JP2001077438A - 圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびこれらの製造方法 - Google Patents

圧電素子、インクジェット式記録ヘッド、およびこれらの製造方法

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JP2001077438A
JP2001077438A JP25303999A JP25303999A JP2001077438A JP 2001077438 A JP2001077438 A JP 2001077438A JP 25303999 A JP25303999 A JP 25303999A JP 25303999 A JP25303999 A JP 25303999A JP 2001077438 A JP2001077438 A JP 2001077438A
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thin film
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piezoelectric thin
film
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JP25303999A
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Satoru Fujii
覚 藤井
Isaku Jinno
伊策 神野
Ryoichi Takayama
良一 高山
Takeshi Kamata
健 鎌田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B41J2002/14258Multi layer thin film type piezoelectric element

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子の感度や変位のバラツキを小さく抑
え、また、小型化を図る。 【解決手段】 圧電素子は、(100)MgO単結晶基
板から成る成膜基板101上に、下部電極102、膜厚
がそれぞれ3μmの第1圧電体薄膜103と第2圧電体
薄膜104と、および上部電極105が形成されて構成
されている。上記第1圧電体薄膜103、および第2圧
電体薄膜104は、それぞれ互いに異なる基板温度でス
パッタリングされることによって連続的に形成され、例
えば同図に矢印A,Bで示すように分極方向が互いに逆
方向になり、薄膜バイモルフ構造の圧電素子が構成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサやア
クチュエータなどに用いられる圧電素子に関し、特に、
薄膜バイモルフ構造の圧電素子に関するものである。ま
た、そのような圧電素子を用いたインクジェット式記録
ヘッド、およびこれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、誘電体、特に強誘電体は、焦電性
を用いた焦電型赤外線検出器や、分極反転を用いた不揮
発性メモリ、高誘電率特性を用いた容量性素子などとと
もに、圧電効果を利用した加速度センサや圧力センサ、
逆圧電効果を利用したアクチュエータ等の圧電素子のキ
ーマテリアルとして研究されている。上記加速度センサ
や圧力センサ等に用いられる圧電素子は、圧電体に力が
加わることにより圧電体が電荷を発生する圧電効果を利
用して、力学量(加速度、振動、衝撃、圧力、等)を検
出するものであり、極めて高い検出感度を得ることがで
きるという特徴を有している。また、アクチュエータに
用いられる圧電素子は、圧電体に電圧が印加されたとき
に発生する歪みを利用するものであり、応答性が良好
で、微小な変位量を精密に制御できるといった特徴があ
る。
【0003】上記のようなセンサやアクチュエータに用
いられる圧電素子の構造は、圧電体に作用する力や圧電
体が生じる変位の方向によって、(1)縦効果型(電気
軸に平行な方向)、(2)せん断効果型(電気軸に平行
な面内のずれが生じる方向)、(3)横効果型(電気軸
に垂直な方向)の3種類に分類される。上記(3)の横
効果型のものは、小型、高感度であり、微小な加速度等
の検出や大きな変位が可能である。この種の圧電素子と
しては、片持ち梁、または両端固定梁構造の弾性板に圧
電体が接着されて構成されたモノモルフ構造のものが多
く用いられているが、2枚の圧電体薄板を互いに分極方
向が反転するように貼り合わせたバイモルフ構造のもの
も用いられている。
【0004】上記バイモルフ構造の圧電素子は、センサ
に用いられる場合には、高いS/N比が得られる。ま
た、アクチュエータに用いられる場合には、一方の圧電
体薄板は収縮し、他方の圧電体薄板は伸長するために、
振動板を備える必要がなく、しかも大きな変位量を得る
ことができる。
【0005】また、圧電素子を用いたインクジェット式
記録ヘッドは、機械加工により所定の形状に形成された
圧電体によってポンプ室が形成されて構成されていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように2枚の圧電体薄板を接着する構成のバイモルフ構
造の圧電素子では、製造工程において接着が不完全であ
ったり、接着状態にバラツキがあると、感度や変位のバ
ラツキも大きくなりがちである。また、一方の圧電体薄
板が収縮し、他方の圧電体薄板が伸長する際に、両者の
接着界面に応力が集中するため、機械的な損傷の発生な
どにより信頼性が低下しがちである。さらに、上記のよ
うに分極処理した2枚の圧電体を貼り合わせて製造され
るために、圧電体の厚さや大きさを大幅に低減すること
は困難であり、非常に小型のセンサ等を構成することが
困難であるという問題点を有していた。
【0007】また、機械加工によって形成された圧電体
を用いたインクジェット式記録ヘッドは、加工精度等に
起因して、やはり変位のバラツキが生じがちであり、イ
ンクの吐出量を均一化することが困難であるうえ、小型
化も困難であるという問題点を有していた。
【0008】本発明は、上記の点に鑑み、感度や変位の
