JP2007088448A - Film and fabrication process of inkjet head - Google Patents

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Motohiro Yasui
基博 安井
Jun Aketo
純 明渡
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Brother Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for producing a film while avoiding the occurrence of a defect in the film or breakage of the film during annealing, and to provide ceramic particles suitable for producing such a film. <P>SOLUTION: After material particles M are prepared and before depositing a film, the material particles M are subjected to heat treatment. Consequently, moisture and additives causing gasification in the subsequent anneal process are evaporated beforehand and removed and thereby defect and breakage of a piezoelectric film 3 can be avoided in the anneal process. Consequently, an actuator plate 1 for an inkjet head 10 having good piezoelectric characteristics can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜、およびインクジェットヘッドの製造方法に関する。   The present invention relates to a film and a method for manufacturing an inkjet head.

例えばインクジェットヘッド等に用いられる圧電アクチュエータの製造方法として、エアロゾルデポジション法(AD法)と呼ばれるものがある。特許文献1(特開2001−152360号公報)では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの(エアロゾル)を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させる方法が開示されている。
特開2001−152360公報
For example, there is a method called an aerosol deposition method (AD method) as a manufacturing method of a piezoelectric actuator used for an ink jet head or the like. In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-152360), piezoelectric material fine particles such as lead zirconate titanate (PZT) dispersed in a gas (aerosol) are jetted toward the substrate surface, and the fine particles are ejected. A method of forming a piezoelectric film by colliding and depositing on a substrate is disclosed.
JP 2001-152360 A

ここで、上記のようなAD法により成膜した圧電膜には、基板を十分に撓ませるのに必要な圧電特性を得るために、アニール処理を施す必要がある。   Here, the piezoelectric film formed by the AD method as described above needs to be annealed in order to obtain the piezoelectric characteristics necessary for sufficiently bending the substrate.

ところが、本発明者らの実験によれば、充分な圧電特性を得ようとして高温でアニール処理を行うことで、膜に欠陥が発生し、極端な場合には膜が破壊されてしまうことがあった。このような事態が起これば、絶縁性の低下、ひいては圧電特性の低下につながるため、改善が必要である。   However, according to experiments conducted by the present inventors, if annealing is performed at a high temperature in order to obtain sufficient piezoelectric characteristics, defects may occur in the film, and in extreme cases, the film may be destroyed. It was. If such a situation occurs, it will lead to a decrease in insulation and, in turn, a decrease in piezoelectric characteristics, and so improvement is necessary.

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アニール処理時における膜の欠陥の発生や破壊を回避できる膜の製造方法、およびその膜を用いたインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a film manufacturing method capable of avoiding the generation and destruction of a film defect during annealing, and an ink jet head manufacturing method using the film. Is to provide.

本発明者らは、アニール処理時における膜の破壊を回避できる膜の製造方法を開発すべく鋭意研究してきたところ、以下の知見を見出した。   The inventors of the present invention have intensively studied to develop a film manufacturing method capable of avoiding film breakage during annealing, and have found the following knowledge.

アニール処理工程においてガス化して膜に欠陥を生じさせる原因となる成分は、セラミックス粒子を調製する工程で混入してくる水分や、加えられる添加物、またはその分解物等であると考えられる。   The components that cause gasification and cause defects in the film in the annealing process are considered to be moisture mixed in the process of preparing ceramic particles, additives to be added, or decomposition products thereof.

すなわち、AD法において使用されるセラミックス粒子を調製するためには、通常、原料を粉砕して分級し、適切な粒度の微粉末を得る、という手順を経る。また、複数種の原料から合成されるセラミックス材料であれば、原料粉末を混合し、仮焼結した後に粉砕する、という手順を経る。この際、湿式混合であれば用いる溶媒に水分が混入していることがある。また原料粉末に焼結を助けるための焼結助剤が添加されることがある。さらに、粉砕した後に、粒子の凝集を防ぐための分散剤やコーティング剤が添加される場合もある。また、原料粉末自体が水和物を作りやすいものであるときは、粉砕される前の原料鉱石等の時点で水分や揮発成分を含有していると考えられる。これらの水分や添加物のうちアニール温度以下で分解、気化する成分が膜の欠陥を引き起こすのである。なお、水分については、粉末表面の細孔に吸着する等の物理的吸着で混入したもの(物理吸着水)と、製造時に結晶水として含有される等の化学的吸着により混入したもの(化学吸着水)とが考えられる。   That is, in order to prepare the ceramic particles used in the AD method, usually, the raw material is pulverized and classified to obtain a fine powder having an appropriate particle size. Moreover, if it is a ceramic material synthesize | combined from multiple types of raw material, it will pass through the procedure of grind | pulverizing, after mixing raw material powder, pre-sintering. At this time, if it is wet mixing, water may be mixed in the solvent used. In addition, a sintering aid for assisting the sintering may be added to the raw material powder. Furthermore, a dispersing agent or a coating agent for preventing aggregation of particles may be added after pulverization. In addition, when the raw material powder itself is easy to form a hydrate, it is considered that it contains water and volatile components at the time of the raw material ore before being pulverized. Of these moisture and additives, components that decompose and vaporize below the annealing temperature cause film defects. In addition, about water | moisture content, it mixed by physical adsorption (physical adsorption water) etc. which adsorb | suck to the pore of the powder surface, and it mixed by chemical adsorption (chemical adsorption, such as being contained as crystal water at the time of manufacture). Water).

したがって、成膜を行う前のセラミックス粒子をあらかじめ加熱処理して、含まれる水分や添加物を予め気化させて除去しておくことにより、アニール工程において膜の欠陥の発生、破壊を回避することができるのである。本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものである。   Therefore, it is possible to avoid the generation and destruction of film defects in the annealing process by preheating the ceramic particles prior to film formation and preliminarily vaporizing and removing the contained moisture and additives. It can be done. The present invention has been made based on such novel findings.

すなわち、本発明の第1の態様に従えば、セラミックス粒子を加熱処理する加熱処理工程と、基板に加熱処理工程後の前記セラミックス粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス粉末を付着させることにより膜を形成する膜形成工程と、前記膜をアニール処理するアニール処理工程と、を含む膜の製造方法が提供される。   That is, according to the first aspect of the present invention, a film is formed by applying a heat treatment step of heat-treating ceramic particles and spraying an aerosol containing the ceramic particles after the heat treatment step onto a substrate to attach the ceramic powder. There is provided a method of manufacturing a film, including a film forming process for forming a film and an annealing process for annealing the film.

本発明の第2の態様に従えば、インクを吐出するためのインク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられる振動板と、この振動板上に積層される圧電膜とを備える圧電アクチュエータと、を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、圧電材料の粒子を加熱処理する加熱処理工程と、前記振動板上に前記加熱処理工程後の前記圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、前記圧電膜をアニール処理するアニール処理工程と、前記圧電膜上に電極層を形成する電極層形成工程と、を含むインクジェットヘッドの製造方法が提供される。   According to the second aspect of the present invention, an ink flow path forming body provided with a plurality of pressure chambers communicating with an ink discharge nozzle for discharging ink and having an opening opening on one side, and the ink A method of manufacturing an ink jet head comprising: a diaphragm provided on one surface side of a flow path forming body so as to close the opening; and a piezoelectric actuator comprising a piezoelectric film laminated on the diaphragm, Forming a piezoelectric film by heat-treating the piezoelectric material particles and spraying the aerosol containing the piezoelectric material particles after the heat-treatment step onto the diaphragm and attaching the piezoelectric material particles to the diaphragm A piezoelectric film forming step, an annealing process step for annealing the piezoelectric film, and an electrode layer forming step for forming an electrode layer on the piezoelectric film. Granulation method is provided.

加熱処理工程における加熱温度については、除去したい成分の種類等を考慮して適切に設定すれば良い。例えば、セラミックス粒子の表面の細孔内に付着した水分(物理吸着水)は、約150℃以上で除去することができる。また、セラミックス粒子の調製に通常使用される分散剤や焼結助剤などの添加物に含まれるガス化成分は、約200〜400℃以上で除去することができる。特に、セラミックス粒子を構成する材料が化学的に吸着した水分(化学吸着水)を含む場合には、この水分が放出される温度(約600℃)以上で加熱を行うことが好ましい。   The heating temperature in the heat treatment step may be appropriately set in consideration of the type of component to be removed. For example, moisture (physically adsorbed water) adhering in the pores on the surface of the ceramic particles can be removed at about 150 ° C. or higher. Moreover, the gasification component contained in additives, such as a dispersing agent and a sintering auxiliary agent normally used for preparation of ceramic particle | grains, can be removed at about 200-400 degreeC or more. In particular, when the material constituting the ceramic particles contains chemically adsorbed moisture (chemically adsorbed water), it is preferable to heat at a temperature at which the moisture is released (about 600 ° C.) or higher.

また、加熱温度をアニール工程におけるアニール温度と同等またはそれ以上の温度としておけば、アニール温度でガス化する成分が予め全て除去されることとなるため、きわめて好ましい。さらに、加熱時間は、セラミックス粒子に含まれてガス化しやすい成分を除去できる長さであれば良く、具体的には30分以上とすることが好ましい。さらに、加熱したことで粉末の表面に作用する静電気や分子間力によって粒子が凝集することを防ぐため、乾式の粉砕工程を行うことが好ましい。   Further, if the heating temperature is set to be equal to or higher than the annealing temperature in the annealing step, all components that are gasified at the annealing temperature are removed in advance, which is extremely preferable. Furthermore, the heating time may be of a length that can remove components easily contained in the ceramic particles that are easily gasified, and is preferably 30 minutes or longer. Furthermore, in order to prevent particles from aggregating due to static electricity or intermolecular force acting on the powder surface due to heating, it is preferable to perform a dry pulverization step.

本発明の膜、およびインクジェットヘッドの製造方法において、前記加熱処理工程における加熱温度は450℃〜850℃であってもよい。この場合、体積抵抗率が大きくなり、良好な絶縁性が確保される。   In the film of the present invention and the method for manufacturing an inkjet head, the heating temperature in the heat treatment step may be 450 ° C. to 850 ° C. In this case, the volume resistivity is increased and good insulation is ensured.

本発明のセラミックス粒子の種類としては、膜を形成するために通常に使用されるものであれば特に制限はなく、例えばα−アルミナ、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等を挙げることができる。また、本発明の製造方法は、例えばインクジェットヘッド等に使用される圧電アクチュエータにおける圧電膜の形成に好ましく使用することができ、この場合には、セラミックス粒子として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)等、圧電材料として通常使用されるペロブスカイト構造を有する材料の粒子を使用することができる。   The ceramic particles of the present invention are not particularly limited as long as they are usually used for forming a film, and examples thereof include α-alumina, zirconia, and partially stabilized zirconia. In addition, the production method of the present invention can be preferably used for forming a piezoelectric film in a piezoelectric actuator used in, for example, an inkjet head. In this case, as ceramic particles, lead zirconate titanate (PZT), Particles of a material having a perovskite structure that is usually used as a piezoelectric material, such as lead magnesium niobate (PMN), can be used.

