JP2007165553A - Piezoelectric element and its manufacturing method, piezoelectric actuator, and ink-jet recording head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエータ、並びに、インクジェット式記録ヘッドに関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a manufacturing method thereof, a piezoelectric actuator, and an ink jet recording head.
高画質、高速印刷を可能にするプリンタとして、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタは、内容積が変化するキャビティを備えたインクジェット式記録ヘッドを備える。このような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としては、従来、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)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(例えば特許第3666177号公報参照)。しかしながら、PZTなどは鉛(Pb)を含むため、環境上、非常に問題となる。
本発明の目的は、環境に優しく、良好な圧電特性を有する圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、上記圧電素子を用いた圧電アクチュエータおよびインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that is environmentally friendly and has good piezoelectric characteristics, and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and an ink jet recording head using the piezoelectric element.
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成され、(Na,K,Li)NbO3(以下「NKLN」とも言う)からなる圧電体を少なくとも含む圧電体膜と、を含む。
The piezoelectric element according to the present invention is
A substrate,
And a piezoelectric film that is formed above the substrate and includes at least a piezoelectric body made of (Na, K, Li) NbO 3 (hereinafter also referred to as “NKLN”).
この圧電素子では、前記圧電体膜は、NKLNからなる圧電体を少なくとも含んでいる。NKLNは、環境上問題となる鉛(Pb)を含まないため、極めて有用である。さらに、NKLNは、鉛フリーでありながら、例えば(Bi,K)TiO3などに比べ、キュリー温度や脱分極温度(depolarization temperature)が高く、圧電素子を所定の温度範囲内で安定に動作させることができる。さらに、NKLNは、鉛フリーでありながら、例えば(Bi,K)TiO3などに比べ、圧電素子の圧電定数を高くすることができ、圧電素子の振動部の変位量を大きくすることができる。これにより、低電圧でもインク吐出能力の高いインクジェット式記録ヘッド用の微細な圧電素子を得ることができる。従って、本発明によれば、環境に優しく、良好な諸特性を有する圧電素子を提供することができる。 In this piezoelectric element, the piezoelectric film includes at least a piezoelectric body made of NKLN. NKLN is extremely useful because it does not contain lead (Pb), which is an environmental problem. Furthermore, NKLN is lead-free, but has a higher Curie temperature and depolarization temperature than, for example, (Bi, K) TiO 3, and can stably operate the piezoelectric element within a predetermined temperature range. Can do. Furthermore, although NKLN is lead-free, it can increase the piezoelectric constant of the piezoelectric element and increase the amount of displacement of the vibrating portion of the piezoelectric element, for example, compared to (Bi, K) TiO 3 or the like. Thereby, it is possible to obtain a fine piezoelectric element for an ink jet recording head having a high ink discharge capability even at a low voltage. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric element that is environmentally friendly and has various characteristics.
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「A」という)の「上方」に形成された他の特定のもの(以下「B」という)」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bが形成されているような場合と、A上に他のものを介してBが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。 In the description according to the present invention, the word “upward” refers to, for example, “another specific thing (hereinafter referred to as“ B ”) formed“ above ”a specific thing (hereinafter referred to as“ A ”)”. Etc. In the description of the present invention, in the case of this example, there are a case where B is directly formed on A and a case where B is formed on A via another. The word “above” is used as included.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体は、以下の式で示されることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric body can be represented by the following formula.
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3
(但し、0.05≦x≦0.06)
本発明に係る圧電素子において、
xは、前記圧電体の結晶構造の相境界における値であることができる。
(1-x) (Na, K) NbO 3 -
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
In the piezoelectric element according to the present invention,
x may be a value at a phase boundary of the crystal structure of the piezoelectric body.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体は、酸化セリウムを含むことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric body may include cerium oxide.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The amount of cerium oxide added to the piezoelectric body may be 0.2 wt% or more and 1 wt% or less.
本発明に係る圧電素子において、
前記基板の上方であって、前記圧電体膜の下方に形成された第1導電層と、
前記圧電体膜の上方に形成された第2導電層と、を含むことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
A first conductive layer formed above the substrate and below the piezoelectric film;
And a second conductive layer formed above the piezoelectric film.
