とこれに対応する分極とがヒステリシス特性を示す
領域において電界の変化方向を正負に変動させることに
より当該圧電体素子の体積変化を制御することを特徴と
する圧電体素子の制御方法。
5. The method of controlling a piezoelectric element according to claim 2, wherein in the applied electric field / dielectric polarization characteristic of the piezoelectric element, an electric field is applied in a region where the applied electric field and the corresponding polarization exhibit hysteresis characteristics. A volume change of the piezoelectric element by changing a change direction of the piezoelectric element to positive or negative.
【請求項6】 請求項1に記載の圧電体素子の製造方法
において、 前記圧電体薄膜を結晶化させるための熱処理工程におい
て、焼成温度を680℃より低い温度に設定することを
特徴とする圧電体素子の製造方法。
6. The piezoelectric element manufacturing method according to claim 1, wherein in the heat treatment step for crystallizing the piezoelectric thin film, a firing temperature is set to a temperature lower than 680 ° C. Method for manufacturing a body element.
【請求項7】 請求項2に記載の圧電体素子の製造方法
において、 前記圧電体薄膜を結晶化させるための熱処理工程におい
て、焼成温度を740℃より高い温度に設定することを
特徴とする圧電体素子の製造方法。
7. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 2, wherein in the heat treatment step for crystallizing the piezoelectric thin film, a firing temperature is set to a temperature higher than 740 ° C. Method for manufacturing a body element.
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