このセラミックス粒子は、例えばα−アルミナ等の単一材料からなる粒子であれば、原材料を粉砕した後、加熱処理することによって得ることができる。また、PZT等、複数種の原料から合成されるセラミックスの場合は、原料粉末を混合、焼成した後、粉砕して得られた微粉末を加熱処理することによって、目的のセラミックス粒子を得ることができる。   If the ceramic particles are particles made of a single material such as α-alumina, for example, the ceramic particles can be obtained by pulverizing the raw material followed by heat treatment. Moreover, in the case of ceramics synthesized from a plurality of types of raw materials such as PZT, target ceramic particles can be obtained by heat-treating the fine powder obtained by mixing and firing the raw material powder and then pulverizing it. it can.

本発明のセラミックス粒子は、熱重量測定によって常温から900℃まで昇温した場合の重量減少率が0.2重量%以下であることが好ましく、600℃まで昇温した場合の重量減少率が0.18重量%以下であることがさらに好ましい。ここで、加熱による重量減少分は、セラミックス粒子に含まれる水分(物理吸着水、化学吸着水)や添加物等のガス化成分であると考えることができる。このように加熱による重量減少分、すなわちガス化成分が極めて少ないセラミックス粒子を使用して成膜を行えば、アニール処理時のガス発生を極微量とすることができ、膜の破壊を防止することができる。   The ceramic particles of the present invention preferably have a weight reduction rate of 0.2% by weight or less when heated from room temperature to 900 ° C. by thermogravimetry, and the weight reduction rate when heated to 600 ° C. is 0. More preferably, it is 18% by weight or less. Here, the weight reduction due to heating can be considered to be gasification components such as moisture (physically adsorbed water, chemically adsorbed water) and additives contained in the ceramic particles. Thus, if the film is formed using ceramic particles with very little gasification component, that is, the weight loss due to heating, the gas generation during the annealing process can be made extremely small, and the destruction of the film can be prevented. Can do.

また、180℃まで昇温した場合の重量減少率が0.15重量%以下であることがいっそう好ましい。この温度での重量減少分は、粒子の表面に付着している物理的吸着水と、分散剤等の添加物に含まれる揮発成分とであるが、これらをあらかじめ粒子の表面から取り去ることにより、成膜時に粒子の基板への衝突・破壊によって生じる活性の高い新生面がこれらの成分で汚染されることを防ぎ、成膜性および形成した膜の品質を高めることができる。   Further, it is more preferable that the weight reduction rate when the temperature is raised to 180 ° C. is 0.15% by weight or less. The weight loss at this temperature is physically adsorbed water adhering to the particle surface and volatile components contained in additives such as dispersants, but by removing these from the particle surface in advance, It is possible to prevent the newly active surface having high activity caused by the collision and destruction of particles with the substrate during film formation from being contaminated with these components, and to improve the film forming property and the quality of the formed film.

また、本発明のセラミックス粒子は、比表面積が10m2/g以下とされていることが好ましい。このように比表面積が小さい粒子であれば、表面に付着可能な水分の量が少ないため、アニール処理時のガスの発生量を少なくすることができる。   The ceramic particles of the present invention preferably have a specific surface area of 10 m2 / g or less. If the particles have such a small specific surface area, the amount of moisture that can adhere to the surface is small, so that the amount of gas generated during annealing can be reduced.

また、セラミックス粒子は、結晶水が少ないほど硬度および圧縮破壊強度が高くなるため、これら硬度および圧縮破壊強度を結晶水の含有量の指標として利用することができる。このような観点から、本発明のセラミックス粒子は、ナノインデンターを用いて測定した硬度がビッカース硬度換算で50Hv〜800Hvの範囲のものであり、かつ、圧縮破壊強度が0.5GPa〜8GPaの範囲のものであることが好ましい。このようなセラミックス粒子は、含まれる結晶水の量が極めて少ないので、高温でアニール処理を行ったとしてもガス発生を極微量とすることができ、膜の破壊を防止することができる。   In addition, since the ceramic particles have higher hardness and compressive fracture strength as the amount of crystal water is smaller, the hardness and compressive fracture strength can be used as an index of the content of crystal water. From such a viewpoint, the ceramic particles of the present invention have a hardness measured using a nanoindenter in a range of 50 Hv to 800 Hv in terms of Vickers hardness, and a compressive fracture strength in a range of 0.5 GPa to 8 GPa. It is preferable that. Since such ceramic particles contain a very small amount of crystal water, even if annealing is performed at a high temperature, the amount of gas generated can be kept to a minimum and the destruction of the film can be prevented.

さらに、X線回折法により測定されるセラミックス粒子の結晶化度も、結晶水の含有量の指標として利用することができる。このような観点から、本発明のセラミックス粒子は、X線回折法による結晶化度が80%以上であることが好ましい。このようなセラミックス粒子は、含まれる結晶水の量が極めて少ないので、高温でアニール処理を行ったとしてもガス発生を極微量とすることができ、膜の破壊を防止することができる。   Furthermore, the crystallinity of the ceramic particles measured by the X-ray diffraction method can also be used as an index of the content of crystal water. From such a viewpoint, it is preferable that the ceramic particles of the present invention have a crystallinity of 80% or more by an X-ray diffraction method. Since such ceramic particles contain a very small amount of crystal water, even if annealing is performed at a high temperature, the amount of gas generated can be kept to a minimum and the destruction of the film can be prevented.

本発明によれば、セラミックス粒子を調製した後、成膜を行う前に、このセラミックス粒子の加熱処理を行うので、後のアニール工程においてガス化の原因となる水分や添加物を予め気化させて除去し、アニール工程における膜の欠陥、破壊を回避することができる。これにより、絶縁性などに優れた高品質の膜を形成することができる。また、本発明の製造方法を圧電アクチュエータにおける圧電膜の形成に適用することにより、圧電膜の欠陥、破壊に起因する圧電特性の低下を回避し、良好な圧電特性を有する圧電アクチュエータを得ることができる。   According to the present invention, since the ceramic particles are heated after the ceramic particles are prepared and before film formation, moisture and additives that cause gasification are vaporized in advance in the subsequent annealing step. By removing it, it is possible to avoid film defects and destruction in the annealing process. This makes it possible to form a high quality film having excellent insulation properties. Further, by applying the manufacturing method of the present invention to the formation of a piezoelectric film in a piezoelectric actuator, it is possible to avoid a decrease in piezoelectric characteristics due to a defect or breakage of the piezoelectric film and to obtain a piezoelectric actuator having good piezoelectric characteristics. it can.

以下、本発明を具体化した実施形態について、図1〜図5を参照しつつ詳細に説明する。本実施形態においては、本発明をインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータの製造に適用した例について示す。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to manufacture of a piezoelectric actuator for an inkjet head will be described.

図1には、本実施形態のインクジェットヘッド10を示す。インクジェットヘッド10は、インク20が収容される複数の圧力室16を備えた流路ユニット11(インク流路形成体)と、この流路ユニット11上に圧力室16を閉じるように接合されたアクチュエータプレート1(圧電アクチュエータ)とを備えている。   FIG. 1 shows an inkjet head 10 according to this embodiment. The inkjet head 10 includes a flow path unit 11 (ink flow path forming body) having a plurality of pressure chambers 16 in which ink 20 is accommodated, and an actuator joined on the flow path unit 11 so as to close the pressure chambers 16. Plate 1 (piezoelectric actuator).

流路ユニット11は、全体として平板状をなしており、ノズルプレート12、マニホールドプレート13、流路プレート14、および圧力室プレート15を順に積層するとともに、各プレート12、13、14、15を互いにエポキシ系の熱硬化性接着剤にて接合した構成となっている。   The flow path unit 11 has a flat plate shape as a whole, and the nozzle plate 12, the manifold plate 13, the flow path plate 14, and the pressure chamber plate 15 are sequentially stacked, and the plates 12, 13, 14, 15 are mutually connected. It is configured to be joined with an epoxy thermosetting adhesive.

ノズルプレート12は、ポリイミド系の合成樹脂材料にて形成されており、その内部にはインク20を噴射するための複数のインク吐出ノズル19が整列して形成されている。マニホールドプレート13は、ステンレス等の金属材料にて形成され、その内部には、インク吐出ノズル19に接続する複数のノズル流路18が設けられている。流路プレート14は、同じくステンレス等の金属材料にて形成されており、内部にノズル流路18に連通した複数のプレッシャ流路17が設けられている。圧力室プレート15はやはりステンレス等の金属材料にて形成され、その内部にはプレッシャ流路17に連通した複数の圧力室16が設けられている。圧力室16は、流路プレート14、マニホールドプレート13に設けられた図示しないマニホールド流路、および共通インク室を介してインクタンクに接続されている。このようにして、インクタンクに接続された共通インク室から、マニホールド流路、圧力室16、プレッシャ流路17およびノズル流路18を経てインク吐出ノズル19へと至る経路が形成されている。   The nozzle plate 12 is formed of a polyimide-based synthetic resin material, and a plurality of ink discharge nozzles 19 for ejecting the ink 20 are formed in an array therein. The manifold plate 13 is formed of a metal material such as stainless steel, and a plurality of nozzle channels 18 connected to the ink discharge nozzles 19 are provided therein. The flow path plate 14 is also formed of a metal material such as stainless steel, and a plurality of pressure flow paths 17 communicating with the nozzle flow paths 18 are provided therein. The pressure chamber plate 15 is also made of a metal material such as stainless steel, and a plurality of pressure chambers 16 communicating with the pressure channel 17 are provided therein. The pressure chamber 16 is connected to an ink tank through a flow path plate 14, a manifold flow path (not shown) provided in the manifold plate 13, and a common ink chamber. In this way, a path is formed from the common ink chamber connected to the ink tank to the ink discharge nozzle 19 via the manifold channel, the pressure chamber 16, the pressure channel 17, and the nozzle channel 18.

この流路ユニット11に積層されるアクチュエータプレート1は、圧力室16の壁面の一部を構成する下部電極を兼ねた振動板2と、この振動板2上に形成された圧電膜3と、この圧電膜3上に設けられた上部電極4とで構成されている。   The actuator plate 1 stacked on the flow path unit 11 includes a diaphragm 2 that also serves as a lower electrode that constitutes a part of the wall surface of the pressure chamber 16, a piezoelectric film 3 formed on the diaphragm 2, The upper electrode 4 is provided on the piezoelectric film 3.

振動板2は、ステンレス(SUS430、SUS304)等の金属材料にて矩形状に形成されており、流路ユニット11の上面に塗布されたエポキシ系の熱硬化性の接着剤、または、振動板2と流路ユニット11との熱拡散によって接合されて、流路ユニット11の上面全体を覆うように設けられている。   The diaphragm 2 is formed in a rectangular shape with a metal material such as stainless steel (SUS430, SUS304), and an epoxy-based thermosetting adhesive applied to the upper surface of the flow path unit 11 or the diaphragm 2. And the flow path unit 11 are joined by heat diffusion so as to cover the entire upper surface of the flow path unit 11.

