JP2007036141A - Piezoelectric element, piezoelectric actuator, ink jet recording head and ink jet printer - Google Patents

Piezoelectric element, piezoelectric actuator, ink jet recording head and ink jet printer Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element employing a piezoelectric film having proper piezoelectric characteristics, and to provide a piezoelectric actuator, an ink jet recording head and an ink jet printer. <P>SOLUTION: This piezoelectric element includes a piezoelectric film made of a perovskite oxide. In the perovskite oxide, where ions preferentially positioned in an A site, are referred to as "A-site" ions and ions positioned in a B site are referred to as "B-site" ions, the A-site ions are mutually substituted by the B-site ions. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターに関する。   The present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric actuator, an ink jet recording head, and an ink jet printer.

高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、PZT(Pb(Zr,Ti)O)に代表される圧電体膜を用いた圧電素子が用いられている(たとえば、特許文献1)。
特開2001−223404号公報
Inkjet printers are known as printers that enable high image quality and high-speed printing. The ink jet printer includes an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes, and performs printing by ejecting ink droplets from the nozzle while scanning the head. As a head actuator in such an ink jet recording head for an ink jet printer, a piezoelectric element using a piezoelectric film represented by PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has been conventionally used (for example, Patent Document 1).
JP 2001-223404 A

本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電体膜を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電体膜を用いた圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric film having good piezoelectric characteristics. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric element, a piezoelectric actuator, an ink jet recording head, and an ink jet printer using the piezoelectric film.

本発明にかかる圧電素子は、
ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を含み、
前記ペロブスカイト型酸化物において、Aサイトに優先的に位置するイオンをAサイトイオンとし、Bサイトに優先的に位置するイオンをBサイトイオンとした場合に、前記Aサイトイオンは、前記Bサイトイオンと相互置換されている。
The piezoelectric element according to the present invention is
Including a piezoelectric film made of a perovskite oxide,
In the perovskite oxide, when an ion preferentially located at the A site is an A site ion and an ion preferentially located at the B site is a B site ion, the A site ion is the B site ion. Are mutually replaced.

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記Aサイトイオンの価数は、前記Bサイトイオンの価数と等しいことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The valence of the A site ion may be equal to the valence of the B site ion.

本発明にかかる圧電素子おいて、
AサイトイオンとBサイトイオンのイオン半径比は2〜2.5であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The ionic radius ratio of A site ions and B site ions can be 2 to 2.5.

本発明にかかる圧電素子おいて、
Aサイトイオンは鉛イオン(Pb2+)であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The A site ion can be a lead ion (Pb 2+ ).

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記ペロブスカイト型酸化物は、Pb(Mg,Nb)O−xPbTiOであることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The perovskite oxide may be Pb (Mg, Nb) O 3 —xPbTiO 3 .

本発明にかかる圧電素子おいて、
前記Aサイトイオンは、鉛イオン(Pb2+)であり、
前記Bサイトイオンは、マグネシウムイオン(Mg2+)であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The A site ion is a lead ion (Pb 2+ ),
The B site ion may be a magnesium ion (Mg 2+ ).

本発明にかかる圧電アクチュエーターは、上述した圧電素子を有することができる。   The piezoelectric actuator according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述した圧電素子を有することができる。   The ink jet recording head according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明にかかるインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドを有することができる。   The ink jet printer according to the present invention can have the ink jet recording head described above.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.圧電体膜の構造
本実施の形態にかかる圧電体膜は、ペロブスカイト型酸化物からなる。ペロブスカイト型とは、図1(a)、図1(b)に示すような結晶構造を有するもので、図1(a)、図1(b)においてAで示す位置をAサイト、Bに示す位置をBサイト、Oで示す位置をOサイトという。本実施の形態では、Aサイトに優先的に位置するイオンをAサイトイオンといい、Bサイトに優先的に位置するイオンをBサイトイオンという。たとえばPb(Mg,Nb)O−xPbTiO(以下、PMN−PTとする。)において、AサイトイオンはPb2+であり、BサイトイオンはMg2+およびNb5+である。なお、OサイトにはO2−が位置している。圧電体膜を構成するペロブスカイト型酸化物には、単純ペロブスカイト型酸化物、複合ペロブスカイト型酸化物が含まれる。また、圧電体膜はリラクサー材料からなることもできる。
1. Structure of Piezoelectric Film The piezoelectric film according to the present embodiment is made of a perovskite oxide. The perovskite type has a crystal structure as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), and the position indicated by A in FIGS. 1 (a) and 1 (b) is shown at A site and B. The position is called B site, and the position indicated by O is called O site. In the present embodiment, ions preferentially located at the A site are referred to as A site ions, and ions preferentially located at the B site are referred to as B site ions. For example, in Pb (Mg, Nb) O 3 −xPbTiO 3 (hereinafter referred to as PMN-PT), the A site ion is Pb 2+ and the B site ion is Mg 2+ and Nb 5+ . Note that O 2− is located at the O site. The perovskite oxide that constitutes the piezoelectric film includes a simple perovskite oxide and a composite perovskite oxide. The piezoelectric film can be made of a relaxor material.

本実施の形態にかかる圧電体膜において、AサイトイオンとBサイトイオンは相互置換されている。たとえば圧電体膜としてPMN−PTを用いた場合、Bサイトイオンの組成をモルフォトロピック相境界(以下、MPBとする。)になるよう(x≒0.35)に調整したとき、結晶系は正方晶または菱面体晶であるが、Pb2+とMg2+とを相互置換すると、結晶系はより対称性の低い単斜晶または斜方晶になる。 In the piezoelectric film according to the present embodiment, A site ions and B site ions are mutually substituted. For example, when PMN-PT is used as the piezoelectric film, the crystal system is square when the B-site ion composition is adjusted to a morphotropic phase boundary (hereinafter referred to as MPB) (x≈0.35). Although it is a crystal or rhombohedral crystal, when Pb 2+ and Mg 2+ are mutually substituted, the crystal system becomes monoclinic or orthorhombic with less symmetry.

このようにAサイトイオンとBサイトイオンとを相互置換させることによって、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を低下させることができ、分極反転をしやすくすることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性を向上させることができる。   Thus, by mutual substitution of the A site ion and the B site ion, the crystal symmetry of the perovskite oxide can be lowered, and the polarization inversion can be facilitated. Thereby, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film can be improved.

また相互置換させるBサイトイオンの価数は、Aサイトイオンの価数と等しいことが好ましい。たとえば圧電体膜としてPMN−PTを用いた場合、相互置換させるためのBサイトイオンとしては、Nb5+よりMg2+が好ましい。 Moreover, it is preferable that the valence of the B site ion to be mutually substituted is equal to the valence of the A site ion. For example, when PMN-PT is used as the piezoelectric film, Mg 2+ is preferable to Nb 5+ as the B site ion for mutual substitution.