バラツキを小さく抑えることができ、また、非常に小型
のセンサ等を構成することができる圧電素子およびその
製造方法の提供を目的としている。また、インクの吐出
量のバラツキを小さく抑え、小型化も容易なインクジェ
ット式記録ヘッドおよびその製造方法の提供をも目的と
している。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項1の発明は、圧電素子であって、1対の電極
と、上記1対の電極間に設けられた圧電体部とを有し、
上記圧電体部が、それぞれ薄膜形成され、分極方向が互
いに反転した第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とが
積層されて構成されていることを特徴としている。
【0010】請求項2の発明は、請求項1の圧電素子で
あって、上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜と
は、互いに異なる温度で薄膜形成されることにより、分
極方向が互いに反転していることを特徴としている。上
記のように、分極方向が互いに反転した圧電体薄膜が連
続して形成されることにより、圧電体の接着工程を必要
としないので、感度や変位のバラツキを小さく抑えるこ
とができる。また、薄膜形成によって圧電体を形成する
ことにより、圧電体の微細加工が可能であり、微小かつ
多様な形状の圧電素子を容易に形成できるとともに、圧
電素子全体の小型化や集積化なども可能になる。請求項
3の発明は、請求項1の圧電素子であって、上記第1の
圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくとも何れか一
方が、厚さ方向で異なる圧電定数を有し、他方に向けて
圧電定数が小さくなるように構成されていることを特徴
としている。
【0011】請求項4の発明は、請求項3の圧電素子で
あって、上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との
少なくとも何れか一方が、厚さ方向で異なる組成を有し
ていることを特徴としている。
【0012】請求項5の発明は、請求項3の圧電素子で
あって、上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との
少なくとも何れか一方が、厚さ方向で連続的に異なる圧
電定数を有していることを特徴としている。
【0013】請求項6の発明は、請求項3の圧電素子で
あって、上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との
少なくとも何れか一方が、互いに圧電定数の異なる複数
の圧電体薄膜が積層されて形成されていることを特徴と
している。
【0014】請求項7の発明は、請求項1の圧電素子で
あって、上記第1の圧電体薄膜および第2の圧電体薄膜
は、それぞれ厚さが10μm以下であることを特徴とし
ている。上記のように、圧電定数を圧電体の厚さ方向で
連続的に異ならせたり圧電定数の異なる複数の層を積層
したりすることにより、分極方向が互いに反転した圧電
体薄膜の界面での応力を小さく抑えることができるの
で、機械的な損傷の発生などを生じにくくして、高い信
頼性を得ることができる。また、上記の目的を達成する
ため、請求項8の発明は、インクジェット式記録ヘッド
であって、圧力室内のインクを加圧して吐出させるイン
クジェット式記録ヘッドにおいて、上記圧力室の壁面の
少なくとも一部が、請求項1ないし請求項3の何れかの
圧電素子によって構成されていることを特徴としてい
る。
【0015】請求項9の発明は、請求項8のインクジェ
ット式記録ヘッドであって、上記圧電素子が、圧電体保
持膜を介して、上記圧力室に設けられていることを特徴
としている。
【0016】請求項10の発明は、請求項8のインクジ
ェット式記録ヘッドであって、上記圧電素子が、成膜基
板上に形成されたものであり、上記圧力室の壁面の少な
くとも一部が、上記圧電素子と、上記成膜基板における
上記圧電素子が形成された部分が除去されて残った部分
とによって構成されていることを特徴としている。上記
のような圧電素子を用いてインクジェット式記録ヘッド
を構成することにより、インクの吐出量のバラツキを小
さく抑え、小型化も容易に図ることができる。また、上
記の目的を達成するため、請求項11の発明は、圧電素
子の製造方法であって、成膜基板上に第1の電極を形成
する工程と、上記第1の電極上に、それぞれ、薄膜形成
により、分極方向が互いに反転した第1の圧電体薄膜と
第2の圧電体薄膜とを積層して、圧電体部を形成する工
程と、上記圧電体部上に第2の電極を形成する工程とを
有することを特徴としている。
【0017】請求項12の発明は、請求項11の圧電素
子の製造方法であって、上記第1の圧電体薄膜と第2の
圧電体薄膜とを、互いに異なる温度で薄膜形成すること
により、分極方向が互いに反転した上記第1の圧電体薄
膜と第2の圧電体薄膜とを積層することを特徴としてい
る。
【0018】請求項13の発明は、請求項11の圧電素
子の製造方法であって、上記第1の圧電体薄膜と第2の
圧電体薄膜との少なくとも何れか一方を、組成を変化さ
せながら形成することにより、少なくともいずれか一方
の上記圧電体薄膜が、厚さ方向で異なる圧電定数を有
し、他方の上記圧電体薄膜に向けて圧電定数が小さくな
るように形成することを特徴としている。上記のよう
に、薄膜形成によって、分極方向が互いに反転した圧電
体薄膜を形成することにより、圧電体の接着工程を必要
とすることなく、したがって、感度や変位のバラツキを
小さく抑えることのできる圧電素子を製造することがで
きる。また、薄膜形成によって圧電体を形成することに
より、圧電体の微細加工が可能であり、微小かつ多様な
形状の圧電素子を容易に形成できるとともに、圧電素子
全体の小型化や集積化なども可能になる。また、圧電定
数を圧電体の厚さ方向で異ならせることにより、分極方
向が互いに反転した圧電体薄膜の界面での応力を小さく
抑えることができるので、機械的な損傷の発生などを生
じにくくして、高い信頼性を得ることができる。また、
上記の目的を達成するため、請求項14の発明は、イン
クジェット式記録ヘッドの製造方法であって、成膜基板