この振動板2において流路ユニット11に接する面と反対側の面には、圧電膜3が設けられている。圧電膜3は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体の圧電セラミックス材料から形成されており、振動板2の表面に均一な厚みで積層されている。この圧電膜3は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、その厚み方向に分極するように分極処理が施されている。   A piezoelectric film 3 is provided on the surface of the diaphragm 2 opposite to the surface in contact with the flow path unit 11. The piezoelectric film 3 is made of a ferroelectric piezoelectric ceramic material such as lead zirconate titanate (PZT), and is laminated on the surface of the diaphragm 2 with a uniform thickness. The piezoelectric film 3 is formed by an aerosol deposition method, and is subjected to polarization processing so as to be polarized in the thickness direction.

この圧電膜3上において振動板2に密着されている側と逆側の面上には、複数の上部電極4が備えられている。この上部電極4は、各圧力室16の開口部16Aに対応する領域にそれぞれ設けられるとともに、駆動回路ICに接続されている。   A plurality of upper electrodes 4 are provided on the surface of the piezoelectric film 3 opposite to the side in close contact with the diaphragm 2. The upper electrode 4 is provided in a region corresponding to the opening 16A of each pressure chamber 16, and is connected to the drive circuit IC.

印刷を行う際には、駆動回路ICから所定の駆動信号が発せられると、上部電極4の電位が下部電極として使用される振動板2よりも高い電位とされ、圧電膜3の分極方向(厚み方向)に電界が印加される。すると、圧電膜3が厚み方向に膨らむとともに、面方向に収縮する。これにより、圧電膜3および振動板2(即ちアクチュエータプレート1)が、圧力室16側に凸となるように局所的に変形する(ユニモルフ変形)。このため、圧力室16の容積が低下して、インク20の圧力が上昇し、インク吐出ノズル19からインク20が噴射される。その後、上部電極4が下部電極(振動板2)と同じ電位に戻されると、圧電膜3と振動板2とが元の形状になって圧力室16の容積が元の容積に戻るので、インク20をインクタンクに連通するマニホールド流路より吸い込む。なお、振動板2は金属材料に限られることはなく、ポリイミド系の樹脂材料等で構成しても良い。この場合は、振動板2の上にスクリーン印刷などにより下部電極を形成し、この下部電極の上に圧電膜3を形成し、振動板2上に圧電膜3が下部電極を介して積層されるように構成する。   When printing, when a predetermined drive signal is issued from the drive circuit IC, the potential of the upper electrode 4 is set higher than that of the diaphragm 2 used as the lower electrode, and the polarization direction (thickness) of the piezoelectric film 3 is increased. Direction). Then, the piezoelectric film 3 expands in the thickness direction and contracts in the surface direction. Thereby, the piezoelectric film 3 and the diaphragm 2 (that is, the actuator plate 1) are locally deformed so as to protrude toward the pressure chamber 16 (unimorph deformation). For this reason, the volume of the pressure chamber 16 decreases, the pressure of the ink 20 increases, and the ink 20 is ejected from the ink discharge nozzle 19. Thereafter, when the upper electrode 4 is returned to the same potential as the lower electrode (vibrating plate 2), the piezoelectric film 3 and the vibrating plate 2 have the original shape, and the volume of the pressure chamber 16 returns to the original volume. 20 is sucked from the manifold flow path communicating with the ink tank. The diaphragm 2 is not limited to a metal material, and may be composed of a polyimide resin material or the like. In this case, a lower electrode is formed on the diaphragm 2 by screen printing or the like, a piezoelectric film 3 is formed on the lower electrode, and the piezoelectric film 3 is laminated on the diaphragm 2 via the lower electrode. Configure as follows.

次に、このように構成されたインクジェットヘッド10用のアクチュエータプレート1を製造する方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the actuator plate 1 for the ink jet head 10 configured as described above will be described.

まず、図2Aに示すように、ステンレスにより形成された振動板2を流路ユニット11における圧力室プレート15の上面に位置合わせした状態で重ねて接合し、振動板2によって各圧力室16を閉鎖する。   First, as shown in FIG. 2A, the diaphragm 2 made of stainless steel is overlapped and joined to the upper surface of the pressure chamber plate 15 in the flow path unit 11, and each pressure chamber 16 is closed by the diaphragm 2. To do.

次に、図2Bに示すように、圧電膜3をエアロゾルデポジション法(AD法)によって形成する。図3には、圧電膜3を形成するための成膜装置30の概略図を示した。この成膜装置30は、材料粒子M(セラミックス粒子)をキャリアガスに分散させてエアロゾルZを形成するエアロゾル発生器31、およびエアロゾルZを噴射ノズル37から噴出させて基板に付着させるための成膜チャンバ35を備えている。   Next, as shown in FIG. 2B, the piezoelectric film 3 is formed by an aerosol deposition method (AD method). FIG. 3 shows a schematic diagram of a film forming apparatus 30 for forming the piezoelectric film 3. The film forming apparatus 30 includes an aerosol generator 31 for forming an aerosol Z by dispersing material particles M (ceramic particles) in a carrier gas, and a film for discharging the aerosol Z from an injection nozzle 37 and attaching it to a substrate. A chamber 35 is provided.

エアロゾル発生器31には、内部に材料粒子Mを収容可能なエアロゾル室32と、このエアロゾル室32に取り付けられてエアロゾル室32を振動する加振装置33とが備えられている。エアロゾル室32には、キャリアガスを導入するためのガスボンベBが導入管34を介して接続されている。導入管34の先端はエアロゾル室32内部において底面付近に位置し、材料粒子M中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。   The aerosol generator 31 includes an aerosol chamber 32 in which the material particles M can be accommodated, and a vibration device 33 that is attached to the aerosol chamber 32 and vibrates the aerosol chamber 32. A gas cylinder B for introducing a carrier gas is connected to the aerosol chamber 32 via an introduction pipe 34. The distal end of the introduction tube 34 is located near the bottom surface in the aerosol chamber 32 and is buried in the material particles M. As the carrier gas, for example, an inert gas such as helium, argon, or nitrogen, air, oxygen, or the like can be used.

成膜チャンバ35には、圧電膜を形成する基板を取り付けるためのステージ36と、このステージ36の下方に設けられた噴射ノズル37が備えられている。噴射ノズル37は、エアロゾル供給管38を介してエアロゾル室32に接続されており、エアロゾル室32内のエアロゾルZが、エアロゾル供給管38を通って噴射ノズル37に供給されるようになっている。また、この成膜チャンバ35には、粉体回収装置39を介して真空ポンプPが接続されており、その内部を減圧できるようにされている。   The film forming chamber 35 is provided with a stage 36 for attaching a substrate on which a piezoelectric film is to be formed, and an injection nozzle 37 provided below the stage 36. The injection nozzle 37 is connected to the aerosol chamber 32 via an aerosol supply pipe 38, and the aerosol Z in the aerosol chamber 32 is supplied to the injection nozzle 37 through the aerosol supply pipe 38. In addition, a vacuum pump P is connected to the film forming chamber 35 via a powder recovery device 39 so that the inside thereof can be depressurized.

この成膜装置30を用いて圧電膜3を形成する手順について、図5を参照して説明する。まず、使用する材料粒子Mを合成する。材料粒子Mとしては、例えば圧電材料の粒子であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の粒子を使用することができる。この材料粒子Mを合成する方法は、例えば以下のようである。   A procedure for forming the piezoelectric film 3 using the film forming apparatus 30 will be described with reference to FIG. First, material particles M to be used are synthesized. As the material particles M, for example, particles of lead zirconate titanate (PZT), which are particles of a piezoelectric material, can be used. A method for synthesizing the material particles M is, for example, as follows.

酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)を原料として用い、これらの原料粉末を目的の材料粒子Mの組成に基づいて秤量する。秤量した原料粉末を、溶媒にエタノールを用いて、ボールミルで粉砕しながら混合する(混合粉生成工程 S1)。得られた混合粉を大気雰囲気中で仮焼成して、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の仮焼結体を得る(焼結体生成工程 S2)。この仮焼結体を、LiBiO2のような焼結助剤を加えつつ粉砕して、PZTの微粉末を得ることができる(粉末生成工程 S3)。この微粉末を材料粒子Mとして用いる。   Lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO2), and zirconium oxide (ZrO2) are used as raw materials, and these raw material powders are weighed based on the composition of the target material particles M. The weighed raw material powders are mixed while being pulverized with a ball mill using ethanol as a solvent (mixed powder generation step S1). The obtained mixed powder is temporarily fired in an air atmosphere to obtain a temporary sintered body of lead zirconate titanate (PZT) (sintered body generation step S2). The temporary sintered body can be pulverized while adding a sintering aid such as LiBiO2 to obtain a fine powder of PZT (powder generation step S3). This fine powder is used as material particles M.

次いで、得られた材料粒子Mを所定温度、例えば450℃〜850℃に設定された電気炉中に入れ、所定時間加熱する(加熱処理工程 S4)。これにより、材料粒子Mに含まれる結晶水、材料粒子Mの表面に付着する付着水、合成時に使用した溶媒や焼結助剤、分散剤等の添加剤に含まれる成分を予め分解、気化させて除去する。なお、加熱処理の後に、乾式のボールミル装置を用いて材料粒子Mを粉砕(乾式の粉砕工程)してもよい。これは、高純度のジルコニアあるいはアルミナからなるポットに、高純度のジルコニアあるいはアルミナからなるボールと材料粒子Mとを入れ、ポットを回転させることにより行われる。加熱された材料粒子Mは、その表面に静電気や分子間力が働き凝集する場合があるが、乾式の粉砕工程を行うことで凝集した材料粒子Mを粉砕することができる。この粉砕工程は必要に応じて行えばよい。ここで、粉砕の後に微小粉が材料粒子Mの周りに多数付着すると、後述する圧電膜形成工程において形成される圧電膜3が、これらの微小粉を含んだ状態で成膜される。このとき、微小粉は振動板2に衝突したときに衝突エネルギーを受け難く、そのため変形し難いので、圧電膜3に含まれる微小粉の周囲に空隙が生じ、圧電膜3の圧電特性の劣化の原因になることがある。したがって、粉砕工程の後に850℃程度の加熱処理をさらに行い、圧電特性を回復させることが望ましい。   Next, the obtained material particles M are placed in an electric furnace set at a predetermined temperature, for example, 450 ° C. to 850 ° C., and heated for a predetermined time (heat treatment step S4). As a result, the water contained in the material particles M, the adhering water adhering to the surface of the material particles M, and the components contained in the additives such as the solvent, sintering aid and dispersant used during the synthesis are decomposed and vaporized in advance. To remove. Note that after the heat treatment, the material particles M may be pulverized (dry pulverization step) using a dry ball mill apparatus. This is performed by putting a ball made of high-purity zirconia or alumina and material particles M into a pot made of high-purity zirconia or alumina and rotating the pot. Although the heated material particles M may be aggregated due to static electricity or intermolecular force on the surface, the aggregated material particles M can be pulverized by performing a dry pulverization step. This pulverization step may be performed as necessary. Here, when many fine powders adhere around the material particles M after pulverization, the piezoelectric film 3 formed in the piezoelectric film forming process described later is formed in a state including these fine powders. At this time, when the fine powder collides with the diaphragm 2, it is difficult to receive the collision energy, and therefore, it is difficult to deform. Therefore, a void is generated around the fine powder contained in the piezoelectric film 3, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 3 are deteriorated. It can be a cause. Therefore, it is desirable to further perform a heat treatment at about 850 ° C. after the pulverization step to restore the piezoelectric characteristics.