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に、以下の式(1)で示される圧電体を含む第1圧電体膜を形成する工程と、
前記第1圧電体膜の上方に、以下の式(2)で示される圧電体を形成するための材料層を積層する工程と、
前記第1圧電体膜および前記材料層に対して熱処理を行い、以下の式(3)で示される圧電体を少なくとも含む第2圧電体膜を形成する工程と、を含む。
The method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes:
Forming a first piezoelectric film including a piezoelectric material represented by the following formula (1) above the substrate;
Laminating a material layer for forming a piezoelectric body represented by the following formula (2) above the first piezoelectric film;
Heat-treating the first piezoelectric film and the material layer to form a second piezoelectric film including at least a piezoelectric material represented by the following formula (3).
(Na,K)NbO3 ・・・式(1)
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(2)
(但し、0.08≦x≦0.10)
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(3)
(但し、0.05≦x≦0.06)
本発明に係る本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記式(1)乃至(3)で示される圧電体は、酸化セリウムを含むことができる。
(Na, K) NbO 3 (1)
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 (2)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 Formula (3)
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
In the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric body represented by the formulas (1) to (3) can contain cerium oxide.
本発明に係る本発明に係る圧電素子の製造方法において、
式(1)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であり、
式(2)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であり、
式(3)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であることができる。
In the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention according to the present invention,
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (1) is 0.2 wt% or more and 1 wt% or less,
The amount of cerium oxide added in the piezoelectric body represented by the formula (2) is 0.2 wt% or more and 1 wt% or less,
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (3) can be 0.2 wt% or more and 1 wt% or less.
本発明に係る圧電アクチュエータは、上述の圧電素子を有する。 A piezoelectric actuator according to the present invention includes the above-described piezoelectric element.
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、上述の圧電素子を有する。 An ink jet recording head according to the present invention includes the above-described piezoelectric element.
以下、本発明に好適な実施形態について、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. 第1の実施形態
1.1. まず、第1の実施形態に係る圧電素子1について説明する。図1は、本発明に係る圧電素子を、特にインクジェット式記録ヘッド用のヘッドアクチュエータとなる圧電素子1に適用した場合の一実施形態を示す図である。
1. 1. First embodiment 1.1. First, the piezoelectric element 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment in which a piezoelectric element according to the present invention is applied to a piezoelectric element 1 that is a head actuator for an ink jet recording head.
圧電素子1は、基板2と、基板2上に形成された弾性膜3と、弾性膜3上に形成された第1導電層(以下「下部電極」ともいう)4と、下部電極4上に形成された圧電体膜(以下「第2圧電体膜」ともいう)6と、第2圧電体膜6上に形成された第2導電層(以下「上部電極」ともいう)7と、を含む。
The piezoelectric element 1 includes a
基板2としては、例えば、(110)配向の単結晶シリコン基板などを用いることができ、特に限定されない。弾性膜3は、インクジェット式記録ヘッド50(図4参照)において弾性膜55として適用されることができる。弾性膜3としては、例えば、酸化シリコン、酸化ジルコニウムをこの順に積層した膜などを用いることができ、特に限定されない。ここで、酸化シリコン層は、例えば、インクジェット式記録ヘッド50のキャビティ521を形成するために基板2を裏面側からエッチングする工程において、エッチングストッパとして機能することができる。弾性膜3の膜厚は、例えば1μmである。
As the
下部電極4は、第2圧電体膜6に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極4は、例えば第2圧電体膜6および上部電極7と同じ平面形状に形成されることができる。下部電極4としては、例えば、白金(Pt)の上にペロブスカイト構造の導電性酸化物(例えばLaNiO3、SrRuO3など)を積層した膜などを用いることができ、特に限定されない。下部電極4の膜厚は、例えば100nm〜200nmである。
The
第2圧電体膜6は、(Na,K,Li)NbO3(NKLN)からなる圧電体を少なくとも含む。NKLNからなる圧電体のキュリー温度は、300℃以上である。
The second
NKLNからなる圧電体は、例えば、以下の式で示されることができる。 A piezoelectric body made of NKLN can be expressed by the following equation, for example.
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(i)
(但し、0.05≦x≦0.06)
例えば、式(i)で示される圧電体は、酸化セリウムを含むことができる。酸化セリウムとしては、例えば、二酸化セリウム(CeO2)などを挙げることができる。この場合、例えば、第2圧電体膜6は、以下の式(ii)で示される圧電体を少なくとも含むことができる。
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 Formula (i)
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
For example, the piezoelectric body represented by the formula (i) can contain cerium oxide. Examples of cerium oxide include cerium dioxide (CeO 2 ). In this case, for example, the second
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3−CeO2 ・・・式(ii)
(但し、0.05≦x≦0.06)
式(ii)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であることが好ましく、より好ましくは、0.2重量%以上、0.8重量%以下である。これらの範囲で酸化セリウムを添加することにより、酸化セリウム添加の作用効果(後述する)を安定して発現させることができる。
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 —CeO 2 Formula (ii)
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (ii) is preferably 0.2% by weight or more and 1% by weight or less, more preferably 0.2% by weight or more and 0.8% by weight. It is as follows. By adding cerium oxide within these ranges, the effect of adding cerium oxide (described later) can be stably expressed.