上に、第1の電極と、それぞれ、薄膜形成により、分極
方向が互いに反転した第1の圧電体薄膜および第2の圧
電体薄膜が積層された圧電体部と、第2の電極とを形成
して、圧電素子を形成する工程と、上記圧電素子を壁面
として、インクを加圧する圧力室を形成する工程と、上
記成膜基板を除去する工程とを有することを特徴として
いる。
【0019】請求項15の発明は、インクジェット式記
録ヘッドの製造方法であって、成膜基板上に、第1の電
極と、それぞれ、薄膜形成により、分極方向が互いに反
転した第1の圧電体薄膜および第2の圧電体薄膜が積層
された圧電体部と、第2の電極とを形成して、圧電素子
を形成する工程と、上記成膜基板における上記圧電素子
が形成された部分を除去し、他の部分を残す工程と、上
記残った成膜基板の部分、および上記圧電素子を壁面と
して、インクを加圧する圧力室を形成する工程とを有す
ることを特徴としている。
【0020】請求項16の発明は、請求項14または請
求項15のインクジェット式記録ヘッドの製造方法であ
って、上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とを、
互いに異なる温度で薄膜形成することにより、分極方向
が互いに反転した上記第1の圧電体薄膜および第2の圧
電体薄膜を積層することを特徴としている。上記のよう
に、薄膜形成により分極方向が互いに反転した圧電体薄
膜が形成された圧電素子を用いてインクジェット式記録
ヘッドを構成することにより、インクの吐出量のバラツ
キを小さく抑え、小型化も容易に図ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】(実施の形態1)実施の形態1の
薄膜バイモルフ構造の圧電素子およびその製造方法につ
いて説明する。
【0022】この圧電素子は、図1に示すように、厚さ
が500μmの(100)MgO単結晶基板から成る成
膜基板101上に、膜厚が0.15μmの下部電極10
2、膜厚がそれぞれ3μmの第1圧電体薄膜103と第
2圧電体薄膜104と、および上部電極105が形成さ
れて構成されている。上記下部電極102および上部電
極105は、それぞれPt(白金)薄膜から成ってい
る。また、第1圧電体薄膜103、および第2圧電体薄
膜104は、後述するように、それぞれ互いに異なる基
板温度でスパッタリングされることによって連続的に形
成され、例えば同図に矢印A,Bで示すように分極方向
が互いに逆方向になり、薄膜バイモルフ構造の圧電素子
が構成されている。
【0023】上記のような圧電素子は、例えば次のよう
にして製造することができる。 (1)図2(a)に示すように、成膜基板101上にP
t薄膜を高周波マグネトロンスパッタ法によって成膜
し、下部電極102を形成する。スパッタ成膜条件は、
基板温度が500〜700℃、スパッタガスはArと酸
素の混合ガス(95/5〜80/20)で、ガス圧は
0.1〜5Pa、高周波投入パワー密度は1〜5W/c
2(13.56MHz)、成膜時間は1時間であった。 (2)図2(b)(c)に示すように、第1圧電体薄膜
103と第2圧電体薄膜104とを下記(表1)に示す
成膜条件で連続して形成する。これにより、いずれの誘
電体も正方晶結晶構造を有し、分極軸が基板面に対して
垂直方向に優先配向したc軸配向単結晶膜となる。上記
分極方向がほぼ一方向に揃った状態は成膜後も維持さ
れ、したがって、特に分極処理を必要とすることなく、
圧電素子として機能させることができる。
【0024】ここで、第1圧電体薄膜103と第2圧電
体薄膜104とは、成膜時の基板温度を異ならせること
により、前記のように互いに逆の分極方向を持たせるこ
とができる。すなわち、第1圧電体薄膜103は、67
0〜720℃の基板温度で成膜することにより、第1圧
電体薄膜103から成膜基板101の方向(図1の矢印
A)に分極軸が配向する。なお、上記分極方向は、焦電
流の方向性から判断した。一方、第2圧電体薄膜104
は、上記第1圧電体薄膜103の形成後に基板温度を5
70〜630℃に低下させて、同一装置により連続して
成膜することにより、分極軸の方向は上記第1圧電体薄
膜103とは逆の方向(図1の矢印B)となる。すなわ
ち、例えば圧電体薄膜がPbLa0.1Ti0.9253の場
合の例を図3に示すように、焦電係数は成膜時の基板温
度依存性を有しているため、上記のように分極方向が設
定される。
【0025】
【表1】
【0026】(3)図2(d)に示すように、上記
(1)と同様にして、Pt薄膜から成る上部電極105
を形成する。 (4)上部電極105をスパッタエッチングにより所定
の形状にパターニングする。エッチング条件は、真空度
が0.06Torr、Arガス流量は10sccm、1
70Wのプラズマパワー、エッチング時間は15分であ
った。 (5)下記(表2)の条件により、第1圧電体薄膜10
3および第2圧電体薄膜104をパターニングする。
【0027】
【表2】
【0028】(6)図2(e)に示すように、上記
(4)と同様にして下部電極102をパターニングす
る。
【0029】上記のように、薄膜形成された第1圧電体
薄膜103と第2圧電体薄膜104とによってバイモル
フ構造の圧電素子を構成することにより、接着工程を必
要としないので、不完全な接着状態や接着状態のバラツ
キによる感度や変位のバラツキや、機械的な損傷の発生
などを防止することができる。さらに、連続した成膜プ
ロセスによって圧電体が形成されるので、圧電体の厚さ
や大きさを大幅に低減することが容易にできる。
【0030】また、薄膜形成する際の基板温度を上記の
ように設定して分極方向を制御することにより、特に分
極処理を必要とすることがないうえ、バイモルフ構造を
容易に形成することができる。なお、圧電体薄膜の組成
は、上記(表1)に示したものに限らず、例えば、Pb
xLayTizZrwO3で表したときに、 1)0.7≦ x ≦1, x + y =1,0.925≦ z ≦
1, w =0 2) x =1, y =0,0≦ z ≦0.50, z + w =
1 3)0.75≦ x <1, x + y =1,0.3≦ z <
1, z + w =1 のいずれかの組成であれば、同様な結果が得られた。
【0031】また、成膜基板101としては、MgO単