また相互置換させるAサイトイオンとBサイトイオンのイオン半径比は、2.0〜2.5であることが好ましい。具体的にAサイトイオンのイオン半径がBサイトイオンのイオン半径の2.0〜2.5倍である場合について説明する。たとえば圧電体膜がPZT(Pb(Zr,Ti)O)やPMN−PTのように、AサイトイオンがPb2+である結晶からなる場合、Pb2+(12配位)のイオン半径(シャノンのイオン半径)は、1.49Åであるため、相互置換されるBサイトイオンのイオン半径は、0.60〜0.75Åであることができる。よって、Pb2+は、Mg2+(6配位)(イオン半径0.72Å)、Zn2+(イオン半径0.745Å)、Nb2+(イオン半径0.71Å)、Co2+(イオン半径0.65Å)、Cr2+(イオン半径0.73Å)、Mn2+(イオン半径0.67Å)、Fe2+(イオン半径0.61Å)、Cu2+(イオン半径0.73Å)等と相互置換されることができる。 Moreover, it is preferable that the ionic radius ratio of the A site ion and B site ion to be mutually substituted is 2.0 to 2.5. Specifically, the case where the ionic radius of the A site ion is 2.0 to 2.5 times the ionic radius of the B site ion will be described. For example, when the piezoelectric film is made of a crystal in which the A site ion is Pb 2+ , such as PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) or PMN-PT, the ionic radius of Pb 2+ (12 coordination) (Shannon's) Since the ion radius) is 1.49 Å, the ionic radius of the mutually substituted B site ions can be 0.60 to 0.75 Å. Therefore, Pb 2+ is, Mg 2+ (6 coordination) (ionic radius 0.72 Å), Zn 2+ (ionic radius 0.745Å), Nb 2+ (ionic radius 0.71 Å), Co 2+ (ionic radius 0.65A) , Cr 2+ (ion radius 0.73Å), Mn 2+ (ion radius 0.67Å), Fe 2+ (ion radius 0.61Å), Cu 2+ (ion radius 0.73Å), and the like.

これにより、結晶構造を大きく変化させ、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を顕著に低下させることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性をより向上させることができる。   As a result, the crystal structure can be greatly changed, and the crystal symmetry of the perovskite oxide can be significantly reduced. Thereby, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film can be further improved.

なお、AサイトイオンとBサイトイオンの相互置換は、結晶全体の2at%以上であることができる。これにより、ペロブスカイト型酸化物の結晶対称性を顕著に低下させることができる。これにより、圧電体膜の圧電特性をより向上させることができる。   Note that the mutual substitution between the A site ion and the B site ion can be 2 at% or more of the entire crystal. As a result, the crystal symmetry of the perovskite oxide can be significantly reduced. Thereby, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film can be further improved.

また、圧電体膜は、たとえば10nm以上の層状のマルチドメイン構造およびモザイク構造を有する。マルチドメイン構造とは、配向の異なるドメインが混在している単結晶をいう。ここで配向は、a軸、b軸、およびc軸のすべてが異なっていてもよいし、いずれか1つまたは2つの軸が異なっていてもよい。これにより、圧電体膜の応力を緩和でき、クラック耐性を向上させることができる。モザイク構造とは、互いに隣接するドメインがわずかに異なる配向(1度以下)を有することをいう。圧電体膜がモザイク構造を有することにより、圧電体膜の応力を緩和でき、クラック耐性を向上させることができる。   The piezoelectric film has a layered multi-domain structure and a mosaic structure of, for example, 10 nm or more. A multi-domain structure refers to a single crystal in which domains having different orientations are mixed. Here, the orientation may be different for all of the a-axis, b-axis, and c-axis, or any one or two axes may be different. Thereby, the stress of a piezoelectric film can be relieved and crack resistance can be improved. A mosaic structure means that domains adjacent to each other have slightly different orientations (1 degree or less). When the piezoelectric film has a mosaic structure, the stress of the piezoelectric film can be relaxed and the crack resistance can be improved.

2.実験例
2.1.試料の作製
Bridgman法により(001)配向のPMN−xPT(x=32、37at%)単結晶を作製した。評価用電極としてAgを形成し、1kV/mmの電界で分極処理を施した。
2. Experimental Example 2.1. Sample preparation
A (001) -oriented PMN-xPT (x = 32, 37 at%) single crystal was produced by the Bridgman method. Ag was formed as an evaluation electrode and subjected to polarization treatment with an electric field of 1 kV / mm.

Bridgman法は、単結晶原料を封入したるつぼを徐々に降下させながら結晶成長させ、ヒータ終端部に生じる温度勾配を利用して単核化させる方法である。PtるつぼにPMN−PT原料のPbO、MgO、Nb、TiO(各純度99.99%以上)粉末を各条件の比率で充填し、るつぼを炉内に設置して1380℃以上で溶解する。約10時間保持した後、0.1〜1mm/hの速度で降下させ(001)配向のPMN−xPT単結晶を得た。 The Bridgman method is a method of growing a crystal while gradually lowering a crucible enclosing a single crystal raw material, and mononucleating using a temperature gradient generated at a heater end portion. Pt crucible was filled with PbO, MgO, Nb 2 O 5 , TiO 2 (each purity 99.99% or more) powder of PMN-PT at a ratio of each condition, and the crucible was placed in the furnace at 1380 ° C. or higher. Dissolve. After holding for about 10 hours, it was lowered at a speed of 0.1 to 1 mm / h to obtain a (001) -oriented PMN-xPT single crystal.

x=32at%の単結晶をPMN−32PTとし、x=37at%の単結晶をPMN−37PTとする。   A single crystal with x = 32 at% is designated as PMN-32PT, and a single crystal with x = 37 at% is designated as PMN-37PT.

2.2.評価方法および評価結果
得られた試料について、以下の評価を行った。
2.2. Evaluation Method and Evaluation Results The following evaluations were performed on the obtained samples.

2.2.1.定量分析
PMN−32PTおよびPMN−37PTの単結晶を用いて、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)、および誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES)により定量分析を行った。ICP−AESの前処理として、試料を硝酸、弗化水素酸および過塩素酸で加水分解し、希硝酸および希弗化水素酸で加温溶解してろ別した。ろ液は希硝酸で定容とした。不溶解分は硝酸および硫酸で加熱分解し、希硝酸および希弗化水素酸で加温溶解して定容とした。定量分析の結果を用いてPMN−32PTおよびPMN−37PTの化学式を決定した。
2.2.1. Quantitative analysis Quantitative analysis was performed with an electron probe microanalyzer (EPMA) and an inductively coupled plasma emission analyzer (ICP-AES) using PMN-32PT and PMN-37PT single crystals. As a pretreatment for ICP-AES, a sample was hydrolyzed with nitric acid, hydrofluoric acid and perchloric acid, heated and dissolved with dilute nitric acid and dilute hydrofluoric acid, and filtered. The filtrate was made up to volume with dilute nitric acid. The insoluble matter was decomposed by heating with nitric acid and sulfuric acid, and heated and dissolved with dilute nitric acid and dilute hydrofluoric acid to obtain a constant volume. The chemical formulas of PMN-32PT and PMN-37PT were determined using the results of quantitative analysis.