材料粒子Mの調製、加熱処理が終了したら、成膜を行う(圧電膜形成工程 S5)。まず、振動板2を成膜装置30のステージ36にセットする。次いで、エアロゾル室32の内部に加熱処理を施した材料粒子Mを投入する。   When the preparation of the material particles M and the heat treatment are completed, a film is formed (piezoelectric film forming step S5). First, the diaphragm 2 is set on the stage 36 of the film forming apparatus 30. Next, the material particles M subjected to the heat treatment are put into the aerosol chamber 32.

そして、ガスボンベBからキャリアガスを導入して、そのガス圧で材料粒子Mを舞い上がらせる。それととともに、加振装置33によってエアロゾル室32を振動することで、材料粒子Mとキャリアガスとを混合してエアロゾルZを発生させる。そして、成膜チャンバ35内を真空ポンプPにより減圧することにより、エアロゾル室32と成膜チャンバ35との間の差圧により、エアロゾル室32内のエアロゾルZを高速に加速しつつ噴射ノズル37から噴出させる。噴出したエアロゾルZに含まれる材料粒子Mは振動板2に衝突して堆積し、圧電膜3を形成する。   And carrier gas is introduce | transduced from the gas cylinder B, and the material particle M is made to soar by the gas pressure. At the same time, the aerosol chamber 32 is vibrated by the vibration device 33, whereby the material particles M and the carrier gas are mixed to generate the aerosol Z. Then, by depressurizing the inside of the film forming chamber 35 with the vacuum pump P, the aerosol Z in the aerosol chamber 32 is accelerated from the injection nozzle 37 while being accelerated at a high speed by the differential pressure between the aerosol chamber 32 and the film forming chamber 35. Erupt. The material particles M contained in the ejected aerosol Z collide with the diaphragm 2 and deposit to form the piezoelectric film 3.

続いて、形成した圧電膜3のアニール処理を行う(アニール処理工程 S6)。ここで、加熱処理を行っていない材料粒子Mを使用して成膜を行った場合には、充分な圧電特性を得ようとして高温(600℃以上、好ましくは850℃以上)でアニール処理を行うと、圧電膜3に含まれる成分の一部が急激にガス化して膨張することによって、膜に欠陥が発生し、膜を破壊してしまうことがある(図4A)。しかし、本実施形態では、材料粒子Mに含まれるガス化の原因となる成分を予め加熱処理工程において除去してあるので、膜の欠陥、破壊を回避することができ、ひいては、圧電特性の良好な圧電膜3を得ることができる(図4B)。
次に、図2Cに示すように、圧電膜3の上面に上部電極4、および各上部電極4に接続した複数のリード部(図示せず)を形成する(電極形成工程 S7)。上部電極4及びリード部を形成するには、例えば、圧電膜3上の全域に導体膜を形成した後、フォトリソグラフィ・エッチング法を利用して所定のパターンに形成してもよく、あるいは圧電膜3の上面に直接スクリーン印刷によりパターン形成しても良い。
Subsequently, the formed piezoelectric film 3 is annealed (annealing step S6). Here, when film formation is performed using material particles M that are not subjected to heat treatment, annealing is performed at a high temperature (600 ° C. or higher, preferably 850 ° C. or higher) in order to obtain sufficient piezoelectric characteristics. Then, a part of the components contained in the piezoelectric film 3 is abruptly gasified and expands, which may cause defects in the film and destroy the film (FIG. 4A). However, in this embodiment, since the components that cause gasification contained in the material particles M are previously removed in the heat treatment step, defects and destruction of the film can be avoided, and as a result, the piezoelectric characteristics are excellent. A piezoelectric film 3 can be obtained (FIG. 4B).
Next, as shown in FIG. 2C, the upper electrode 4 and a plurality of lead portions (not shown) connected to the upper electrodes 4 are formed on the upper surface of the piezoelectric film 3 (electrode formation step S7). In order to form the upper electrode 4 and the lead portion, for example, a conductor film may be formed over the entire area of the piezoelectric film 3 and then formed into a predetermined pattern using a photolithography etching method. Alternatively, the piezoelectric film may be formed. A pattern may be formed directly on the upper surface of 3 by screen printing.

この後、上部電極4−下部電極(振動板2)間に通常のインク噴射動作時よりも強い電界を印加して、両電極間の圧電膜3を厚み方向に分極する(分極処理工程 S8)。以上によりアクチュエータプレート1が完成する。   Thereafter, an electric field stronger than that in the normal ink ejection operation is applied between the upper electrode 4 and the lower electrode (diaphragm 2) to polarize the piezoelectric film 3 between both electrodes in the thickness direction (polarization process step S8). . Thus, the actuator plate 1 is completed.

以上のように本実施形態によれば、材料粒子Mを合成した後、成膜を行う前に、この材料粒子Mの加熱処理を行う。これにより、後のアニール工程においてガス化の原因となる水分や添加物を予め気化させて除去し、アニール工程における圧電膜3の欠陥、破壊を回避することができる。これにより、良好な圧電特性を備えたインクジェットヘッド10用のアクチュエータプレート1を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, after the material particles M are synthesized, the material particles M are subjected to heat treatment before film formation. Thus, moisture and additives that cause gasification in the subsequent annealing process can be vaporized and removed in advance, and defects and destruction of the piezoelectric film 3 in the annealing process can be avoided. Thereby, it is possible to provide the actuator plate 1 for the ink jet head 10 having good piezoelectric characteristics.

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
[材料粒子への加熱処理の有無が膜に与える影響を調べる実施例群]
<実施例1−1>
1.膜の形成
1)セラミックス粒子の調製
原材料であるα−アルミナ(昭和電工社から入手)をボールミルにて粉砕して平均粒子径約1μmで図10に示すような粒度分布を有する、α−アルミナの微粉末を得た。粒度分布は、乾式粒度分布測定装置(日本レーザ製 HELOS&RODOS)を用いて測定した。この微粉末をマッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、炉内を1時間かけて600℃まで昇温した。600℃で1時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。図10に、加熱処理後のα−アルミナの粒度分布も併せて示す。
2)成膜
基板としてはステンレス(SUS430)板を用い、材料粒子としては1)で調製したアルミナ粉末を用いた。基板上に、ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバ内圧力400Pa、エアロゾル室内圧力30000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は6.0リットル/min、ノズル−基板間距離10〜20mmとして、エアロゾルの吹き付けを行い、絶縁膜を形成した。膜の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね3μmであった。
3)アニール処理
続いて形成した絶縁膜のアニール処理を行った。マッフル炉を850℃まで昇温し、内部に膜を形成した基板を入れ、850℃で10分間保持した。この後、基板を炉から取り出し、自然冷却により室温まで冷却した。
2.試験
絶縁膜上に2mm角の上部電極をAuターゲットを用いたスパッタリングにより形成した。基板を下部電極として用いて50Vの電圧を印加し、体積抵抗率を測定した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[Examples for investigating the effect of heat treatment on material particles on film]
<Example 1-1>
1. Formation of Film 1) Preparation of Ceramic Particles α-alumina (obtained from Showa Denko), which is a raw material, is pulverized by a ball mill and has an average particle size of about 1 μm and a particle size distribution as shown in FIG. A fine powder was obtained. The particle size distribution was measured using a dry particle size distribution measuring apparatus (HELOS & RODOS manufactured by Nippon Laser). This fine powder was put into a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.), and the temperature in the furnace was raised to 600 ° C. over 1 hour. After maintaining at 600 ° C. for 1 hour, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. FIG. 10 also shows the particle size distribution of α-alumina after the heat treatment.
2) Film formation A stainless steel (SUS430) plate was used as the substrate, and alumina powder prepared in 1) was used as the material particles. On the substrate, the nozzle opening 0.4 mm × 10 mm, the deposition chamber pressure 400 Pa, the aerosol chamber pressure 30000 Pa, the carrier gas type He, the gas flow rate is 6.0 liter / min, and the nozzle-substrate distance is 10-20 mm. Was sprayed to form an insulating film. The thickness of the film was approximately 3 μm as measured by a step using a surface roughness meter.
3) Annealing treatment Subsequently, the formed insulating film was annealed. The temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C., the substrate on which a film was formed was placed, and the substrate was held at 850 ° C. for 10 minutes. Thereafter, the substrate was taken out of the furnace and cooled to room temperature by natural cooling.
2. Test A 2 mm square upper electrode was formed on the insulating film by sputtering using an Au target. A voltage of 50 V was applied using the substrate as the lower electrode, and the volume resistivity was measured.

<実施例1−2>
絶縁膜の成膜厚さを1μmとした他は、実施例1−1と同様にしてα−アルミナ粒子を調製し、膜を成膜し、試験を行った。
<Example 1-2>
Except that the thickness of the insulating film was 1 μm, α-alumina particles were prepared in the same manner as in Example 1-1, a film was formed, and the test was performed.

<比較例1−1>
アルミナ粉末に加熱処理を施さなかった他は、実施例1−1と同様にしてα−アルミナ粒子を調製し、絶縁膜を成膜し、試験を行った。
<Comparative Example 1-1>
Except that the alumina powder was not heat-treated, α-alumina particles were prepared in the same manner as in Example 1-1, an insulating film was formed, and the test was performed.

<比較例1−2>
アルミナ粉末に加熱処理を施さなかった他は、実施例1−2と同様にしてα−アルミナ粒子を調製し、絶縁膜を成膜し、試験を行った。
<Comparative Example 1-2>
Except that the alumina powder was not heat-treated, α-alumina particles were prepared in the same manner as in Example 1-2, an insulating film was formed, and the test was performed.

[測定結果]
実施例1−1、1−2および比較例1−1、1−2についての実験結果を表1に示す。
[Measurement result]
Table 1 shows the experimental results for Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Examples 1-1 and 1-2.


表1より、アルミナ粉末に加熱処理を施さなかった場合には、体積抵抗率が大きく低下しており、絶縁性が低下していることがわかった。このことは、絶縁膜に含まれる成分がガス化してこの絶縁膜に欠陥が発生したことを示していると考えられる。一方、アルミナ粉末に加熱処理を施した場合には、体積抵抗率が大きく、絶縁性が維持されていることがわかった。

From Table 1, it was found that when the alumina powder was not subjected to heat treatment, the volume resistivity was greatly reduced and the insulating property was lowered. This is considered to indicate that a component contained in the insulating film is gasified to cause a defect in the insulating film. On the other hand, it was found that when the alumina powder was heat-treated, the volume resistivity was large and the insulation was maintained.