式(i)または式(ii)で示されるNKLNからなる圧電体において、xが0.05以上0.06以下であることによって、該圧電体は、結晶構造(斜方晶構造と三方晶構造)の相境界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)における組成を有することができる。即ち、xは、式(i)または式(ii)で示される圧電体の結晶構造の相境界における値であることができる。 In the piezoelectric body made of NKLN represented by formula (i) or formula (ii), when x is 0.05 or more and 0.06 or less, the piezoelectric body has a crystal structure (orthorhombic structure and trigonal structure). ) In the phase boundary (MPB: Morphotropic Phase Boundary). That is, x can be a value at the phase boundary of the crystal structure of the piezoelectric body represented by the formula (i) or the formula (ii).
第2圧電体膜6は、例えば、式(i)または式(ii)で示される圧電体が均一に分布した膜であることができる。また、第2圧電体膜6は、例えば、厚み方向に組成が連続して変化する傾斜組成構造を有し、該傾斜組成構造では、連続して変化する組成のうちの少なくとも1つは、式(i)または式(ii)で示される圧電体の組成であることができる。
The second
式(i)および式(ii)で示される圧電体において、NaとKの組成比は、例えば、0.5:0.5であることが好ましい。これにより、圧電体の圧電性を良好にすることができる。この場合、式(i)および式(ii)で示される圧電体は、それぞれ以下の式(i')および式(ii')で示される。 In the piezoelectric body represented by the formulas (i) and (ii), the composition ratio of Na and K is preferably, for example, 0.5: 0.5. Thereby, the piezoelectricity of the piezoelectric body can be improved. In this case, the piezoelectric bodies represented by the formulas (i) and (ii) are represented by the following formulas (i ′) and (ii ′), respectively.
(1−x)(Na0.5K0.5)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(i')
(1−x)(Na0.5K0.5)NbO3−xLiNbO3−CeO2 ・・・式(ii')
第2圧電体膜6の膜厚は特に限定されないが、例えば200nm〜400nmである。
(1-x) (Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 —xLiNbO 3 Formula (i ′)
(1-x) (Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 —xLiNbO 3 —CeO 2 Formula (ii ′)
The film thickness of the second
上部電極7は、第2圧電体膜6に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極7としては、例えば、ペロブスカイト構造の導電性酸化物(例えばLaNiO3、SrRuO3など)の上に白金(Pt)を積層した膜などを用いることができ、特に限定されない。なお、下部電極4の層構成と上部電極7の層構成は、第2圧電体膜6に関してほぼ対称になるようにすることが好ましい。例えば、下部電極4として、白金の上にペロブスカイト構造の導電性酸化物を積層した膜を用いる場合には、上部電極7として、ペロブスカイト構造の導電性酸化物の上に白金を積層した膜を用いることが好ましい。これにより、圧電素子1の対称性を良くすることができる。また、このような層構成とすることにより、下部電極4の上部から上部電極7の下部までのすべての層をペロブスカイト構造にすることができる。上部電極7の膜厚は、例えば100nm〜200nmである。
The upper electrode 7 is the other electrode for applying a voltage to the second
1.2. 次に、本実施形態に係る圧電素子1の製造方法について図1〜図3を参照しながら説明する。図2および図3は、図1に示す圧電素子1の一製造工程を模式的に示す断面図である。 1.2. Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views schematically showing one manufacturing process of the piezoelectric element 1 shown in FIG.