PMN−32PTのBサイトを基準とした化学式は、
(1−0.32)〔Pb0.99(Mg0.33Nb0.67)O3.16〕−0.32Pb0.99TiO3.16
であった。
The chemical formula based on the B site of PMN-32PT is
(1-0.32) [Pb 0.99 (Mg 0.33 Nb 0.67 ) O 3.16 ] -0.32 Pb 0.99 TiO 3.16
Met.

PMN−37PTの化学式は、
(1−0.37)〔Pb1.00(Mg0.33Nb0.67)O3.02〕−0.37Pb1.00TiO3.02
であった。
The chemical formula of PMN-37PT is
(1-0.37) [Pb 1.00 (Mg 0.33 Nb 0.67) O 3.02 ] -0.37Pb 1.00 TiO 3.02
Met.

2.2.2.角度分解電子チャンネリングX線分光法(ALCHEMI−HARECXS)
角度分解電子チャンネリングX線分光法とは、試料に電子線を複数の入射方向から照射し、試料から発生した特性X線を利用して結晶構造を解析する手法である。この測定手法では、電子線を試料に照射して試料内で強い回折が生じると、入射した電子は試料内部で透過波や回折波の間で散乱を繰り返し、結晶の特定の部位に振幅極大をもつ幾つかのブロッホ波成分に分岐する。それぞれのブロッホ波成分の励起振幅は電子線の入射方位に依存しており、あるブロッホ波成分が強く励起されると、入射電子は結晶の特定の部位に集中してすすむチャンネリングをおこし、そこに存在する元素からの特性X線シグナルが強められる。この測定によって、特定の結晶サイトに位置する元素の種類とその量に関する情報を得ることができる。
2.2.2. Angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy (ALCHEMI-HARECXS)
Angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy is a technique in which a sample is irradiated with an electron beam from a plurality of incident directions and a crystal structure is analyzed using characteristic X-rays generated from the sample. In this measurement method, when a sample is irradiated with an electron beam and strong diffraction occurs in the sample, the incident electrons repeatedly scatter between transmitted waves and diffracted waves inside the sample, and the amplitude maximum is applied to a specific part of the crystal. Branches into several Bloch wave components. The excitation amplitude of each Bloch wave component depends on the incident direction of the electron beam. When a certain Bloch wave component is excited strongly, the incident electrons cause channeling that concentrates on a specific part of the crystal. The characteristic X-ray signal from the elements present in is enhanced. By this measurement, information on the types and amounts of elements located at specific crystal sites can be obtained.

角度分解電子チャンネリングX線分光法により、PMN−32PTを解析した。実験は、111および130系統反射列について行った。   PMN-32PT was analyzed by angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy. The experiment was performed on 111 and 130 system reflection rows.

111系統反射列は、A−OサイトとBサイトを、130系統反射列はA−BサイトとOサイトを分離観測可能な面である。   The 111 system reflection column is a surface on which the A-O site and the B site can be separated, and the 130 system reflection column is a surface on which the A-B site and the O site can be separately observed.

111系統では−3gから2gブラック条件まで、130系統では−2gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、図2(a)および図3(a)に示すプロファイルを得た。   In the 111 system, the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when continuously inclined from −3 g to 2 g black condition, and in the 130 system from −2 g to 2 g black condition was continuously observed, and FIG. ) And the profile shown in FIG.

図2(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図2(b)は、111系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルの理論値を示す。   FIG. 2 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111-line reflection train. FIG. 2B shows the theoretical value of the ALCHEMI-HARECXS profile of the 111 system reflection train.

実験では、試料作製方位である[110]から[112]晶帯軸になるように試料を傾斜し、そこから[−110]方位に試料を傾斜させ、g=111系統反射列のみを励起させた。そして、−3gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、内殻電子励起を考慮した動力学的回折理論を基に、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+、O2ーがそれぞれA、B、B、B、Oサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚150nm)を仮定したHARECXS理論プロファイルを図2(b)に示す。HARECXS理論プロファイルは、規格化した各サイトの原子1個あたりのX線発生断面積(発生確率)を示している。また、計算を単純化させるため、結晶構造は立法晶(格子定数4.018Å)とした。 In the experiment, the sample is tilted so as to be the [112] zone axis from [110], which is the sample preparation direction, and the sample is tilted to the [−110] direction therefrom, and only the g = 111 system reflection row is excited. It was. And the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when making it incline continuously from -3g to 2g black conditions was observed continuously, and the profile was obtained. For comparison, Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ , and O 2− occupy A, B, B, B, and O sites, respectively, based on the dynamic diffraction theory considering inner-shell electron excitation. FIG. 2 (b) shows a HARECXS theoretical profile assuming an ideal ion arrangement (no spontaneous displacement, no defect, sample thickness 150 nm). The HARECXS theoretical profile indicates the X-ray generation cross section (probability of generation) per atom of each normalized site. In order to simplify the calculation, the crystal structure is a cubic crystal (lattice constant: 4.018Å).

図2(a)において、回折条件に依存して特性X線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−1<k/g111<1の範囲では、Pb2+とO2ーからのシグナルが強く、逆にNb5+とTi4+のシグナルは弱められ、高次反射側ではこの強度関係が逆転していることが確認された。これらの傾向は、図2(b)に示す理論強度プロファイルと一致し、A−OサイトにはPb2+とO2ーが位置し、BサイトにはNb5+とTi4+が位置していることが定性的に理解される。また、Mg2+については、回折条件の依存性が弱く、また理論強度プロファイルと挙動が明らかに異なるため、欠損または置換が生じていることが確認された。 In FIG. 2 (a), the characteristic X-ray intensity varies greatly depending on the diffraction conditions, and in the range of −1 <k / g111 <1 with the symmetrical excitation condition in between, the values from Pb 2+ and O 2− The signal was strong, and on the contrary, the signals of Nb 5+ and Ti 4+ were weakened, and it was confirmed that this intensity relationship was reversed on the higher-order reflection side. These trends are consistent with the theoretical intensity profile shown in FIG. 2 (b), the A-O site located is Pb 2+ and O 2 over, the Nb 5+ and Ti 4+ are located in the B-site Is qualitatively understood. Further, it was confirmed that Mg 2+ was deficient or substituted because the diffraction condition was weakly dependent and the behavior was clearly different from the theoretical intensity profile.