結晶基板に限らず、例えば下記(表3)に示すものなど
を用いても、同様に(001)配向率α(%)の高い圧
電体薄膜を形成することができる。ここで、上記(00
1)配向率:αは以下の(数1)により定義されるもの
である。
【0032】
【数1】
【0033】ただし、I(nhl)は、X線回折分析による
(nhl)面のピーク強度である。
【0034】
【表3】
【0035】ここで、SUS基板や結晶化ガラス基板を
用いた場合に(001)優先配向した圧電体薄膜が得ら
れるのは、これらの基板の熱膨張係数が大きいため、圧
電体薄膜形成後の冷却過程において熱応力を緩和するた
めに上記のような結晶状態になるからであると推定でき
る。
【0036】また、下部電極102としてPtを用いた
例を示したが、これに限らず、Au、Pd、Ag等の貴
金属材料なども適用可能である。
【0037】また、上記の例では第1圧電体薄膜103
上に、直接、第2圧電体薄膜104を連続して形成した
が、第1圧電体薄膜103と第2圧電体薄膜104との
間に、電極材料であるPt、Au、Pd、Ag等の電極
膜を形成してもよい。
【0038】また、圧電体薄膜103,104の厚さは
3μmに限らないが、10μm以下であることが、適切
な膜質を得やすい点で好ましい。 (実施の形態2)実施の形態2の薄膜バイモルフ構造の
圧電素子について説明する。なお、以下の実施の形態に
おいては、他の実施の形態と同様の構成要素については
同一または対応する符号を付して詳細な説明を省略す
る。
【0039】圧電体薄膜の結晶配向は、実施の形態1の
ように(001)に限らず、(111)になるように形
成することもできる。すなわち、前記(表1)における
PZTの成膜条件に比べて、形成される圧電体薄膜のZ
r/Ti比が異なるようにターゲットの組成を選択する
点だけが異なりその他は全く同一の条件で、組成がPb
Zr0.56Ti0.443のPZT薄膜である第1圧電体薄
膜103、および第2圧電体薄膜104を形成した。こ
のようにして形成されたPZT薄膜は、菱面体結晶構造
を有し、分極軸が基板面に対して垂直方向に優先配向し
た(111)配向単結晶膜となり、実施の形態1と同様
に、分極処理や接着工程を必要とすることなく、バイモ
ルフ構造の圧電素子を形成することができる。なお、圧
電体薄膜の組成は、上記のものに限らず、例えば、Pb
xLayTizZrwO3で表したときに、 1) x =1, y =0,0.5≦ z ≦1.0, z + w
=1 2)0.9≦ x <1, x + y =1,0≦ z <0.5,
z + w =1 のいずれかの組成であれば、同様な結果が得られた。
【0040】また、成膜基板101としては、実施の形
態1のMgO単結晶基板に限らず、例えば下記(表4)
に示すものなどを用いても、同様に(111)配向率β
(%)の高い圧電体薄膜を形成することができる。ここ
で、上記(111)配向率:βは以下の(数2)により
定義されるものである。
【0041】
【数2】
【0042】ただし、I(nhl)は、X線回折分析による
(nhl)面のピーク強度である。
【0043】
【表4】
【0044】ここで、Si単結晶基板は異方性エッチン
グが可能であるため、圧電デバイスの作製に適してい
る。すなわち、例えば、KOH等のアルカリ溶液による
ケミカルエッチングを行うと、Si(100)基板では
Si(111)面が露出したテーパー形状の形成が可能
である一方、Si(110)基板では基板面に対して垂
直な溝などの加工が可能であるため、基板を所定の形状
に加工することなどが容易にできる。
【0045】また、実施の形態1で示したように、第1
圧電体薄膜103と第2圧電体薄膜104との間に、電
極材料であるPt、Au、Pd、Ag等の電極膜を形成
するなどしてもよい。 (実施の形態3)実施の形態3の薄膜バイモルフ構造の
圧電素子について説明する。
【0046】この圧電素子は、前記実施の形態1,2と
比べて、第1圧電体薄膜および第2圧電体薄膜が、それ
ぞれ3つの層から構成されている点が異なる。すなわ
ち、図4に示すように、互いに分極方向が異なる第1圧
電体薄膜203と第2圧電体薄膜204とは、それぞ
れ、第1層203a,204a、第2層203b,20
4b、および第3層203c,204cの3つの層から
構成され、これらの各層は、圧電定数が上記の順に小さ
くなるように形成されている。
【0047】上記のように構成されることにより、第1
圧電体薄膜203と第2圧電体薄膜204とのうち、一
方が伸長する場合には他方は収縮するが、隣接する第1
圧電体薄膜203の第3層203cと204の第3層2
04cとは、圧電定数が小さいために伸縮しようとする
程度が小さく、それゆえ、両者の界面における応力は小
さく抑えられる。したがって、機械的な損傷の発生など
が一層生じにくく、より高い信頼性を得ることができ
る。
【0048】上記のように圧電定数が互いに異なる各層
の圧電体は、圧電体の組成を制御することにより形成す
ることができる。すなわち、例えばチタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)の場合には、図5に示すように、組成にお
けるZr/Ti比に応じて電気機械結合定数(大きいほ
ど圧電定数も大きい)が異なる。それゆえ、Zr/Ti
比の異なるPZT薄膜を積層して形成することにより、
上記のように各層203a〜204cから成る第1圧電
体薄膜203および第2圧電体薄膜204を形成するこ
とができる。より具体的には、例えばPb、Ti、およ
びZrの金属ターゲットを備えた多元スパッタ装置を用
い、各ターゲットごとに印加するRFパワーを制御する
ことにより、下記(表5)に示すような組成で、(00
1)または(111)配向し、かつ、分極軸が基板面に
対して垂直に配向した圧電体薄膜を積層することができ
る。なお、このような多元スパッタ装置を用いる場合で
も、前記実施の形態1,2と同様に、下記(表5)に示
すように成膜温度を制御することによって、第1圧電体
薄膜203と第2圧電体薄膜204とで分極方向を異な
らせてバイモルフ構造を形成することができる。
【0049】
【表5】
【0050】なお、第1圧電体薄膜203および第2圧
電体薄膜204は、上記のように3つの層が積層された
ものに限らず、2層または、4層以上が積層されるよう