このことから、成膜前の材料粒子に予め加熱処理を施すことにより、絶縁膜に含まれる成分がアニール処理時にガス化してこの絶縁膜に欠陥、破壊が発生することを回避し、絶縁性を確保することができるといえる。
[材料粒子への加熱温度が膜に与える影響を調べる実施例群]
<実施例2−1>
実施例1−1と同様に粉砕処理したα−アルミナの微粉末を、マッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、90分かけて150℃まで昇温した。150℃で300分間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の微粉末を材料粒子として用いて、実施例1−1と同様にして絶縁膜を形成し、試験を行った。ただし、アニール処理においては、マッフル炉を850℃まで昇温し、内部に膜を形成した基板を入れ、850℃で30分間保持した。
Therefore, by subjecting the material particles before film formation to heat treatment in advance, it is possible to avoid the components contained in the insulating film from being gasified during the annealing process and causing the insulating film to be defective and broken. It can be said that it can be secured.
[Examples for examining the effect of heating temperature on material particles on film]
<Example 2-1>
The fine powder of α-alumina pulverized in the same manner as in Example 1-1 was placed in a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.) and heated to 150 ° C. over 90 minutes. After holding at 150 ° C. for 300 minutes, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated fine powder as material particles, an insulating film was formed and tested in the same manner as in Example 1-1. However, in the annealing treatment, the temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C., the substrate on which the film was formed was placed, and the substrate was held at 850 ° C. for 30 minutes.

<実施例2−2>
実施例1−1と同様に粉砕処理したα−アルミナの微粉末をマッフル炉に入れ、120分かけて450℃に昇温した。450℃で60分間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例1−1と同様にして絶縁膜を形成し、試験を行った。ただし、アニール処理においては、マッフル炉を850℃まで昇温し、内部に膜を形成した基板を入れ、850℃で30分間保持した。
<Example 2-2>
The α-alumina fine powder pulverized in the same manner as in Example 1-1 was placed in a muffle furnace and heated to 450 ° C. over 120 minutes. After maintaining at 450 ° C. for 60 minutes, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, an insulating film was formed and tested in the same manner as in Example 1-1. However, in the annealing treatment, the temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C., the substrate on which the film was formed was placed, and the substrate was held at 850 ° C. for 30 minutes.

<実施例2−3>
実施例1−1と同様に粉砕処理したα−アルミナの微粉末をマッフル炉に入れ、120分かけて600℃に昇温した。600℃で60分間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例2−2と同様にして絶縁膜を形成し、試験を行った。
<Example 2-3>
The fine powder of α-alumina pulverized in the same manner as in Example 1-1 was placed in a muffle furnace and heated to 600 ° C. over 120 minutes. After holding at 600 ° C. for 60 minutes, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, an insulating film was formed and tested in the same manner as in Example 2-2.

<実施例2−4>
実施例1−1と同様に粉砕処理したα−アルミナの微粉末をマッフル炉に入れ、120分かけて850℃に昇温した。850℃で60分間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例2−2と同様にして絶縁膜を形成し、試験を行った。ただし、成膜の厚さは2μmとした。
<Example 2-4>
The α-alumina fine powder pulverized in the same manner as in Example 1-1 was placed in a muffle furnace and heated to 850 ° C. over 120 minutes. After holding at 850 ° C. for 60 minutes, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, an insulating film was formed and tested in the same manner as in Example 2-2. However, the film thickness was 2 μm.

[測定結果]
実施例2−1〜2−4についての測定結果を表2に示す。
[Measurement result]
The measurement results for Examples 2-1 to 2-4 are shown in Table 2.

表2より、アルミナ粉末の加熱温度が150℃である場合(実施例2−1)では、体積抵抗率が大きく低下し、絶縁性が低下していることがわかった。これは、この温度ではアルミナ粉末の表面に付着した物理的吸着水が除去されるのみで、添加物や結晶水は除去されないため、これらの残留している成分がアニール処理時にガス化して絶縁膜に欠陥を生じさせたことによるものと考えられる。 From Table 2, it was found that when the heating temperature of the alumina powder was 150 ° C. (Example 2-1), the volume resistivity was greatly reduced and the insulating property was lowered. This is because at this temperature, only the physically adsorbed water adhering to the surface of the alumina powder is removed, and the additive and crystal water are not removed. This is thought to be due to the occurrence of defects.

アルミナ粉末の加熱温度が450℃である場合(実施例2−2)には、体積抵抗率がやや大きくなり、絶縁性がある程度保たれていることがわかった。この温度では、物理的吸着水に加えて、アルミナ粉末に含まれる分散剤や焼結助剤等の添加物も分解・除去されるため、アニール時における欠陥の発生の程度が小さくなったものと考えられる。さらに、アルミナ粉末の加熱温度が600℃である場合(実施例2−3)では、さらに体積抵抗率が大きくなり、良好な絶縁性が確保されていた。この温度では、アルミナ粉末に含まれる結晶水などの化学吸着水も除去されるため、アニール時において膜の欠陥がほとんど生じなかったものと考えられる。   It was found that when the heating temperature of the alumina powder was 450 ° C. (Example 2-2), the volume resistivity was slightly increased, and the insulation was maintained to some extent. At this temperature, in addition to physically adsorbed water, additives such as dispersants and sintering aids contained in the alumina powder are also decomposed and removed, so the degree of occurrence of defects during annealing is reduced. Conceivable. Furthermore, when the heating temperature of the alumina powder was 600 ° C. (Example 2-3), the volume resistivity was further increased, and good insulation was ensured. At this temperature, chemically adsorbed water such as crystal water contained in the alumina powder is also removed, so that it is considered that almost no film defects occurred during annealing.

さらにアルミナ粉末の加熱温度を高くし、850℃とした場合(実施例2−4)では、高い体積抵抗率を示したものの、加熱温度600℃の場合と比べるとやや低下していた。この理由は以下のように考えられる。すなわち、800℃程度の高温で加熱すると、粒子間に存在した水分が完全になくなり、粒子同士が直接に固着することで大粒となる。この大粒の粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付けると、粒子の重量が大きいために、後から付着してくる粒子が先に基板表面に堆積している粒子にダメージを与えたり、基板に衝突した際に互いに凝集していた粒子が分離するために衝突エネルギーの一部が消費されたりするために、粒子の基板への付着性が低下する。このために、膜の絶縁性が悪化する。   Further, when the heating temperature of the alumina powder was increased to 850 ° C. (Example 2-4), although high volume resistivity was shown, it was slightly lower than that at the heating temperature of 600 ° C. The reason is considered as follows. That is, when heated at a high temperature of about 800 ° C., moisture existing between the particles is completely eliminated, and the particles are directly fixed to become large particles. When aerosol containing these large particles is sprayed onto the substrate, the weight of the particles is so great that the particles adhering later damage the particles previously deposited on the substrate surface or collide with the substrate. In other words, a part of the collision energy is consumed because the particles aggregated with each other are separated, and the adhesion of the particles to the substrate is lowered. For this reason, the insulation of a film | membrane deteriorates.

以上のように、粒子の表面に付着する水分だけでなく、分散剤や焼結助剤等の添加物、および結晶水等の化学吸着水を取り除いた方が、欠陥発生を抑制して優れた特性をもつ膜を得ることができることが分かった。
[圧電材料粒子への加熱処理の有無が圧電膜に与える影響を調べる実施例及び比較例]
<実施例3−1>
1.圧電膜の形成
1)圧電材料粒子の調製
原材料であるPZT(堺化学工業から入手)をボールミルにて粉砕して、平均粒子径約1μmで図11に示すような粒度分布を有するPZTの微粉末を得た。粒度分布は、乾式粒度分布測定装置(日本レーザ製 HELOS&RODOS)を用いて測定した。この微粉末をマッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、炉内を400℃/1hで800℃まで昇温した。800℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。800℃で加熱した後の粒度分布並びに他の加熱温度で加熱した場合の粒度分布についても併せて図11に示す。
2)成膜
基板としてはステンレスSUS430板を用い、その上にアルミナの絶縁層をAD法により形成し、さらにその上にTi/Pt下部電極層をスパッタ法により形成し、その上に1)で調製したPZT粉末を用いてAD法により圧電膜を形成した。AD法によるPZT圧電膜の成膜条件は、ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバ内圧力300Pa、エアロゾル室内圧力40000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は4.0リットル/min、ノズル−基板間距離10〜30mmとして、エアロゾルの吹き付けを行い、絶縁膜を形成した。膜の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね8μmであった。
3)アニール処理
続いてPZT圧電膜のアニール処理を行った。マッフル炉を400℃/1hで850℃まで昇温し、内部に圧電膜を形成した基板を入れ、850℃で30分間保持した。この後、炉内を自然冷却により冷却した。
2.試験
上記のようにしてPZT圧電膜が形成された基板を10枚用意し、10枚についてヒューレットパッカード社製インピーダンスアナライザーHP−4194Aにより比誘電率、及び誘電損失を測定した。
As described above, not only moisture adhering to the surface of the particles, but also additives such as dispersants and sintering aids, and chemically adsorbed water such as crystallization water were better removed and defects were suppressed. It was found that a film having characteristics can be obtained.
[Examples and comparative examples for investigating the influence of piezoelectric material particles on the piezoelectric film due to heat treatment]
<Example 3-1>
1. Formation of Piezoelectric Film 1) Preparation of Piezoelectric Material Particles PZT (obtained from Sakai Chemical Industry), which is a raw material, is pulverized by a ball mill, and a fine powder of PZT having an average particle diameter of about 1 μm and a particle size distribution as shown in FIG. Got. The particle size distribution was measured using a dry particle size distribution measuring apparatus (HELOS & RODOS manufactured by Nippon Laser). This fine powder was put into a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.), and the temperature in the furnace was increased to 800 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 800 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. The particle size distribution after heating at 800 ° C. and the particle size distribution when heated at other heating temperatures are also shown in FIG.
2) Film formation A stainless SUS430 plate is used as a substrate, an alumina insulating layer is formed thereon by AD method, and a Ti / Pt lower electrode layer is formed thereon by sputtering method, and then 1) is formed thereon. A piezoelectric film was formed by the AD method using the prepared PZT powder. The film forming conditions of the PZT piezoelectric film by the AD method are: nozzle opening 0.4 mm × 10 mm, film forming chamber pressure 300 Pa, aerosol chamber pressure 40000 Pa, carrier gas type He, gas flow rate 4.0 liter / min, nozzle-substrate Aerosol was sprayed at a distance of 10 to 30 mm to form an insulating film. The thickness of the film was approximately 8 μm as measured by a step using a surface roughness meter.
3) Annealing treatment Subsequently, an annealing treatment of the PZT piezoelectric film was performed. The temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C. at 400 ° C./1 h, the substrate on which the piezoelectric film was formed was put, and held at 850 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the inside of the furnace was cooled by natural cooling.
2. Test Ten substrates on which PZT piezoelectric films were formed as described above were prepared, and the dielectric constant and dielectric loss were measured for ten substrates using an impedance analyzer HP-4194A manufactured by Hewlett-Packard.