次に、130系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルを図3(a)に示す。実験では、試料作製方位である[−310]晶帯軸から[001]方位に試料を傾斜させ、g=130系統反射列のみを励起させた。そして、−2gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+、O2ーがそれぞれA、B、B、B、Oサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚100nm)を仮定したHARECXS理論プロファイルを図3(b)に示す。 Next, FIG. 3A shows an ALCHEMI-HARECXS profile of the 130 system reflection row. In the experiment, the sample was tilted from the [−310] zone axis, which is the sample preparation direction, to the [001] direction, and only the g = 130 system reflection train was excited. And the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when making it incline continuously from -2g to 2g black conditions was observed continuously, and the profile was obtained. For comparison, an ideal ion arrangement in which Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ , and O 2− occupy A, B, B, B, and O sites (no spontaneous displacement, no defect, sample thickness of 100 nm, respectively) FIG. 3 (b) shows a HARECXS theoretical profile that assumes).

図3(a)では、回折条件に依存して特性X線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−1<k/g130<1の範囲では、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+のシグナルが強く、また高次反射側ではこの強度関係が逆転している。一方で、O2ーのシグナルは回折条件の依存をほとんど示していないことがわかる。これらの傾向は、図3(b)に示す理論強度プロファイルと一致し、A−BサイトにはPb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+が位置し、OサイトにはO2ーが位置していることが定性的に理解される。 In FIG. 3A, the characteristic X-ray intensity greatly changes depending on the diffraction conditions, and Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ in the range of −1 <k / g130 <1 with the symmetric excitation condition interposed. , Ti 4+ signal is strong, and this intensity relationship is reversed on the higher-order reflection side. On the other hand, it can be seen that the O 2− signal shows almost no dependence on the diffraction conditions. These tendencies agree with the theoretical intensity profile shown in FIG. 3 (b), where Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ are located at the AB site, and O 2− is located at the O site. It is understood qualitatively.

図4(b)は、Mg2+とPb2+とを相互置換させた場合のHARECXS理論プロファイルである。図4(a)は、図2(a)と同様にALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。具体的に図4(b)は、Mg2+(総量4.32at%)の約45%(約2at%)がAサイトへ、等量のPb2+(総量19.15at%)の約10%(約2at%)がBサイトへ置換している場合のHARECXS理論プロファイルである。図4(b)は、図4(a)とほぼ一致していることから、PMN−32PTにおいて、AサイトイオンとBサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。 FIG. 4B is a HARECXS theoretical profile when Mg 2+ and Pb 2+ are mutually substituted. FIG. 4 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile as in FIG. 2 (a). Specifically, FIG. 4B shows that about 45% (about 2 at%) of Mg 2+ (total amount of 4.32 at%) is transferred to the A site, and about 10% of the equivalent amount of Pb 2+ (total amount of 19.15 at%) ( (About 2 at%) is a HARECXS theoretical profile when B site is substituted. Since FIG. 4B substantially coincides with FIG. 4A, it was confirmed that the A site ion and the B site ion were mutually substituted in PMN-32PT.

図3(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXSプロファイルを示す。図3(b)は、130系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルの理論値を示す。   FIG. 3 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS profile of the PMN-32PT of the 130 system reflection train. FIG.3 (b) shows the theoretical value of the ALCHEMI-HARECXS profile of 130 system | strain reflective row | line | column.

130系統反射列についても同様に、PMN−32PTにおいて、AサイトイオンとBサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。   Similarly, it was confirmed that the A-site ion and the B-site ion were mutually substituted in the PMN-32PT for the 130 system reflection row.

また、ペロブスカイト構造の各サイトに位置するイオン種によって、結晶系のとり方が異なり、その目安としてTolerance factor(t)がある。Aイオンの半径r、Bイオンの半径r、Oイオンの半径rとすると、
t=(r+r)/√2(r+r
の関係式が得られる。PMN−32PTにおいて、各サイトの格子占有率からt値を算出するとt≒0.91、一方、Pb2+とMg2+の置換がない状態では、t≒0.97となり、置換により歪むことが理解される。また、結晶の対称性低下は酸素八面体の傾きの大きさに結びつきBサイトイオン変位とTolerance factorから、置換により対称性が低下していることが確認された。
In addition, depending on the ion species located at each site of the perovskite structure, the method of taking a crystal system is different, and there is Tolerance factor (t) as a guide. Radius r A of the A ion radius r B of B ions, when the radius r O in the O ions,
t = (r A + r O ) / √2 (r B + r O )
The following relational expression is obtained. In PMN-32PT, if the t value is calculated from the lattice occupancy at each site, t≈0.91, whereas in the state where there is no substitution of Pb 2+ and Mg 2+ , t≈0.97, and it is understood that distortion occurs due to substitution. Is done. Further, the decrease in crystal symmetry was linked to the magnitude of the tilt of the oxygen octahedron, and it was confirmed from the B site ion displacement and the Tolerance factor that the symmetry decreased due to substitution.

2.2.3.ドメイン構造解析
高分解能エネルギーフィルタTEM(Transmission Electron Microscopy)法によりPMN−32PTのドメイン構造解析を行った。
2.2.3. Domain structure analysis Domain structure analysis of PMN-32PT was performed by a high resolution energy filter TEM (Transmission Electron Microscopy) method.

図5は、1kV/mmの電界で[001]方位に分極処理を施した、PMN−32PTおよびPMN−37PT単結晶の[110]入射EF−TEM明視野像、および(100)、(110)、(111)反射励起暗視野像(白いコントラスト部が反射励起したところ)を示す。単結晶はセラミックスに比べると比較的均一に自発分極の方向を揃えやすいが、各組成共に[001]分極方位に沿って揺らいだドメイン壁が存在し、それを境に鏡面対称的に10nm以上の幅の層状の微細なマルチドメイン構造を確認することができた。   FIG. 5 shows [110] incident EF-TEM bright-field images of PMN-32PT and PMN-37PT single crystals polarized in the [001] direction with an electric field of 1 kV / mm, and (100), (110) , (111) Reflected excitation dark field image (where the white contrast portion is reflected and excited). Single crystals tend to align the direction of spontaneous polarization relatively uniformly compared to ceramics, but each composition has a domain wall that fluctuates along the [001] polarization orientation, and is 10 nm or more mirror-symmetrically. A width-like fine multi-domain structure could be confirmed.

図6は、PMN−32PTおよびPMN−37PTのφ0.95μm領域から得た[100]、[110]、[111]入射の制限視野電子回折図形を示す。いずれも基本格子反射のみ現れており、超格子反射等は観測されなかった。マルチドメイン領域においても単結晶の回折図形で構成されているが、高次反射において僅かなスプリットが観測された。そこで、高次反射のスプリットを利用して晶系の同定を以下のように試みた。   FIG. 6 shows limited field electron diffraction patterns of [100], [110], and [111] incidence obtained from the φ0.95 μm region of PMN-32PT and PMN-37PT. In all cases, only the basic lattice reflection appeared, and no superlattice reflection was observed. The multi-domain region is also composed of a single crystal diffraction pattern, but a slight split was observed in higher-order reflection. Therefore, the identification of the crystal system was attempted as follows using the split of higher-order reflection.