にしてもよい。さらに、上記のように段階的に圧電定数
の異なる層が積層されたものに限らず、圧電定数が、両
者の界面に向けて連続的に小さくなるようにしてもよ
い。すなわち、界面における圧電定数の差が小さくなる
ように、各圧電体薄膜203,204の厚さ方向に圧電
定数の変化(分布)を持たせるようにすればよい。
【0051】また、本実施の形態においても、前記実施
の形態1,2で示したように、第1圧電体薄膜203と
第2圧電体薄膜204との間に、電極材料であるPt、
Au、Pd、Ag等の電極膜を形成するなどしてもよ
い。 (実施の形態4)薄膜バイモルフ構造の圧電素子を加速
度や圧力などの力学量センサやアクチュエータとして用
い得るようにした例について説明する。
【0052】この圧電素子は、図6に示すように、成膜
基板101の一部を除去して空隙部101aを形成し、
第1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜104を片
持ち梁構造にしたものである。このような構造は例えば
次のようにして形成することができる。 (1)図7(a)に示すように、実施の形態1等と同様
にして、例えばPZT(PbZr0.50Ti0.503)か
ら成り、(001)配向で互いに分極方向が反転した第
1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜104等を形
成する。 (2)図7(b)に示すように、実施の形態1等と同様
にして、第1圧電体薄膜103等をパターニングする。
ここで、下部電極102をパターニングする際には、下
部電極102における第1圧電体薄膜103の1端側を
除く周囲の部分に、スリット状のエッチングホール10
2aを形成する。 (3)図7(c)に示すように、上記エッチングホール
102aを介して、成膜基板101における第1圧電体
薄膜103の下方部分をケミカルエッチングにより除去
し、空隙部101aを形成する。上記のようなケミカル
エッチングは、例えば、MgO単結晶基板を用いる場合
には、80℃に加熱したリン酸水溶液で行うことができ
る。
【0053】上記のようにして片持ち梁構造を形成する
ことにより、微小なセンサやアクチュエータを容易に作
製することができ、しかも、前記実施の形態で説明した
ように検出感度のバラツキや機械的な損傷の発生などを
防止することができる。また、同一の成膜基板101上
に複数の片持ち梁構造を直線状や2次元状に配置するな
どして形成することも容易にできるので、例えば長さが
互いに異なる複数の片持ち梁構造を形成して共振周波数
を広帯域化し、広い周波数範囲の加速度を検出し得るよ
うにすることなどが容易にできる。
【0054】なお、上記第1圧電体薄膜103および第
2圧電体薄膜104に代えて、実施の形態3で示したよ
うに厚さ方向で圧電定数(組成)が異なる第1圧電体薄
膜203および第2圧電体薄膜204を形成したり、各
実施の形態で示した変形例を適用するなどしてもよい。 (実施の形態5)薄膜バイモルフ構造の圧電素子を加速
度や圧力などの力学量センサやアクチュエータとして用
い得るようにした他の例について説明する。
【0055】この圧電素子は、図8に示すように、成膜
基板101の一部を除去して溝部101bを形成し、第
1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜104を両端
固定梁構造にしたものである。このような構造は例えば
次のようにして形成することができる。 (1)図9(a)に示すように、実施の形態1等と同様
にして、例えば表面を熱酸化処理した(110)Si単
結晶から成る成膜基板101上に密着層であるTi薄膜
106を形成し、その上に、PZT(PbZr0.56Ti
0.443)から成り、(111)配向で互いに分極方向
が反転した第1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜
104等を形成する。 (2)図9(b)に示すように、実施の形態1等と同様
にして、第1圧電体薄膜103等をパターニングする。 (3)図9(c)に示すように、成膜基板101の裏面
側に、Cr薄膜から成り、所定の形状にパターニングさ
れたエッチングホール107aを有するマスク層107
を形成する。 (4)図9(d)に示すように、例えば80℃に加熱し
たKOH水溶液を用いたケミカルエッチングにより、成
膜基板101における第1圧電体薄膜103の下方部分
を除去し、(110)面に垂直な壁面を有する溝部10
1bを形成する。
【0056】上記のように構成された圧電素子は、実施
の形態4,5で示したのと同様にセンサ等の小型化やバ
ラツキの低減などの効果を有するとともに小型化を図る
ことなどが容易な両端固定梁構造の圧電素子を得ること
ができる。
【0057】なお、本実施の形態においても、前記実施
の形態4等で示した変形例を適用することができる。 (実施の形態6)薄膜バイモルフ構造の圧電素子を加速
度や圧力などの力学量センサやアクチュエータとして用
い得るようにした、さらに他の例について説明する。
【0058】この圧電素子は、図10に示すように、成
膜基板101の一部を除去してテーパー孔101cを形
成し、第1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜10
4をダイアフラム構造にしたものである。このような構
造は例えば次のようにして形成することができる。 (1)図11(a)に示すように、実施の形態5と同様
にして、例えば表面を熱酸化処理した(100)Si単
結晶から成る成膜基板101上に密着層であるTi薄膜
106を形成し、その上に、PZT(PbZr0.56Ti
0.443)から成り、(111)配向で互いに分極方向
が反転した第1圧電体薄膜103および第2圧電体薄膜
104等を形成する。 (2)図11(b)に示すように、実施の形態1等と同
様にして、第1圧電体薄膜103等をパターニングす
る。 (3)図11(c)に示すように、成膜基板101の裏
面側に、Cr薄膜から成り、円形のエッチングホール1
07bを有するマスク層107を形成する。 (4)図11(d)に示すように、例えば80℃に加熱
したKOH水溶液を用いたケミカルエッチングにより、