(A)まず、図2に示すように、基板2上に弾性膜3を形成する。弾性膜3は、例えば、熱酸化法、化学気相成長(CVD)法、スパッタ法、蒸着法などにより形成されることができる。
(A) First, as shown in FIG. 2, the
(B)次に、弾性膜3上に下部電極4を形成する。下部電極4は、例えば、スパッタ法、スピンコート法、CVD法、レーザアブレーション法などにより形成されることができる。
(B) Next, the
(C)次に、図2に示すように、下部電極4上に以下の式(1)で示される斜方晶構造の圧電体を含む第1圧電体膜5を形成する。
(C) Next, as shown in FIG. 2, a first
(Na,K)NbO3 ・・・式(1)
例えば、式(1)で示される圧電体は、酸化セリウムを含むことができる。酸化セリウムとしては、例えば、二酸化セリウム(CeO2)などを挙げることができる。この場合、下部電極4上には、以下の式(a)で示される圧電体を含む第1圧電体膜5を形成することができる。
(Na, K) NbO 3 (1)
For example, the piezoelectric body represented by the formula (1) can contain cerium oxide. Examples of cerium oxide include cerium dioxide (CeO 2 ). In this case, a first
(Na,K)NbO3−CeO2 ・・・式(a)
式(a)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であることが好ましく、より好ましくは、0.2重量%以上、0.8重量%以下である。これらの範囲で酸化セリウムを添加することにより、酸化セリウム添加の作用効果(後述する)を安定して発現させることができる。
(Na, K) NbO 3 —CeO 2 Formula (a)
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (a) is preferably 0.2% by weight or more and 1% by weight or less, more preferably 0.2% by weight or more and 0.8% by weight. It is as follows. By adding cerium oxide within these ranges, the effect of adding cerium oxide (described later) can be stably expressed.
式(1)および式(a)で示される圧電体において、NaとKの組成比は、例えば、0.5:0.5であることが好ましい。これにより、後の工程で形成される第2圧電体膜6の圧電性を良好にすることができる。この場合、式(1)および式(a)で示される圧電体は、それぞれ以下の式(1')および式(a')で示される。
In the piezoelectric body represented by the formulas (1) and (a), the composition ratio of Na and K is preferably, for example, 0.5: 0.5. Thereby, the piezoelectricity of the second
(Na0.5K0.5)NbO3 ・・・式(1')
(Na0.5K0.5)NbO3−CeO2 ・・・式(a')
第1圧電体膜5の形成方法は、具体的には以下の通りである。
(Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 Formula (1 ′)
(Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 —CeO 2 Formula (a ′)
The method for forming the first
まず、例えば、スピンコート法などを用いて、第1圧電体膜5が所望の組成比となるように複数の原料溶液を所望の比で混合した溶液を下部電極4上に塗布する(混合溶液塗布工程)。原料溶液については、第1圧電体膜5となる圧電材料の構成金属(式(1)で示される圧電体の場合には、Na、K、Nb、式(a)で示される圧電体の場合には、Na、K、Nb、Ce)を含む有機金属または無機金属を各金属が所望のモル比となるように混合し、アルコール(n−ブタノール等)などの有機溶媒を用いて、これを溶解または分散させることにより作製できる。圧電材料の構成金属を含む有機金属としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩などを用いることができる。圧電材料の構成金属を含む有機金属または無機金属としては、例えば、以下のものが挙げられる。
First, for example, a solution obtained by mixing a plurality of raw material solutions at a desired ratio is applied on the
ナトリウム(Na)を含む有機金属としては、例えばナトリウムエトキシドなどが挙げられる。カリウム(K)を含む有機金属としては、例えばカリウムエトキシドなどが挙げられる。ニオブ(Nb)を含む有機金属としては、例えばニオブエトキシドなどが挙げられる。セリウム(Ce)を含む無機金属としては、例えば硝酸セリウム(IV)アンモニウムなどが挙げられる。なお、圧電材料の構成金属を含んでなる有機金属または無機金属としては、これらに限定されるわけではない。 Examples of the organic metal containing sodium (Na) include sodium ethoxide. Examples of the organic metal containing potassium (K) include potassium ethoxide. Examples of the organic metal containing niobium (Nb) include niobium ethoxide. Examples of inorganic metals containing cerium (Ce) include cerium (IV) ammonium nitrate. Note that the organic metal or inorganic metal including the constituent metal of the piezoelectric material is not limited to these.
原料溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。原料溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、原料溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。 Various additives such as a stabilizer can be added to the raw material solution as necessary. When hydrolysis and polycondensation are caused in the raw material solution, an acid or a base can be added as a catalyst together with an appropriate amount of water to the raw material solution.
スピンの回転数は、例えば、初期では500rpmとし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpmに上げることができる。 For example, the rotation speed of the spin is initially set to 500 rpm, and subsequently, the rotation speed can be increased to 2000 rpm so that coating unevenness does not occur.