<比較例3−1>
PZT圧電材料粒子の調整において、PZT粉末を加熱処理しなかった他は、実施例3−1と同様にしてPZT圧電膜を形成し、試験を行った。
<Comparative Example 3-1>
In the adjustment of the PZT piezoelectric material particles, a PZT piezoelectric film was formed and tested in the same manner as in Example 3-1, except that the PZT powder was not heat-treated.

[測定結果]
実施例3−1、および比較例3−1で測定した比誘電率、および誘電損失の平均値を表3に示す。
[Measurement result]
Table 3 shows the relative dielectric constants measured in Example 3-1 and Comparative Example 3-1, and the average value of dielectric loss.


表3より、PZT粉末を加熱処理した場合、加熱処理しなかった場合よりも比誘電率の平均値が高くなっており、誘電損失の平均値は低くなっている。

From Table 3, when the PZT powder was heat-treated, the average value of the relative dielectric constant was higher than when the PZT powder was not heat-treated, and the average value of the dielectric loss was low.

このことから、PZT粉末を加熱処理した方が、加熱処理しない場合よりも良好な強誘電特性が得られることがわかる。
[圧電材料粒子への加熱温度が圧電膜に与える影響を調べる実施例群]
<実施例4−1>
1.圧電膜の形成
1)圧電材料粒子の調製
原材料であるPZT(堺化学工業社から入手)をボールミルにて粉砕して、平均粒子径約1μmで、図11に示すような粒度分布を有するPZTの微粉末を得た。この微粉末をマッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、炉内を400℃/1hで500℃まで昇温した。500℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。500℃で加熱した後の粒度分布並びに他の温度で加熱した場合の粒度分布についても併せて図11に示す。なお粒度分布は、乾式粒度分布測定装置(日本レーザ製 HELOS&RODOS)を用いて測定した。
2)成膜
基板としてはガラス板を用い、材料粒子としては1)で調製したPZT粉末を用いた。基板上に、ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバ内圧力300Pa、エアロゾル室内圧力40000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は4.0リットル/min、ノズル−基板間距離10〜30mmとして、エアロゾルの吹き付けを行い、圧電膜を形成した。膜の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね2〜3μmであった。
3)アニール処理
続いてPZT圧電膜のアニール処理を行った。マッフル炉を400℃/1hで850℃まで昇温し、内部に圧電膜を形成した基板を入れ、850℃で30分間保持した。この後、炉内を自然冷却により冷却した。
2.圧電膜断面の観察
上記のようにしてPZT圧電膜が形成された基板を厚み方向に切断し、その断面をFE−SEM:電界放出形操作電子顕微鏡によって撮影して観察した。
From this, it can be seen that better ferroelectric properties can be obtained when the PZT powder is heat-treated than when it is not heat-treated.
[Examples for examining the effect of heating temperature on piezoelectric material particles on piezoelectric film]
<Example 4-1>
1. Formation of Piezoelectric Film 1) Preparation of Piezoelectric Material Particles PZT (obtained from Sakai Chemical Industry Co., Ltd.), a raw material, is pulverized with a ball mill, and an average particle diameter of about 1 μm and PZT having a particle size distribution as shown in FIG. A fine powder was obtained. This fine powder was put into a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.), and the temperature in the furnace was increased to 500 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 500 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. The particle size distribution after heating at 500 ° C. and the particle size distribution when heated at other temperatures are also shown in FIG. The particle size distribution was measured using a dry particle size distribution measuring device (HELOS & RODOS manufactured by Nippon Laser).
2) Film formation A glass plate was used as the substrate, and the PZT powder prepared in 1) was used as the material particles. On the substrate, the nozzle opening is 0.4 mm × 10 mm, the deposition chamber pressure is 300 Pa, the aerosol chamber pressure is 40000 Pa, the carrier gas type He, the gas flow rate is 4.0 liters / min, and the nozzle-substrate distance is 10 to 30 mm. Was applied to form a piezoelectric film. The thickness of the film was approximately 2 to 3 μm as measured by a step using a surface roughness meter.
3) Annealing treatment Subsequently, an annealing treatment of the PZT piezoelectric film was performed. The temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C. at 400 ° C./1 h, the substrate on which the piezoelectric film was formed was put, and held at 850 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the inside of the furnace was cooled by natural cooling.
2. Observation of Piezoelectric Film Cross Section The substrate on which the PZT piezoelectric film was formed as described above was cut in the thickness direction, and the cross section was photographed and observed with a FE-SEM: field emission type operation electron microscope.

<実施例4−2>
PZT圧電材料粒子の調整において、マッフル炉を700℃まで昇温し、700℃で3時間保持した他は、実施例4−1と同様にしてPZT圧電膜を形成し、圧電膜の断面を観察した。
<Example 4-2>
In adjusting the PZT piezoelectric material particles, the PZT piezoelectric film was formed in the same manner as in Example 4-1, except that the muffle furnace was heated to 700 ° C. and held at 700 ° C. for 3 hours, and the cross section of the piezoelectric film was observed. did.

[観察結果]
実施例4−1、および4−2における圧電膜状態を、図6Aおよび図6Bに示す。下段のガラス板上にPZT圧電膜が形成されている様子を表している。
[Observation results]
The piezoelectric film states in Examples 4-1 and 4-2 are shown in FIGS. 6A and 6B. It shows a state in which a PZT piezoelectric film is formed on the lower glass plate.

図6Aおよび図6Bより、700℃で加熱処理した場合は、500℃で加熱処理した場合よりも、圧電膜に生じる空隙が少ないことがわかる。   6A and 6B, it can be seen that when heat treatment is performed at 700 ° C., fewer voids are generated in the piezoelectric film than when heat treatment is performed at 500 ° C.

これは、500℃で加熱処理した時点では蒸発しなかった粉末樹脂が、700℃で加熱処理することによって蒸発したためと考えられる。なお、700℃において生じている空隙は、化学吸着水によるものと考えられる。
[圧電材料粒子への加熱処理と結晶化の関係を調べる実施例群]
<実施例5−1>
1.圧電材料粒子の調製
原材料であるPZT(堺化学工業社より入手)をボールミルにて粉砕して、平均粒子径約1μmで、図11に示すような粒度分布を有するPZTの微粉末を得た。この微粉末をマッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、炉内を400℃/1hで600℃まで昇温した。600℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。
2.X線回折測定
1で加熱処理したPZT微粉末について、リガク社製 RINT2000によりX線回折測定を行った。測定条件は、Goniometer:RINT2000 縦型ゴニオメータ、Attachment:薄膜,標準用多目的試料台、Monochromater:固定モノクロメータ、ScanningMode:2Theta/Theta、ScanningType:Continuos Scanning、X-Ray:Cu励起源 40kV/40mA、発散スリット:1°、発散縦制限スリット:10mm、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、モノクロ受光スリット:0.6mmであった。
This is presumably because the powder resin that did not evaporate at the time of heat treatment at 500 ° C. was evaporated by heat treatment at 700 ° C. In addition, it is thought that the space | gap which has arisen in 700 degreeC is based on chemical adsorption water.
[Examples for investigating the relationship between heat treatment and crystallization of piezoelectric material particles]
<Example 5-1>
1. Preparation of Piezoelectric Material Particles PZT (obtained from Sakai Chemical Industry Co., Ltd.) as a raw material was pulverized with a ball mill to obtain PZT fine powder having an average particle diameter of about 1 μm and a particle size distribution as shown in FIG. This fine powder was put into a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.), and the temperature in the furnace was increased to 600 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 600 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out.
2. X-ray diffraction measurement The PZT fine powder heat-treated in 1 was subjected to X-ray diffraction measurement by RINT2000 manufactured by Rigaku Corporation. Measurement conditions: Goniometer: RINT2000 vertical goniometer, Attachment: thin film, standard multipurpose sample stand, Monochromator: fixed monochromator, ScanningMode: 2Theta / Theta, ScanningType: Continuos Scanning, X-Ray: Cu excitation source 40kV / 40mA, divergence Slit: 1 °, divergence length limiting slit: 10 mm, scattering slit: 1 °, light receiving slit: 0.15 mm, monochrome light receiving slit: 0.6 mm.

<実施例5−2>
PZT圧電材料粒子の調整において、マッフル炉を800℃まで昇温し、800℃で3時間保持した他は、実施例5−1と同様にしてPZT圧電材料粒子を調製し、X線回折測定を行った。
<Example 5-2>
PZT piezoelectric material particles were prepared in the same manner as in Example 5-1, except that the muffle furnace was heated to 800 ° C. and maintained at 800 ° C. for 3 hours in the adjustment of the PZT piezoelectric material particles. went.

<比較例5−1>
PZT圧電材料粒子の調整において、PZT粉末を加熱処理しなかった他は、実施例5−1と同様にしてPZT圧電材料粒子を調製し、X線回折測定を行った。
<Comparative Example 5-1>
PZT piezoelectric material particles were prepared in the same manner as in Example 5-1, except that the PZT powder was not heat-treated in the adjustment of the PZT piezoelectric material particles, and X-ray diffraction measurement was performed.

[測定結果]
実施例5−1、5−2、および比較例5−1におけるX線回折測定値の変化を図7のグラフに示す。
[Measurement result]
The change in the X-ray diffraction measurement values in Examples 5-1 and 5-2 and Comparative Example 5-1 is shown in the graph of FIG.

図7のグラフにおいて実施例5−1、5−2、および比較例5−1における半値幅(ピークを持つ波形の幅)はそれぞれ、0.5°、0.45°、および0.6°であった。またピークは、比較例5−1、実施例5−1、実施例5−2の順で高くなった。   In the graph of FIG. 7, the half-value widths (widths of waveforms having peaks) in Examples 5-1 and 5-2 and Comparative Example 5-1 are 0.5 °, 0.45 °, and 0.6 °, respectively. Met. Moreover, the peak became high in order of Comparative Example 5-1, Example 5-1, and Example 5-2.