成膜基板101((110)Si単結晶基板)における
第1圧電体薄膜103の下方部分を除去する。ここで、
例えば成膜基板101として上記のように(100)S
i単結晶から成るものを用いる場合には、上記エッチン
グによって、壁面が(100)面に対して54.73度
の傾きをもつテーパー孔101cが形成される。
【0059】上記のように構成された圧電素子は、前記
実施の形態4,5で示したのと同様にセンサ等の小型化
やバラツキの低減などの効果を有するとともに小型化を
図ることなどが容易なダイアフラム構造の圧電素子を得
ることができる。
【0060】なお、本実施の形態においても、前記実施
の形態4等で示した変形例を適用することができる。 (実施の形態7)薄膜バイモルフ構造の圧電素子を用い
たインクジェット式記録ヘッドについて説明する。
【0061】この記録ヘッドは、図12に示すように、
インク流路となる溝307aが形成されたインク流路構
造体307と、上記溝307aを覆って圧力室309を
形成する圧電体保持膜306と、圧電体保持膜306上
に設けられた圧電素子300とを備えて構成されてい
る。上記圧力室309は、同図における紙面に垂直な方
向に位置する吐出口に連通し、圧電素子300の撓みに
応じて、収容されているインクを吐出させるようになっ
ている。
【0062】上記圧電素子300は、前記実施の形態1
〜3で説明したように、下部電極302、第1圧電体薄
膜303、第2圧電体薄膜304、および上部電極30
5が積層されて構成された薄膜バイモルフ構造を有して
いる。また、圧電素子300を保持する圧電体保持膜3
06は、接着剤308によってインク流路構造体307
に固定されている。
【0063】次に、上記のような記録ヘッドの製造方法
を説明する。ここで、図13においては、便宜上、図1
2に示した線分AA’−BB’に挟まれた部分だけを描
いている。 (1)図13(a)に示すように、実施の形態1の
(1)〜(6)等と同様にして、例えば(100)Mg
O単結晶基板から成る成膜基板301上に、Pt、A
u、Pd、またはAg等から成る下部電極302、膜厚
がそれぞれ1.5μmで、(001)または(111)
面配向で互いに分極方向が反転した例えばPZTから成
る第1圧電体薄膜303と第2圧電体薄膜304と、お
よび上部電極305を形成し、所定の形状にパターニン
グして圧電素子300を形成する。 (2)図13(b)に示すように、スパッタ法により、
成膜基板301および圧電素子300等の上方をNiC
r薄膜で覆って圧電体保持膜306を形成する。 (3)図13(c)に示すように、インク流路構造体3
07と圧電体保持膜306とを接着剤308により接着
する。 (4)成膜基板301を60〜80℃に加熱したリン酸
溶液に0.5〜2時間浸漬して成膜基板301をエッチ
ング除去することにより、図13(d)および前記図1
2に示すようなインクジェット式記録ヘッドが得られ
る。ここで、成膜基板301を除去した後に圧電素子3
00が圧力室309の外方に盛り上がるのは、圧電体保
持膜306の内部応力が成膜基板301の除去によって
開放されるためであると考えられるが、これは記録ヘッ
ドの作製について本質的な事柄ではない。
【0064】上記のように構成された記録ヘッドは、圧
電体が薄膜技術によって形成されるため、多数の圧電素
子を容易に集積することができる。しかも、パターニン
グによって圧電素子の形状や大きさを設定することがで
きるので、記録ヘッドの設計上の自由度が大きくなり、
高画素密度化を図ることなどが容易にできる。さらに、
薄膜形成によってバイモルフ構造の圧電素子が形成さ
れ、接着工程を必要としないので、変位のバラツキ、す
なわちインクの吐出量のバラツキを低減したり長寿命化
を図ったりすることが容易にできる。また、バイモルフ
構造であるために、振動板を必要とすることなく大きな
変位特性を得ることができるのでインクの吐出量を容易
に増大させることができ、一層、小型化を図り得るとと
もに、消費電力を低減することもできる。なお、上記第
1圧電体薄膜303および第2圧電体薄膜304に代え
て、実施の形態3で示したように厚さ方向で圧電定数
(組成)が異なる圧電体薄膜を形成したり、各実施の形
態で示した構成や変形例を適用するなどしてもよい。
【0065】また、成膜基板301としては、MgO単
結晶基板に限らず、Si単結晶基板など、エッチング等
により除去可能な基板材料であれば用いることができ
る。
【0066】また、圧電体保持膜306の材料として
は、金属材料に限らず、SiO2のような無機材料や、
樹脂膜等を用いることもできる。ここで、金属材料を用
いる場合にはその圧電体保持膜306を共通電極などと
兼ねるようにして、上部電極305を省くことも可能で
ある。さらに、圧電素子300をインク流路構造体30
7の溝307aの幅よりも大きく形成する場合には、必
ずしも圧電体保持膜306を設けなくてもよい。
【0067】またインク流路構造体307は一体的に形
成されたものに限らず、例えば複数の材料の接合によっ
て同様の形状を有するように形成されたものなどでもよ
い。 (実施の形態8)薄膜バイモルフ構造の圧電素子を用い
た他のインクジェット式記録ヘッドについて説明する。
【0068】この記録ヘッドは、図14に示すように、
実施の形態7の記録ヘッドと比べて、成膜基板301の
一部が除去せずに残されて、圧力室309の側壁311
を構成している点が異なり、また、成膜基板301、第
1圧電体薄膜303、第2圧電体薄膜304、および圧
電体保持膜306の材料が異なっている。すなわち、成
膜基板301としては、(110)Si単結晶基板が用
いられ、(111)面配向で互いに分極方向が反転した
例えばPZTから成る第1圧電体薄膜303と第2圧電
体薄膜304とが形成されている。また、圧電体保持膜
306は、ポリイミド樹脂膜によって形成されている。
【0069】次に、上記のような記録ヘッドの製造方法
を説明する。ここで、図15においては、便宜上、図1
4に示した線分AA’−BB’に挟まれた部分だけを描
いている。 (1)図15(a)に示すように、前記実施の形態7の
(1)と同様にして、例えば(110)Si単結晶基板
から成る成膜基板301上に、Pt、Au、Pd、また
はAg等から成る下部電極302、膜厚がそれぞれ1.