次に、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、原料溶液に用いた溶媒の沸点よりも例えば10℃高い温度(例えば150℃)で熱処理を行う(乾燥熱処理工程)。 Next, heat treatment is performed at a temperature (for example, 150 ° C.) higher by 10 ° C. than the boiling point of the solvent used in the raw material solution using a hot plate or the like in an air atmosphere (dry heat treatment step).
次に、原料溶液に用いた有機金属や無機金属の配位子を分解、除去するべく、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、例えば300℃〜400℃程度で熱処理を行う(脱脂熱処理工程)。 Next, in order to decompose and remove the organic metal and inorganic metal ligands used in the raw material solution, heat treatment is performed at about 300 ° C. to 400 ° C., for example, in an air atmosphere (degreasing heat treatment step). .
なお、上述した混合溶液塗布工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の膜厚に応じて適宜回数繰り返すことができる。 It should be noted that the above-described series of steps of the mixed solution coating step, the drying heat treatment step, and the degreasing heat treatment step can be repeated as appropriate according to the desired film thickness.
次に、結晶化アニール、即ち結晶化のための焼成工程を行うことで第1圧電体膜5を得る。結晶化アニールは、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)等により、酸素雰囲気中にて、600℃〜750℃程度で行うことができる。
Next, the first
第1圧電体膜5は、例えば、浸漬法、スパッタ法、有機金属気相成長(MOCVD)法などを用いて形成されることもできる。
The first
(D)次に、図3に示すように、第1圧電体膜5の上に、以下の式(2)で示される圧電体を形成するための材料層8を積層する。
(D) Next, as shown in FIG. 3, a material layer 8 for forming a piezoelectric body represented by the following formula (2) is laminated on the first
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(2)
(但し、0.08≦x≦0.10)
式(2)で示される圧電体は、結晶化されると三方晶構造を有する。
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 (2)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
The piezoelectric body represented by the formula (2) has a trigonal structure when crystallized.
例えば、式(2)で示される圧電体は、酸化セリウムを含むことができる。酸化セリウムとしては、例えば、二酸化セリウム(CeO2)などを挙げることができる。この場合、第1圧電体膜5上には、以下の式(b)で示される圧電体を形成するための材料層8を積層することができる。
For example, the piezoelectric body represented by the formula (2) can contain cerium oxide. Examples of cerium oxide include cerium dioxide (CeO 2 ). In this case, a material layer 8 for forming a piezoelectric body represented by the following formula (b) can be laminated on the first
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3−CeO2 ・・・式(b)
(但し、0.08≦x≦0.10)
式(b)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であることが好ましく、より好ましくは、0.2重量%以上、0.8重量%以下である。これらの範囲で酸化セリウムを添加することにより、酸化セリウム添加の作用効果(後述する)を安定して発現させることができる。
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 —CeO 2 Formula (b)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (b) is preferably 0.2 wt% or more and 1 wt% or less, more preferably 0.2 wt% or more and 0.8 wt%. It is as follows. By adding cerium oxide within these ranges, the effect of adding cerium oxide (described later) can be stably expressed.
式(2)および式(b)で示される圧電体において、NaとKの組成比は、例えば、0.5:0.5であることが好ましい。これにより、後の工程で形成される第2圧電体膜6の圧電性を良好にすることができる。この場合、式(2)および式(b)で示される圧電体は、それぞれ以下の式(2')および式(b')で示される。
In the piezoelectric body represented by the formulas (2) and (b), the composition ratio of Na and K is preferably 0.5: 0.5, for example. Thereby, the piezoelectricity of the second
(1−x)(Na0.5K0.5)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(2')
(但し、0.08≦x≦0.10)
(1−x)(Na0.5K0.5)NbO3−xLiNbO3−CeO2 ・・・式(b')
(但し、0.08≦x≦0.10)
材料層8の積層は、上述した第1圧電体膜5の形成工程における混合溶液塗布工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程と同様にして行うことができる。なお、リチウム(Li)を含む有機金属としては、例えばリチウムエトキシドなどが挙げられる。また、混合溶液塗布工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の膜厚に応じて適宜回数繰り返すことができる。
(1-x) (Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 —xLiNbO 3 Formula (2 ′)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
(1-x) (Na 0.5 K 0.5 ) NbO 3 —xLiNbO 3 —CeO 2 Formula (b ′)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
The lamination of the material layer 8 can be performed in the same manner as the mixed solution coating process, the drying heat treatment process, and the degreasing heat treatment process in the above-described formation process of the first
材料層8は、例えば、浸漬法、スパッタ法、有機金属気相成長(MOCVD)法などを用いて積層されることもできる。 The material layer 8 can also be laminated using, for example, an immersion method, a sputtering method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or the like.