一般に、ピークが上昇し、半値幅が小さくなるに従い、結晶化が進んでいるといえるので、加熱処理をした方が加熱処理をしない場合よりも結晶化が進んでおり、600℃で加熱処理した場合と800℃で加熱処理した場合とで比較した場合、800℃で加熱処理した方が、600℃で加熱処理した場合よりも結晶化が進んでいるといえる。つまり、加熱処理をした方が、加熱処理をしない場合よりも結晶水の含有量が少ないため、高温でアニール処理を行ったとしても、ガス発生量をより少なく抑えることができ、膜の破壊の防止につながる。
[圧電材料粒子への加熱処理と熱重量の変化を調べる実施例]
<実施例6>
PZT粉末165.750mgについて、示差熱天秤測定装置(リガク製 TG−8120)を用い、雰囲気は空気200ml/min、室温25℃から10℃/minで昇温し、サンプリング時間1sという条件で、熱重量(TG)、および示差熱(DTA)を測定した。
In general, it can be said that crystallization progresses as the peak rises and the half-value width decreases. Therefore, crystallization progresses more when heat treatment is performed than when heat treatment is not performed, and heat treatment is performed at 600 ° C. When compared with the case of heat treatment at 800 ° C., it can be said that the heat treatment at 800 ° C. is more advanced than the case of heat treatment at 600 ° C. In other words, the amount of water of crystallization is lower when heat treatment is performed than when heat treatment is not performed, so even if annealing is performed at a high temperature, the amount of gas generated can be reduced and the film can be destroyed. Leads to prevention.
[Example of examining heat treatment and thermogravimetric change of piezoelectric material particles]
<Example 6>
A PZT powder of 165.750 mg was measured using a differential thermobalance measuring device (TG-8120, manufactured by Rigaku). The atmosphere was heated at 200 ml / min air, room temperature from 25 ° C. to 10 ° C./min, and the sampling time was 1 s. Weight (TG) and differential heat (DTA) were measured.

[測定結果]
熱重量および示差熱の測定結果を図8のグラフに示す。
[Measurement result]
The measurement results of thermogravimetry and differential heat are shown in the graph of FIG.

図8のグラフより、熱重量測定による180℃における重量減少率は0.08%であり、0.15%以下となっている。また、600℃においては0.113%、900℃においては0.116%であり、これらはそれぞれ、0.18%、0.2%以下となっている。
[圧電材料粒子への加熱処理と電気特性の関係を調べる実施例]
<実施例7−1>
1.圧電膜の形成
1)圧電材料粒子の調製
原材料であるPZT(堺化学工業から入手)をボールミルにて粉砕して、平均粒子径約1μmで図11に示すような粒度分布を有するPZTの微粉末を得た。粒度分布は、乾式粒度分布測定装置(日本レーザ製 HELOS&RODOS)を用いて測定した。この微粉末をマッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)に入れ、炉内を400℃/1hで600℃まで昇温した。600℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。
2)成膜
基板としてはアルミナ基板を用い、その上に1)で調製したPZT粉末を用いてAD法により圧電膜を形成し、その上にスパッタ法によりTi/Pt電極層を形成した。AD法によるPZT圧電膜の成膜条件は、ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバ内圧力300Pa、エアロゾル室内圧力40000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は4.0リットル/min、ノズル−基板間距離10〜30mmとして、エアロゾルの吹き付けを行い、絶縁膜を形成した。膜の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね8μmであった。
3)アニール処理
続いてPZT圧電膜のアニール処理を行った。マッフル炉を400℃/1hで850℃まで昇温し、内部に圧電膜を形成した基板を入れ、850℃で30分間保持した。この後、炉内を自然冷却により冷却した。
2.試験
上記のようにしてPZT圧電膜とTi/Pt電極が形成された基板に対し、Auコーターにて125μm×200μmの上部電極を形成し、比誘電率、及び静電容量を測定した。比誘電率、及び静電容量は両者ともヒューレットパッカード社製 インピーダンスアナライザー HP−4194Aにより測定した。
From the graph of FIG. 8, the weight reduction rate at 180 ° C. by thermogravimetry is 0.08%, which is 0.15% or less. Further, it is 0.113% at 600 ° C. and 0.116% at 900 ° C., which are 0.18% and 0.2% or less, respectively.
[Example of examining the relationship between heat treatment of piezoelectric material particles and electrical characteristics]
<Example 7-1>
1. Formation of Piezoelectric Film 1) Preparation of Piezoelectric Material Particles PZT (obtained from Sakai Chemical Industry), which is a raw material, is pulverized by a ball mill, and a fine powder of PZT having an average particle diameter of about 1 μm and a particle size distribution as shown in FIG. Got. The particle size distribution was measured using a dry particle size distribution measuring apparatus (HELOS & RODOS manufactured by Nippon Laser). This fine powder was put into a muffle furnace (FP100 manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.), and the temperature in the furnace was increased to 600 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 600 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out.
2) Film formation An alumina substrate was used as a substrate, and a piezoelectric film was formed thereon by the AD method using the PZT powder prepared in 1), and a Ti / Pt electrode layer was formed thereon by a sputtering method. The film forming conditions of the PZT piezoelectric film by the AD method are: nozzle opening 0.4 mm × 10 mm, film forming chamber pressure 300 Pa, aerosol chamber pressure 40000 Pa, carrier gas type He, gas flow rate 4.0 liter / min, nozzle-substrate Aerosol was sprayed at a distance of 10 to 30 mm to form an insulating film. The thickness of the film was approximately 8 μm as measured by a step using a surface roughness meter.
3) Annealing treatment Subsequently, an annealing treatment of the PZT piezoelectric film was performed. The temperature of the muffle furnace was raised to 850 ° C. at 400 ° C./1 h, the substrate on which the piezoelectric film was formed was put, and held at 850 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the inside of the furnace was cooled by natural cooling.
2. Test On the substrate on which the PZT piezoelectric film and the Ti / Pt electrode were formed as described above, an upper electrode of 125 μm × 200 μm was formed with an Au coater, and the relative dielectric constant and capacitance were measured. Both the dielectric constant and the capacitance were measured with an impedance analyzer HP-4194A manufactured by Hewlett-Packard Company.

<実施例7−2>
実施例7−1と同様に粉砕処理したPZTの微粉末をマッフル炉に入れ、炉内を400℃/1hで700℃まで昇温した。700℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例7−1と同様にしてアルミナ基板上にPZT圧電膜とTi/Pt電極を形成し、アニール処理をした後、試験を行った。
<Example 7-2>
PZT fine powder pulverized in the same manner as in Example 7-1 was placed in a muffle furnace, and the temperature in the furnace was increased to 700 ° C. at 400 ° C./1 h. After maintaining at 700 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, a PZT piezoelectric film and a Ti / Pt electrode were formed on an alumina substrate in the same manner as in Example 7-1, annealed, and then tested.

<実施例7−3>
実施例7−1と同様に粉砕処理したPZTの微粉末をマッフル炉に入れ、炉内を400℃/1hで800℃まで昇温した。800℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例7−1と同様にしてアルミナ基板上にPZT圧電膜とTi/Pt電極を形成し、アニール処理をした後、試験を行った。
<Example 7-3>
PZT fine powder pulverized in the same manner as in Example 7-1 was placed in a muffle furnace, and the temperature in the furnace was increased to 800 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 800 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, a PZT piezoelectric film and a Ti / Pt electrode were formed on an alumina substrate in the same manner as in Example 7-1, annealed, and then tested.

<実施例7−4>
実施例7−1と同様に粉砕処理したPZTの微粉末をマッフル炉に入れ、炉内を400℃/1hで900℃まで昇温した。900℃で3時間保持した後、炉内を自然冷却により冷却し、微粉末を取り出した。処理後の粒子を用いて、実施例7−1と同様にしてアルミナ基板上にPZT圧電膜とTi/Pt電極を形成し、アニール処理をした後、試験を行った。
<Example 7-4>
PZT fine powder pulverized in the same manner as in Example 7-1 was placed in a muffle furnace, and the temperature in the furnace was increased to 900 ° C. at 400 ° C./1 h. After holding at 900 ° C. for 3 hours, the inside of the furnace was cooled by natural cooling, and the fine powder was taken out. Using the treated particles, a PZT piezoelectric film and a Ti / Pt electrode were formed on an alumina substrate in the same manner as in Example 7-1, annealed, and then tested.

[測定結果]
実施例7−1〜7−4について、電圧に対する静電容量である角型比を、比誘電率とともに図12に示す。
[Measurement result]
About Example 7-1 to 7-4, the squareness ratio which is the electrostatic capacitance with respect to a voltage is shown in FIG. 12 with a dielectric constant.

図12より、粉末のアニール温度が上昇するにつれ残留分極に対する分極方向が変化するときの印加電圧の比である角型比が大きくなり、強誘電体特性が上昇していることが分かる。これは800℃付近で最大となる。それ以上の温度では、成膜に適する粒子の範囲を超えてしまい膜の密度が低下することから、逆に角型比が悪くなるので、強誘電体特性が低下するということがわかる。
インクジェットヘッドの製造方法
以上説明してきた本発明の圧電膜を用いて、インクジェットヘッドを製造する方法について、図1、図2および図9を用いて簡単に説明する。
From FIG. 12, it can be seen that as the annealing temperature of the powder increases, the squareness ratio, which is the ratio of the applied voltage when the polarization direction changes with respect to the remanent polarization, increases, and the ferroelectric characteristics increase. This is the maximum around 800 ° C. If the temperature is higher than this, the range of particles suitable for film formation is exceeded, and the density of the film is reduced. On the other hand, the squareness ratio is deteriorated, so that the ferroelectric characteristics are deteriorated.
Manufacturing Method of Inkjet Head A method of manufacturing an inkjet head using the piezoelectric film of the present invention described above will be briefly described with reference to FIGS.

最初に、図1を用いて上述したような構造を有するノズルプレート12、マニホールドプレート13、流路プレート14、圧力室プレート15、振動板2を製造する(S11)。   First, the nozzle plate 12, the manifold plate 13, the flow path plate 14, the pressure chamber plate 15, and the vibration plate 2 having the structure described above with reference to FIG. 1 are manufactured (S11).

次に、図1に示したように、前記ノズルプレート12の上面に前記マニホールドプレート13を接合し、マニホールドプレート13の上面に前記流路プレート14を接合する(S12)。これらは互いに、エポキシ系の熱硬化性接着剤によって接合される。   Next, as shown in FIG. 1, the manifold plate 13 is joined to the upper surface of the nozzle plate 12, and the flow path plate 14 is joined to the upper surface of the manifold plate 13 (S12). These are joined together by an epoxy-based thermosetting adhesive.

次に、図2に示したように、前記圧力室プレート15の上面に前記振動板2を接合する(S13)。その後、図3との関係で説明した装置を用いて、エアロゾルデポジション法(AD法)によって、前記振動板2の上面に本発明の圧電膜3を形成する(S14)。   Next, as shown in FIG. 2, the diaphragm 2 is joined to the upper surface of the pressure chamber plate 15 (S13). Thereafter, the piezoelectric film 3 of the present invention is formed on the upper surface of the diaphragm 2 by the aerosol deposition method (AD method) using the apparatus described in relation to FIG. 3 (S14).

次いで、前記形成された圧電膜3の上部に、フォトリソグラフィ・エッチング法やスクリーン印刷等により、電極4およびリード部を形成する(S15)。その後、前記上部電極4と振動板2の間に強い電界を印加して、圧電膜3を分極する(S16)。   Next, the electrodes 4 and lead portions are formed on the formed piezoelectric film 3 by photolithography / etching, screen printing, or the like (S15). Thereafter, a strong electric field is applied between the upper electrode 4 and the diaphragm 2 to polarize the piezoelectric film 3 (S16).