5μmで、(111)面配向で互いに分極方向が反転し
た例えばPZTから成る第1圧電体薄膜303と第2圧
電体薄膜304と、および上部電極305を形成し、所
定の形状にパターニングして圧電素子300を形成す
る。 (2)図15(b)に示すように、成膜基板301およ
び圧電素子300等の上方をポリイミド樹脂膜で覆って
圧電体保持膜306を形成する。また、成膜基板301
の裏面に、スパッタ法によってCr薄膜を形成し、所定
の形状にパターニングしてマスク層312を形成する。 (3)図15(c)に示すように、成膜基板301にお
ける圧電素子300の下方部分(マスク層312によっ
て覆われていない部分)をKOH溶液を用いたエッチン
グにより除去して、基板面に対して垂直な側壁311を
形成する。 (4)図15(d)に示すように、側壁311(マスク
層312)とインク流路構造体307とを接着剤308
によって接着することにより、前記図14に示すような
インクジェット式記録ヘッドが得られる。
【0070】上記のように構成された記録ヘッドは、前
記実施の形態7の記録ヘッドと同様に、集積化や高画素
密度化を容易に図られるなどの効果を有するとともに、
成膜基板301から形成された側壁311が構造体とし
て用いられるために、第1圧電体薄膜303等の支持精
度のバラツキが小さく、それゆえ、出力の均一性をより
一層向上させることができる。なお、成膜基板301と
しては、(110)Si単結晶基板に限らず、(10
0)Si単結晶基板など、エッチング等により除去可能
な基板材料であれば用いることができる。
【0071】また、圧電体保持膜306の材料として
は、ポリイミド樹脂膜に限らず、実施の形態7に示した
ような金属材料や無機材料等を用いてもよい。
【0072】また、実施の形態7で示した種々の変形例
を適用したりしてもよい。
【0073】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0074】すなわち、分極方向が互いに反転した圧電
体薄膜が連続して形成されることにより、圧電体の接着
工程を必要としないので、感度や変位のバラツキを小さ
く抑えることができる。
【0075】また、薄膜形成によって圧電体を形成する
ことにより、圧電体の微細加工が可能であり、微小かつ
多様な形状の圧電素子を容易に形成できるとともに、圧
電素子全体の小型化や集積化なども可能になる。
【0076】さらに、圧電定数を圧電体の厚さ方向で異
ならせることにより、分極方向が互いに反転した圧電体
薄膜の界面での応力を小さく抑えることができるので、
機械的な損傷の発生などを生じにくくして、高い信頼性
を得ることができるという効果を奏する。
【0077】また、そのような圧電素子を用いてインク
ジェット式記録ヘッドを構成することにより、インクの
吐出量のバラツキを小さく抑え、小型化も容易に図るこ
とができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の圧電素子の構成を示す断面図で
ある。
【図2】実施の形態1の圧電素子の製造工程を示す説明
図である。
【図3】成膜時の基板温度と焦電係数との関係を示すグ
ラフである。
【図4】実施の形態3の圧電素子の構成を示す断面図で
ある。
【図5】圧電体の組成と電気機械結合定数との関係を示
すグラフである。
【図6】実施の形態4の圧電素子の構成を示す断面図お
よび平面図である。
【図7】実施の形態4の圧電素子の製造工程を示す説明
図である。
【図8】実施の形態5の圧電素子の構成を示す断面図お
よび平面図である。
【図9】実施の形態5の圧電素子の製造工程を示す説明
図である。
【図10】実施の形態6の圧電素子の構成を示す断面図
および平面図である。
【図11】実施の形態6の圧電素子の製造工程を示す説
明図である。
【図12】実施の形態7のインクジェット式記録ヘッド
の構成を示す断面図である。
【図13】実施の形態7のインクジェット式記録ヘッド
の製造工程を示す説明図である。
【図14】実施の形態8のインクジェット式記録ヘッド
の構成を示す断面図である。
【図15】実施の形態8のインクジェット式記録ヘッド
の製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
101 成膜基板 101a 空隙部 101b 溝部 101c テーパー孔 102 下部電極 102a エッチングホール 103 第1圧電体薄膜 104 第2圧電体薄膜 105 上部電極 106 Ti薄膜 107 マスク層 107a エッチングホール 107b エッチングホール 203 第1圧電体薄膜 203a 第1層 203b 第2層 203c 第3層 204 第2圧電体薄膜 204a 第1層 204b 第2層 204c 第3層 300 圧電素子 301 成膜基板 302 下部電極 303 第1圧電体薄膜 304 第2圧電体薄膜 305 上部電極 306 圧電体保持膜 307 インク流路構造体 307a 溝 308 接着剤 309 圧力室 311 側壁 312 マスク層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鎌田 健 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2C057 AF24 AF34 AF65 AF93 AG12 AG44 AG49 AP02 AP15 AP34 AP52 AP75 AQ02 BA03 BA14

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1対の電極と、 上記1対の電極間に設けられた圧電体部とを有し、 上記圧電体部が、それぞれ薄膜形成され、分極方向が互
    いに反転した第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とが
    積層されて構成されていることを特徴とする圧電素子。
  2. 【請求項2】請求項1の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とは、互いに