図7は、PMN−32PTおよびPMN−37PTのφ0.25μm領域から得た[110]、[111]入射の高次反射の制限視野電子回折図形を示す。図8は、PMN−32PTおよびPMN−37PTの反射のスプリットをモデル化した電子回折シミュレーション結果を示す。PMN−32PTの[110]入射において、001系統列の00−4反射で001系統列に沿ったスプリットと、110系統列の−440反射で001系統列に沿ったスプリットが観測された。また、同領域の[111]入射からも−12−1反射でスプリットが観測された。さらに、別の視野では、[110]入射の004反射で001系統列に沿った3つのスプリットが観測された。これは、単位胞の3つの軸長がそれぞれ異なることを意味しており、晶系は斜方晶以下の対称性に属すると考えられる。単斜晶系を仮定した構造モデルによれば、スプリットの位置関係は、[110]+[101]([111]+[−111])の2種類のドメインの組合わせ、すなわち配向の混在(b、c軸混在)であることが確認された。   FIG. 7 shows restricted field electron diffraction patterns of high-order reflection of [110] and [111] incidence obtained from the φ0.25 μm region of PMN-32PT and PMN-37PT. FIG. 8 shows the results of an electron diffraction simulation modeling the reflection split of PMN-32PT and PMN-37PT. At the [110] incidence of PMN-32PT, a split along the 001 system train was observed by 00-4 reflection of the 001 system train, and a split along the 001 system train was observed by -440 reflection of the 110 system train. In addition, splitting was observed with -12-1 reflection from [111] incidence in the same region. Furthermore, in another field of view, three splits along the 001 series were observed with [110] incident 004 reflection. This means that the three axial lengths of the unit cell are different from each other, and the crystal system is considered to belong to symmetry below orthorhombic. According to the structure model assuming a monoclinic system, the positional relationship of the split is a combination of two types of domains of [110] + [101] ([111] + [− 111]), that is, a mixture of orientations ( b, c axis mixed).

PMN−37PTの[110]入射において、001系統列の00−6反射で3つのスプリットと、110系統列の−330反射でも同様に3つのスプリットが観測された。そのうち、2つのスプリットは同じ軸長をもつもので、残りはそれよりも軸長が短い。また、同領域の[111]入射からも−440反射で3つのスプリットが観測された。さらに、電子回折図形を観察しながら視野を移動させたところ、回折図形がわずかに回転し、モザイク構造になっていることが確認された。正方晶系を仮定した構造モデルによると、これらのスプリットの位置関係は、[10−1]、[110]が時計・反時計方向に同じ角度だけわずかに回転した(以下[10−1]+[110]±回転、[111]+[−1−1−1]±回転)、3種類のドメインの組合わせ、すなわち配向の混在(a=b、c軸混在)とモザイク構造(c軸が時計・反時計方向に僅かに回転)の導入が確認された。   In the [110] incidence of PMN-37PT, three splits were observed in the 00-6 series of 00-6 reflections, and three splits were also observed in the 110 series of -330 reflections. Of these, two splits have the same axial length, and the remainder has a shorter axial length. In addition, three splits were observed with -440 reflection from [111] incidence in the same region. Furthermore, when the field of view was moved while observing the electron diffraction pattern, it was confirmed that the diffraction pattern rotated slightly and had a mosaic structure. According to the structural model assuming a tetragonal system, the positional relationship between these splits is that [10-1] and [110] are slightly rotated in the clockwise and counterclockwise directions by the same angle (hereinafter referred to as [10-1] + [110] ± rotation, [111] + [-1-1-1] ± rotation), a combination of three types of domains, that is, mixed orientation (a = b, c-axis mixed) and mosaic structure (c-axis is The introduction of a slight rotation in the clockwise / counterclockwise direction was confirmed.

2.2.4.ヒステリシス特性
図9は、PMN−32PTのヒステリシス特性を示すバラフライ曲線を示す。これによると、ヒステリシスが若干現れているため、エンジニアードドメインから若干ずれていることが確認された。晶系が単斜晶の場合、正方晶の分極軸[001]と斜方晶の分極軸[101]をつなぐ直線上、あるいは正方晶の分極軸[001]と菱面体晶の分極軸[111]をつなぐ直線上に分極軸が存在することから、斜方晶あるいは菱面体晶からのずれが大きくなる程ヒステリシスが増大する。図9に示すヒステリシス特性によって、斜方晶あるいは菱面体晶に近似した単斜晶構造であることが確認された。
2.2.4. Hysteresis Characteristics FIG. 9 shows a butterfly curve showing the hysteresis characteristics of PMN-32PT. According to this, it was confirmed that there was a slight shift from the engineered domain because of some hysteresis. When the crystal system is monoclinic, the linear axis connecting the tetragonal polarization axis [001] and the orthorhombic polarization axis [101], or the tetragonal polarization axis [001] and the rhombohedral polarization axis [111]. ], The hysteresis increases as the deviation from the orthorhombic or rhombohedral crystal increases. The hysteresis characteristics shown in FIG. 9 confirmed that the monoclinic structure approximated to orthorhombic or rhombohedral.

3.応用例
3.1.インクジェット式記録ヘッド
次に、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。図10は、圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図11は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図11は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
3. Application example 3.1. Inkjet recording head Next, an inkjet recording head using a piezoelectric element will be described. FIG. 10 is a side sectional view showing a schematic configuration of an ink jet recording head using a piezoelectric element, and FIG. 11 is an exploded perspective view of the ink jet recording head. In addition, FIG. 11 is shown upside down from the state normally used.

インクジェット式記録ヘッド(以下、「ヘッド」ともいう)50は、図10に示すように、ヘッド本体57と、ヘッド本体57の上に設けられた圧電部54と、を備える。なお、図10に示した圧電部54は、本実施の形態にかかる圧電素子に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。圧電アクチュエーターとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。圧電素子は、たとえば下部電極4と、下部電極4の上方に形成された圧電体膜5と、圧電体膜5の上方に形成された上部電極6と、を含む。   As shown in FIG. 10, the ink jet recording head (hereinafter also referred to as “head”) 50 includes a head main body 57 and a piezoelectric portion 54 provided on the head main body 57. 10 corresponds to the piezoelectric element according to the present embodiment. In the ink jet recording head according to the present embodiment, the piezoelectric element can function as a piezoelectric actuator. A piezoelectric actuator is an element having a function of moving a certain substance. The piezoelectric element includes, for example, a lower electrode 4, a piezoelectric film 5 formed above the lower electrode 4, and an upper electrode 6 formed above the piezoelectric film 5.

ヘッド50は、図11に示すようにノズル板51と、インク室基板52と、弾性膜55と、弾性膜55に接合された圧電部(振動源)54とを備え、これらが基体56に収納されて構成されている。なお、このヘッド50は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。   As shown in FIG. 11, the head 50 includes a nozzle plate 51, an ink chamber substrate 52, an elastic film 55, and a piezoelectric portion (vibration source) 54 bonded to the elastic film 55, and these are housed in a base 56. Has been configured. The head 50 constitutes an on-demand piezo jet head.