最後に、前記流路プレート14の上面に前記圧力室プレート15を接合する(S17)。これにより、図1に示したようなインク流路形成体11と、アクチュエータプレート1を備えるインクジェットヘッド10が完成する。   Finally, the pressure chamber plate 15 is joined to the upper surface of the flow path plate 14 (S17). Thereby, the ink flow path forming body 11 as shown in FIG. 1 and the ink jet head 10 including the actuator plate 1 are completed.

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。その他、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。   The technical scope of the present invention is not limited by the above-described embodiments, and, for example, those described below are also included in the technical scope of the present invention. In addition, the technical scope of the present invention extends to an equivalent range.

上記実施形態では、振動板2上に圧電膜3を直接に成膜する場合について述べたが、振動板上に下部電極等の中間層が別に設けられており、その上に圧電膜を形成する場合であっても、同様に本発明の製造方法を適用することができる。   In the above embodiment, the case where the piezoelectric film 3 is directly formed on the vibration plate 2 has been described. However, an intermediate layer such as a lower electrode is separately provided on the vibration plate, and the piezoelectric film is formed thereon. Even if it is a case, the manufacturing method of this invention is applicable similarly.

上記実施形態では、アクチュエータプレート1における圧電膜3の形成に本発明を適用する場合について述べたが、例えば圧電膜と振動板との間に、拡散防止層等、各種の機能を持つ絶縁層をセラミックスにより形成する場合においても、同様に本発明の製造方法を適用することができる。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to the formation of the piezoelectric film 3 in the actuator plate 1 has been described. For example, an insulating layer having various functions such as a diffusion prevention layer is provided between the piezoelectric film and the diaphragm. In the case of forming with ceramics, the manufacturing method of the present invention can be applied in the same manner.

本実施形態のインクジェットヘッドの側断面図である。It is a sectional side view of the inkjet head of this embodiment. 図2Aはアクチュエータプレートの製造工程において振動板を圧力室プレートに接合した様子を示す側断面図、図2Bは圧電膜を形成した様子を示す側断面図、図2Cは上部電極を形成した様子を示す側断面図である。2A is a side sectional view showing a state in which the diaphragm is joined to the pressure chamber plate in the manufacturing process of the actuator plate, FIG. 2B is a side sectional view showing a state in which the piezoelectric film is formed, and FIG. 2C is a state in which the upper electrode is formed. It is a sectional side view shown. 成膜装置の概略図である。It is the schematic of a film-forming apparatus. 図4Aは加熱処理を施さない材料粒子を使用した場合のアニール工程における圧電膜の様子を示す側断面図、図4Bは加熱処理を施した材料粒子を使用した場合のアニール工程における圧電膜の様子を示す側断面図である。FIG. 4A is a side sectional view showing the state of the piezoelectric film in the annealing step when using material particles that are not subjected to heat treatment, and FIG. 4B is the state of the piezoelectric film in the annealing step when using material particles that have been subjected to heat treatment. FIG. 圧電膜製造手順を概略的に示すフローチャートである。3 is a flowchart schematically showing a procedure for manufacturing a piezoelectric film. 図6Aは500℃で加熱処理した場合の基板の断面を撮影した写真、図6Bは700℃で加熱処理した場合の基板の断面を撮影した写真である。6A is a photograph of a cross section of the substrate when heat-treated at 500 ° C., and FIG. 6B is a photograph of a cross-section of the substrate when heat-treated at 700 ° C. 圧電材料粒子を加熱した場合としない場合についてX線回折測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of a X-ray-diffraction measurement about the case where a piezoelectric material particle is heated and it is not. 圧電材料粒子の熱重量および示差熱の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the thermogravimetric and differential heat of a piezoelectric material particle. インクジェットヘッドの製造手順を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of an inkjet head roughly. アルミナ粉末の熱処理前後の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution before and behind heat processing of an alumina powder. PZT粉末の熱処理前後の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution before and behind heat processing of PZT powder. PZT粉末に対する加熱処理と電気特性の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the heat processing with respect to PZT powder, and an electrical property.

符号の説明Explanation of symbols

1…アクチュエータプレート(圧電アクチュエータ)
2…振動板(基板)
3…圧電膜(膜)
4…上部電極(電極層)
10…インクジェットヘッド
11…流路ユニット(インク流路形成体)
16…圧力室
16A…開口部
19…インク吐出ノズル
20…インク
M…材料粒子(セラミックス粒子、圧電材料の粒子)
Z…エアロゾル
1 ... Actuator plate (piezoelectric actuator)
2 ... Diaphragm (substrate)
3. Piezoelectric film (film)
4 ... Upper electrode (electrode layer)
10: Inkjet head 11: Channel unit (ink channel forming body)
16 ... Pressure chamber 16A ... Opening 19 ... Ink discharge nozzle 20 ... Ink M ... Material particles (ceramic particles, piezoelectric material particles)
Z ... Aerosol

Claims (18)

セラミックス粒子を加熱処理する加熱処理工程と、
基板に前記加熱処理工程後の前記セラミックス粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス粉末を付着させることにより膜を形成する膜形成工程と、
前記膜をアニール処理するアニール処理工程と、
を含む膜の製造方法。
A heat treatment step of heat treating the ceramic particles;
A film forming step of forming a film by spraying an aerosol containing the ceramic particles after the heat treatment step on a substrate and attaching the ceramic powder;
An annealing process for annealing the film;
The manufacturing method of the film | membrane containing this.
前記加熱処理工程における加熱温度が、前記セラミックス粒子に含まれる化学吸着水が放出される温度以上である請求項1に記載の膜の製造方法。   The method for producing a film according to claim 1, wherein a heating temperature in the heat treatment step is equal to or higher than a temperature at which chemically adsorbed water contained in the ceramic particles is released. 前記加熱処理工程における加熱温度が、前記アニール処理工程におけるアニール温度以上である請求項1に記載の膜の製造方法。   The film manufacturing method according to claim 1, wherein a heating temperature in the heat treatment step is equal to or higher than an annealing temperature in the annealing treatment step. 前記加熱処理工程における加熱温度が450℃〜850℃である請求項1に記載の膜の製造方法。   The film manufacturing method according to claim 1, wherein a heating temperature in the heat treatment step is 450 ° C. to 850 ° C. 前記加熱処理工程における加熱時間が30分以上である請求項1に記載の膜の製造方法。   The method for producing a film according to claim 1, wherein the heating time in the heat treatment step is 30 minutes or more. 前記加熱処理工程の後に乾式の粉砕工程を行う請求項1に記載の膜の製造方法。   The manufacturing method of the film | membrane of Claim 1 which performs a dry-type grinding | pulverization process after the said heat processing process. 前記セラミックス粒子は圧電材料の粒子である請求項1に記載の膜の製造方法。   The method for producing a film according to claim 1, wherein the ceramic particles are particles of a piezoelectric material. さらに、前記セラミックス粒子を、複数種の原料粉末を混合して混合粉を得る混合粉生成工程と、前記混合粉を焼成して前記セラミックス材料となる焼結体を得る焼結体生成工程と、前記焼結体を粉砕してセラミックス材料の粉末を得る粉末生成工程と、によって得ることを含む請求項1に記載の膜の製造方法。   Furthermore, the ceramic particles, a mixed powder generation step of mixing a plurality of raw material powders to obtain a mixed powder, a sintered body generation step of obtaining a sintered body to be the ceramic material by firing the mixed powder, The method for producing a film according to claim 1, comprising: obtaining a ceramic material powder by pulverizing the sintered body. 前記セラミックス粒子はα−アルミナの粒子である請求項1に記載の膜の製造方法。   The method for producing a film according to claim 1, wherein the ceramic particles are α-alumina particles. 前記セラミックス粒子はチタン酸ジルコン酸鉛の粒子である請求項1に記載の膜の製造方法。   The method for producing a film according to claim 1, wherein the ceramic particles are particles of lead zirconate titanate. インクを吐出するためのインク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、
前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられる振動板と、この振動板上に積層される圧電膜とを備える圧電アクチュエータと、
を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、
圧電材料の粒子を加熱処理する加熱処理工程と、
前記振動板上に前記加熱処理工程後の前記圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、
前記圧電膜をアニール処理するアニール処理工程と、
前記圧電膜上に電極層を形成する電極層形成工程と、
を含むインクジェットヘッドの製造方法。
An ink flow path forming body provided with a plurality of pressure chambers that communicate with an ink discharge nozzle for discharging ink and that has an opening that opens on one side;
A piezoelectric actuator comprising: a diaphragm provided on one surface side of the ink flow path forming body so as to close the opening; and a piezoelectric film laminated on the diaphragm;
A method of manufacturing an inkjet head comprising:
A heat treatment step of heat treating the particles of the piezoelectric material;
A piezoelectric film forming step of forming a piezoelectric film by spraying an aerosol containing particles of the piezoelectric material after the heat treatment step on the diaphragm and attaching the particles of the piezoelectric material;
An annealing process for annealing the piezoelectric film;
An electrode layer forming step of forming an electrode layer on the piezoelectric film;
A method for manufacturing an ink-jet head comprising:
前記加熱処理工程における加熱温度が、前記圧電材料の粒子に含まれる化学吸着水が放出される温度以上である請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The method of manufacturing an ink jet head according to claim 11, wherein a heating temperature in the heat treatment step is equal to or higher than a temperature at which chemically adsorbed water contained in the particles of the piezoelectric material is released. 前記加熱処理工程における加熱温度が、前記アニール処理工程におけるアニール温度以上である請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The method of manufacturing an ink jet head according to claim 11, wherein a heating temperature in the heat treatment step is equal to or higher than an annealing temperature in the annealing step. 前記加熱処理工程における加熱温度が450℃〜850℃である請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The method of manufacturing an ink jet head according to claim 11, wherein a heating temperature in the heat treatment step is 450 ° C. to 850 ° C. 前記加熱処理工程における加熱時間が30分以上である請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The method for manufacturing an ink jet head according to claim 11, wherein the heating time in the heat treatment step is 30 minutes or more. 前記加熱処理工程の後に乾式の粉砕工程を行う請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The manufacturing method of the inkjet head of Claim 11 which performs a dry-type grinding | pulverization process after the said heat processing process. さらに、前記圧電材料の粒子を、複数種の原料粉末を混合して混合粉を得る混合粉生成工程と、前記混合粉を焼成して前記圧電材料となる焼結体を得る焼結体生成工程と、前記焼結体を粉砕して圧電材料の粉末を得る粉末生成工程と、によって得ることを含む請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   Furthermore, a mixed powder generating step for obtaining a mixed powder by mixing plural kinds of raw material powders with the particles of the piezoelectric material, and a sintered compact generating step for obtaining a sintered body to be the piezoelectric material by firing the mixed powder And a powder generating step of pulverizing the sintered body to obtain a powder of a piezoelectric material. 前記圧電材料の粒子は、チタン酸ジルコン酸鉛の粒子である請求項11に記載のインクジェットヘッドの製造方法。   The method of manufacturing an ink jet head according to claim 11, wherein the particles of the piezoelectric material are particles of lead zirconate titanate.
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