    異なる温度で薄膜形成されることにより、分極方向が互
    いに反転していることを特徴とする圧電素子。
  3. 【請求項3】請求項1の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくと
    も何れか一方が、厚さ方向で異なる圧電定数を有し、他
    方に向けて圧電定数が小さくなるように構成されている
    ことを特徴とする圧電素子。
  4. 【請求項4】請求項3の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくと
    も何れか一方が、厚さ方向で異なる組成を有しているこ
    とを特徴とする圧電素子。
  5. 【請求項5】請求項3の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくと
    も何れか一方が、厚さ方向で連続的に異なる圧電定数を
    有していることを特徴とする圧電素子。
  6. 【請求項6】請求項3の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくと
    も何れか一方が、互いに圧電定数の異なる複数の圧電体
    薄膜が積層されて形成されていることを特徴とする圧電
    素子。
  7. 【請求項7】請求項1の圧電素子であって、 上記第1の圧電体薄膜および第2の圧電体薄膜は、それ
    ぞれ厚さが10μm以下であることを特徴とする圧電素
    子。
  8. 【請求項8】圧力室内のインクを加圧して吐出させるイ
    ンクジェット式記録ヘッドにおいて、 上記圧力室の壁面の少なくとも一部が、請求項1ないし
    請求項3の何れかの圧電素子によって構成されているこ
    とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
  9. 【請求項9】請求項8のインクジェット式記録ヘッドで
    あって、 上記圧電素子が、圧電体保持膜を介して、上記圧力室に
    設けられていることを特徴とするインクジェット式記録
    ヘッド。
  10. 【請求項10】請求項8のインクジェット式記録ヘッド
    であって、 上記圧電素子が、成膜基板上に形成されたものであり、
    上記圧力室の壁面の少なくとも一部が、上記圧電素子
    と、上記成膜基板における上記圧電素子が形成された部
    分が除去されて残った部分とによって構成されているこ
    とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
  11. 【請求項11】成膜基板上に第1の電極を形成する工程
    と、 上記第1の電極上に、それぞれ、薄膜形成により、分極
    方向が互いに反転した第1の圧電体薄膜と第2の圧電体
    薄膜とを積層して、圧電体部を形成する工程と、 上記圧電体部上に第2の電極を形成する工程とを有する
    ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
  12. 【請求項12】請求項11の圧電素子の製造方法であっ
    て、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とを、互いに
    異なる温度で薄膜形成することにより、分極方向が互い
    に反転した上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜と
    を積層することを特徴とする圧電素子の製造方法。
  13. 【請求項13】請求項11の圧電素子の製造方法であっ
    て、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜との少なくと
    も何れか一方を、組成を変化させながら形成することに
    より、少なくともいずれか一方の上記圧電体薄膜が、厚
    さ方向で異なる圧電定数を有し、他方の上記圧電体薄膜
    に向けて圧電定数が小さくなるように形成することを特
    徴とする圧電素子の製造方法。
  14. 【請求項14】成膜基板上に、第1の電極と、それぞ
    れ、薄膜形成により、分極方向が互いに反転した第1の
    圧電体薄膜および第2の圧電体薄膜が積層された圧電体
    部と、第2の電極とを形成して、圧電素子を形成する工
    程と、 上記圧電素子を壁面として、インクを加圧する圧力室を
    形成する工程と、 上記成膜基板を除去する工程とを有することを特徴とす
    るインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
  15. 【請求項15】成膜基板上に、第1の電極と、それぞ
    れ、薄膜形成により、分極方向が互いに反転した第1の
    圧電体薄膜および第2の圧電体薄膜が積層された圧電体
    部と、第2の電極とを形成して、圧電素子を形成する工
    程と、 上記成膜基板における上記圧電素子が形成された部分を
    除去し、他の部分を残す工程と、 上記残った成膜基板の部分、および上記圧電素子を壁面
    として、インクを加圧する圧力室を形成する工程とを有
    することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製
    造方法。
  16. 【請求項16】請求項14または請求項15のインクジ
    ェット式記録ヘッドの製造方法であって、 上記第1の圧電体薄膜と第2の圧電体薄膜とを、互いに
    異なる温度で薄膜形成することにより、分極方向が互い
    に反転した上記第1の圧電体薄膜および第2の圧電体薄
    膜を積層することを特徴とするインクジェット式記録ヘ
    ッドの製造方法。
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