ノズル板51は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル511を一列に形成したものである。これらノズル511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。   The nozzle plate 51 is composed of, for example, a stainless steel rolling plate or the like, and has a large number of nozzles 511 for ejecting ink droplets formed in a line. The pitch between these nozzles 511 is appropriately set according to the printing accuracy.

ノズル板51には、インク室基板52が固着(固定)されている。インク室基板52は、上述の基板2によって形成されたものである。インク室基板52は、ノズル板51、側壁(隔壁)522、および後述する弾性膜55によって、複数のキャビティー(インクキャビティー)521と、リザーバ523と、供給口524と、を区画形成したものである。リザーバ523は、インクカートリッジ631(図14参照)から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口524によって、リザーバ523から各キャビティー521にインクが供給される。   An ink chamber substrate 52 is fixed (fixed) to the nozzle plate 51. The ink chamber substrate 52 is formed by the substrate 2 described above. The ink chamber substrate 52 has a plurality of cavities (ink cavities) 521, a reservoir 523, and supply ports 524 formed by a nozzle plate 51, side walls (partition walls) 522, and an elastic film 55 described later. It is. The reservoir 523 temporarily stores ink supplied from the ink cartridge 631 (see FIG. 14). Ink is supplied from the reservoir 523 to each cavity 521 through the supply port 524.

キャビティー521は、図10および図11に示すように、各ノズル511に対応して配設されている。キャビティー521は、後述する弾性膜55の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティー521は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。   The cavities 521 are disposed corresponding to the respective nozzles 511 as shown in FIGS. The cavities 521 each have a variable volume due to vibration of an elastic film 55 described later. The cavity 521 is configured to eject ink by this volume change.

インク室基板52のノズル板51と反対の側には弾性膜55が配設されている。さらに弾性膜55のインク室基板52と反対の側には複数の圧電部54が設けられている。弾性膜55の所定位置には、図11に示すように、弾性膜55の厚さ方向に貫通して連通孔531が形成されている。連通孔531により、後述するインクカートリッジ631からリザーバ523へのインクの供給がなされる。   An elastic film 55 is disposed on the side of the ink chamber substrate 52 opposite to the nozzle plate 51. Further, a plurality of piezoelectric portions 54 are provided on the side of the elastic film 55 opposite to the ink chamber substrate 52. As shown in FIG. 11, a communication hole 531 is formed at a predetermined position of the elastic film 55 so as to penetrate in the thickness direction of the elastic film 55. Ink is supplied from an ink cartridge 631 to be described later to the reservoir 523 through the communication hole 531.

各圧電部54は、前述したように下部電極4と上部電極6との間に圧電体膜5が介挿されて構成されている。各圧電部54は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各圧電部54はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエーター)として機能する。弾性膜55は、圧電部54の振動(たわみ)によって振動し(たわみ)、キャビティー521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。   As described above, each piezoelectric portion 54 is configured such that the piezoelectric film 5 is interposed between the lower electrode 4 and the upper electrode 6. Each piezoelectric portion 54 is electrically connected to a piezoelectric element driving circuit described later, and is configured to operate (vibrate, deform) based on a signal from the piezoelectric element driving circuit. That is, each piezoelectric part 54 functions as a vibration source (head actuator). The elastic film 55 vibrates (deflection) due to vibration (deflection) of the piezoelectric portion 54 and functions to instantaneously increase the internal pressure of the cavity 521.

基体56は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図11に示すように、この基体56にインク室基板52が固定、支持されている。   The base 56 is made of, for example, various resin materials, various metal materials, or the like. As shown in FIG. 11, the ink chamber substrate 52 is fixed and supported on the base 56.

3.2.インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の動作について説明する。本実施の形態におけるヘッド50は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電部54の下部電極4と上部電極6との間に電圧が印加されていない状態では、図12に示すように圧電体膜5に変形が生じない。このため、弾性膜55にも変形が生じず、キャビティー521には容積変化が生じない。したがって、ノズル511からインク滴は吐出されない。
3.2. Operation of Inkjet Recording Head Next, the operation of the inkjet recording head 50 in the present embodiment will be described. In the head 50 according to the present embodiment, a voltage is not applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 of the piezoelectric portion 54 in a state where a predetermined ejection signal is not input via the piezoelectric element driving circuit. In the state, the piezoelectric film 5 is not deformed as shown in FIG. For this reason, the elastic film 55 is not deformed and the volume of the cavity 521 is not changed. Accordingly, no ink droplet is ejected from the nozzle 511.

一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電部54の下部電極4と上部電極6との間に一定電圧(例えば30V程度)が印加された状態では、図13に示すように圧電体膜5においてその短軸方向にたわみ変形が生じる。これにより、弾性膜55が例えば500nm程度たわみ、キャビティー521の容積変化が生じる。このとき、キャビティー521内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル511からインク滴が吐出される。   On the other hand, in a state where a predetermined ejection signal is input via the piezoelectric element driving circuit, that is, in a state where a constant voltage (for example, about 30 V) is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 of the piezoelectric portion 54, As shown in FIG. 13, the piezoelectric film 5 is bent and deformed in the short axis direction. As a result, the elastic film 55 bends by, for example, about 500 nm, and the volume of the cavity 521 changes. At this time, the pressure in the cavity 521 increases instantaneously, and an ink droplet is ejected from the nozzle 511.

すなわち、電圧を印加すると、圧電体膜5の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態では、圧電体膜5にとっては面内に引っ張り応力が働いていることになる。したがって、この応力によって弾性膜55をそらせ、たわませることになる。キャビティー521の短軸方向での圧電体膜5の変位量(絶対値)が大きければ大きいほど、弾性膜55のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。本実施の形態では、前述したように、圧電部54(圧電素子)の圧電体膜5の圧電定数(d31)が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっている。これにより、弾性膜55のたわみ量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できる。 That is, when a voltage is applied, the crystal lattice of the piezoelectric film 5 is stretched in a direction perpendicular to the surface, but is simultaneously compressed in a direction parallel to the surface. In this state, a tensile stress is acting in the plane for the piezoelectric film 5. Therefore, the elastic film 55 is deflected and bent by this stress. The greater the displacement amount (absolute value) of the piezoelectric film 5 in the minor axis direction of the cavity 521, the greater the deflection amount of the elastic film 55, making it possible to eject ink droplets more efficiently. . In the present embodiment, as described above, the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric film 5 of the piezoelectric portion 54 (piezoelectric element) is high, so that a greater deformation is made with respect to the applied voltage. . Thereby, the amount of deflection of the elastic film 55 is increased, and ink droplets can be ejected more efficiently.

ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル511のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティー521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。   Here, “efficient” means that the same amount of ink droplets can be ejected with a smaller voltage. That is, the driver circuit can be simplified and the power consumption can be reduced at the same time, so that the pitch of the nozzles 511 can be formed with higher density. Alternatively, since the length of the long axis of the cavity 521 can be shortened, the entire head can be reduced in size.

1回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極4と上部電極6との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電部54は図12に示した元の形状に戻り、キャビティー521の容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ631からノズル511へ向かう圧力(正方向への圧力)が作用している。このため、空気がノズル511からキャビティー521へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ631からリザーバ523を経てキャビティー521へ供給される。   When the ejection of one ink is completed, the piezoelectric element driving circuit stops applying the voltage between the lower electrode 4 and the upper electrode 6. Thereby, the piezoelectric part 54 returns to the original shape shown in FIG. 12, and the volume of the cavity 521 increases. At this time, the pressure (pressure in the positive direction) from the ink cartridge 631 described later toward the nozzle 511 is applied to the ink. For this reason, air is prevented from entering the cavity 521 from the nozzle 511, and an amount of ink corresponding to the ink ejection amount is supplied from the ink cartridge 631 to the cavity 521 through the reservoir 523.

このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電部54に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の(所望の)文字や図形等を印刷することができる。   In this way, arbitrary (desired) characters and figures are printed by sequentially inputting ejection signals via the piezoelectric element driving circuit to the piezoelectric unit 54 at the position where ink droplets are to be ejected. be able to.

3.3.インクジェット式記録ヘッドの製造方法
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の製造方法の一例について説明する。
3.3. Method for Manufacturing Inkjet Recording Head Next, an example of a method for manufacturing the inkjet recording head 50 in the present embodiment will be described.

まず、インク室基板52となる母材(基板)を用意する。次に、基板上に弾性膜55を形成する。次に弾性膜上に下部電極4、圧電体膜5、上部電極6を順次形成する。   First, a base material (substrate) to be the ink chamber substrate 52 is prepared. Next, an elastic film 55 is formed on the substrate. Next, the lower electrode 4, the piezoelectric film 5, and the upper electrode 6 are sequentially formed on the elastic film.

次いで、上部電極6、圧電体膜5、および下部電極4を、図12および図13に示すように、個々のキャビティー521に対応させてパターニングし、図10に示すように、キャビティー521の数に対応した数の圧電部54を形成する。   Next, the upper electrode 6, the piezoelectric film 5, and the lower electrode 4 are patterned to correspond to the individual cavities 521 as shown in FIGS. 12 and 13, and as shown in FIG. The number of piezoelectric portions 54 corresponding to the number is formed.

次いで、インク室基板52となる母材を加工(パターニング)し、圧電部54に対応する位置にそれぞれキャビティー521となる凹部を、また、所定位置にリザーバ523および供給口524となる凹部を形成する。   Next, the base material to be the ink chamber substrate 52 is processed (patterned) to form recesses to be the cavities 521 at positions corresponding to the piezoelectric portions 54, and recesses to be the reservoirs 523 and the supply ports 524 at predetermined positions. To do.

母材を、その厚さ方向に弾性膜55が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板52を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁522となる。   The ink chamber substrate 52 is formed by removing the base material by etching until the elastic film 55 is exposed in the thickness direction. At this time, a portion left without being etched becomes the side wall 522.

次に、複数のノズル511が形成されたノズル板51を、各ノズル511が各キャビティー521となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティー521、リザーバ523および複数の供給口524が形成される。ノズル板51の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板52を基体56に取り付ける。   Next, the nozzle plate 51 on which the plurality of nozzles 511 are formed is aligned so that each nozzle 511 corresponds to a concave portion that becomes each cavity 521, and bonded in that state. Thereby, a plurality of cavities 521, a reservoir 523, and a plurality of supply ports 524 are formed. For the joining of the nozzle plate 51, for example, an adhesive method using an adhesive or a fusion method may be used. Next, the ink chamber substrate 52 is attached to the base 56.

以上の工程によって、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド50を製造することができる。   Through the above steps, the ink jet recording head 50 according to the present embodiment can be manufactured.

3.4.作用・効果
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド50によれば、前述したように、圧電部54が良好な圧電特性を有することで効率的なインクの吐出が可能となっていることから、ノズル511の高密度化などが可能となる。したがって、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
3.4. Action / Effect According to the ink jet recording head 50 according to the present embodiment, as described above, since the piezoelectric portion 54 has good piezoelectric characteristics, it is possible to efficiently eject ink. The density of the nozzles 511 can be increased. Therefore, high-density printing and high-speed printing are possible. Furthermore, the entire head can be reduced in size.

3.5.インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド50を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図14は、本発明のインクジェットプリンター600を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図14中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
3.5. Inkjet Printer Next, an inkjet printer provided with the above-described inkjet recording head 50 will be described. FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing an embodiment in which the inkjet printer 600 of the present invention is applied to a general printer that prints on paper or the like. In the following description, the upper side in FIG. 14 is referred to as “upper part” and the lower side is referred to as “lower part”.

インクジェットプリンター600は、装置本体620を備えており、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。   The ink jet printer 600 includes an apparatus main body 620, has a tray 621 for placing the recording paper P on the upper rear side, has a discharge port 622 for discharging the recording paper P on the lower front, and has an operation panel 670 on the upper surface. Have

装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を備えた印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。   Inside the apparatus main body 620, there are mainly a printing apparatus 640 provided with a reciprocating head unit 630, a paper feeding apparatus 650 for feeding the recording paper P one by one to the printing apparatus 640, the printing apparatus 640 and the paper feeding apparatus. A control unit 660 for controlling the 650 is provided.

印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642とを備えている。   The printing apparatus 640 includes a head unit 630, a carriage motor 641 serving as a drive source for the head unit 630, and a reciprocating mechanism 642 that receives the rotation of the carriage motor 641 to reciprocate the head unit 630.

ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数のノズル511を備えるインクジェット式記録ヘッド50と、このインクジェット式記録ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。   The head unit 630 includes an ink jet recording head 50 provided with the above-described many nozzles 511, an ink cartridge 631 for supplying ink to the ink jet recording head 50, an ink jet recording head 50, and an ink cartridge 631 at a lower portion thereof. And a carriage 632 mounted thereon.

往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド50から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。   The reciprocating mechanism 642 includes a carriage guide shaft 643 whose both ends are supported by a frame (not shown), and a timing belt 644 extending in parallel with the carriage guide shaft 643. The carriage 632 is supported by the carriage guide shaft 643 so as to reciprocate and is fixed to a part of the timing belt 644. When the timing belt 644 travels forward and backward through a pulley by the operation of the carriage motor 641, the head unit 630 reciprocates while being guided by the carriage guide shaft 643. During this reciprocation, ink is appropriately discharged from the ink jet recording head 50 and printing on the recording paper P is performed.

給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。   The sheet feeding device 650 includes a sheet feeding motor 651 serving as a driving source thereof, and a sheet feeding roller 652 that rotates by the operation of the sheet feeding motor 651. The paper feed roller 652 includes a driven roller 652 a and a drive roller 652 b that are opposed to each other across the feeding path (recording paper P) of the recording paper P, and the driving roller 652 b is connected to the paper feeding motor 651. Has been.

本実施の形態にかかるインクジェットプリンター600によれば、前述したように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド50を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。   According to the ink jet printer 600 according to the present embodiment, as described above, since the ink jet recording head 50 having high performance and high nozzle density is provided, high density printing and high speed printing are possible. .

なお、本発明のインクジェットプリンター600は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。   The ink jet printer 600 of the present invention can also be used as an industrially used droplet discharge device. In that case, as the ink to be ejected (liquid material), various functional materials can be used by adjusting them to an appropriate viscosity with a solvent or a dispersion medium.

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。   As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

ペロブスカイト型酸化物の結晶構造を説明するための図。The figure for demonstrating the crystal structure of a perovskite type oxide. 図2(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図2(b)は、111系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 2 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111-line reflection train. FIG. 2 (b) shows the HARECX theoretical profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. 図3(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図3(b)は、130系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 3 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 130 system reflection rows. FIG. 3 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT with 130 system reflection rows. 図4(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図2(b)は、AサイトイオンとBサイトイオンとを相互置換させた場合における、111系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 4 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. FIG. 2 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT of 111-line reflection train when A site ion and B site ion are mutually substituted. 1kV/mmの電界で[001]方位に分極処理を施した、PMN−32PTおよびPMN−37PT単結晶の[110]入射EF−TEM明視野像、および(100)、(110)、(111)反射励起暗視野像を示す図である。[110] incident EF-TEM bright field images of PMN-32PT and PMN-37PT single crystals polarized in the [001] direction with an electric field of 1 kV / mm, and (100), (110), (111) It is a figure which shows a reflection excitation dark field image. PMN−32PTおよびPMN−37PTのφ0.95μm領域から得た(100)、(110)、(111)入射の制限視野電子回折図形を示す図である。It is a figure which shows the limited field electron diffraction pattern of (100), (110), and (111) incidence obtained from the (phi) 0.95 micrometer area | region of PMN-32PT and PMN-37PT. PMN−32PTおよびPMN−37PTのφ0.25μm領域から得た(110)、(111)入射の制限視野電子回折図形を示す図である。It is a figure which shows the restricted field electron diffraction pattern of (110) and (111) incidence obtained from the (phi) 0.25 micrometer area | region of PMN-32PT and PMN-37PT. PMN−32PTおよびPMN−37PTの反射のスプリットをモデル化した電子回折シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the electron diffraction simulation result which modeled the split of reflection of PMN-32PT and PMN-37PT. PMN−32PTのヒステリシス特性を示す図である。It is a figure which shows the hysteresis characteristic of PMN-32PT. 実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording head according to an embodiment. 実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成分解斜視図。1 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of an ink jet recording head according to an embodiment. インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of an ink jet recording head. インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of an ink jet recording head. 実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an ink jet printer according to an embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

4 下部電極、5 圧電体膜、6 上部電極、50 インクジェット式記録ヘッド、51 ノズル板、52 インク室基板、54 圧電部、55 弾性板、56 基体、57 ヘッド本体、511 ノズル、521 キャビティー、522 側壁、523 リザーバ、524 供給口、531 連通孔、600 インクジェットプリンター、620 装置本体、621 トレイ、622 排出口、630 ヘッドユニット、631 インクカートリッジ、632 キャリッジ、640 印刷装置、641 キャリッジモータ、642 往復動機構、643 キャリッジガイド軸、644 タイミングベルト、650 給紙装置、651 給紙モータ、652 給紙ローラ、660 制御部、670 操作パネル
4 Lower electrode, 5 Piezoelectric film, 6 Upper electrode, 50 Inkjet recording head, 51 Nozzle plate, 52 Ink chamber substrate, 54 Piezoelectric section, 55 Elastic plate, 56 Base, 57 Head body, 511 Nozzle, 521 Cavity, 522 Side wall, 523 reservoir, 524 supply port, 531 communication hole, 600 inkjet printer, 620 device main body, 621 tray, 622 discharge port, 630 head unit, 631 ink cartridge, 632 carriage, 640 printing device, 641 carriage motor, 642 reciprocation Moving mechanism, 643 carriage guide shaft, 644 timing belt, 650 sheet feeding device, 651 sheet feeding motor, 652 sheet feeding roller, 660 control unit, 670 operation panel

Claims (9)

ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を含み、
前記ペロブスカイト型酸化物において、Aサイトに優先的に位置するイオンをAサイトイオンとし、Bサイトに優先的に位置するイオンをBサイトイオンとした場合に、前記Aサイトイオンは、前記Bサイトイオンと相互置換されている、圧電素子。
Including a piezoelectric film made of a perovskite oxide,
In the perovskite oxide, when the ion preferentially located at the A site is the A site ion and the ion preferentially located at the B site is the B site ion, the A site ion is the B site ion. Piezoelectric elements that are mutually replaced.
請求項1において、
前記Aサイトイオンの価数は、前記Bサイトイオンの価数と等しい、圧電素子。
In claim 1,
The piezoelectric element in which the valence of the A site ion is equal to the valence of the B site ion.
請求項1または2において、
AサイトイオンとBサイトイオンのイオン半径比は2.0〜2.5である、圧電素子。
In claim 1 or 2,
A piezoelectric element having an ion radius ratio of A site ions to B site ions of 2.0 to 2.5.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
Aサイトイオンは鉛イオン(Pb2+)である、圧電素子。
In any of claims 1 to 3,
The A-site ion is a lead ion (Pb 2+ ), a piezoelectric element.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
前記ペロブスカイト型酸化物は、Pb(Mg,Nb)O−xPbTiOである、圧電素子。
In any of claims 1 to 4,
The piezoelectric element, wherein the perovskite oxide is Pb (Mg, Nb) O 3 —xPbTiO 3 .
請求項5において、
前記Aサイトイオンは、鉛イオン(Pb2+)であり、
前記Bサイトイオンは、マグネシウムイオン(Mg2+)である、圧電素子。
In claim 5,
The A site ion is a lead ion (Pb 2+ ),
The piezoelectric element, wherein the B site ions are magnesium ions (Mg 2+ ).
請求項1ないし6のいずれかに記載の圧電素子を有する、圧電アクチュエーター。   A piezoelectric actuator comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項1ないし6のいずれかに記載の圧電素子を有する、インクジェット式記録ヘッド。   An ink jet recording head comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項9に記載のインクジェット式記録ヘッドを有する、インクジェットプリンター。   An ink jet printer comprising the ink jet recording head according to claim 9.
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