(E)次に、第1圧電体膜5および材料層8に対して熱処理(結晶化アニール)、即ち結晶化のための焼成工程を行う。これにより、第1圧電体膜5および材料層8の中の物質が相互拡散して、図1に示すように、上述した式(i)または式(ii)で示される圧電体を少なくとも含む第2圧電体膜6が形成される。
(E) Next, the first
結晶化アニールは、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)等により、酸素雰囲気中にて、600℃〜750℃程度で行うことができる。 The crystallization annealing can be performed at about 600 ° C. to 750 ° C. in an oxygen atmosphere by, for example, RTA (Rapid Thermal Annealing).
(F)次に、図1に示すように、第2圧電体膜6上に上部電極7を形成する。上部電極7は、例えば、スパッタ法、スピンコート法、化学気相成長(CVD)法、レーザアブレーション法などにより形成されることができる。
(F) Next, as shown in FIG. 1, the upper electrode 7 is formed on the second
以上の工程によって、本実施形態に係る圧電素子1を製造することができる。 Through the above steps, the piezoelectric element 1 according to this embodiment can be manufactured.
1.3. 本実施形態に係る圧電素子1では、第2圧電体膜6は、NKLNからなる圧電体を少なくとも含んでいる。NKLNは、環境上問題となる鉛(Pb)を含まないため、極めて有用である。さらに、NKLNは、鉛フリーでありながら、例えば(Bi,K)TiO3などに比べ、キュリー温度や脱分極温度が高く、圧電素子1を所定の温度範囲内で安定に動作させることができる。さらに、NKLNは、鉛フリーでありながら、例えば(Bi,K)TiO3などに比べ、圧電素子1の圧電定数を高くすることができ、圧電素子1の振動部の変位量を大きくすることができる。これにより、低電圧でもインク吐出能力の高いインクジェット式記録ヘッド用の微細な圧電素子1を得ることができる。従って、本実施形態によれば、環境に優しく、良好な諸特性を有する圧電素子1を提供することができる。
1.3. In the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, the second
また、本実施形態に係る圧電素子1では、第2圧電体膜6は、結晶構造の相境界組成であるNKLNを有することができる。相境界組成付近におけるNKLNの圧電性は良好であるため、本実施形態によれば、圧電素子1の圧電定数をより高くすることができる。
In the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the second
また、本実施形態に係る圧電素子1の製造方法によれば、結晶構造の相境界組成であるNKLNを少なくとも含む第2圧電体膜6を形成することができる。通常、結晶構造の相境界組成であるNKLNを、結晶性の良好な状態で、下部電極4上に直接形成することは難しい。しかしながら、本実施形態によれば、まず、下部電極4上に第1圧電体膜5、材料層8を形成し、次に、熱処理を行って、第1圧電体膜5および材料層8の中の物質を相互拡散させるという方法で、相境界組成であるNKLNを少なくとも含む第2圧電体膜6を確実に形成することができる。
In addition, according to the method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the second
また、本実施形態に係る圧電素子1では、第2圧電体膜6は、酸化セリウムを含むNKLNを有することができる。これにより、結晶化アニール工程における焼結性を改善し、結晶膜を緻密にすることができ、さらに、第2圧電体膜6の圧電性を向上させることができる。
In the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the second
また、本実施形態に係る圧電素子1の製造方法によれば、第1圧電体膜5は、下部電極4と材料層8との間のバッファ層として機能することができる。例えば、下部電極4上に材料層8を直接積層して結晶化させる場合には、本実施形態のように下部電極4上に第1圧電体膜5を形成する場合に比べ、下部電極4上に良好な結晶性を有する膜を形成しにくい。これに対し、本実施形態によれば、第1圧電体膜5をバッファ層として、その上に材料層8を積層して結晶化させることで、材料層8を良好に結晶化させることができ、延いては、良好な結晶性を有する第2圧電体膜6を形成することができる。
Further, according to the method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, the first
2. 第2の実施形態
2.1. 次に、本発明に係る圧電素子を圧電アクチュエータとしてインクジェット式記録ヘッドに適用した例について説明する。図4は、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド50の概略構成を示す側断面図であり、図5は、インクジェット式記録ヘッド50の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
2. Second Embodiment 2.1. Next, an example in which the piezoelectric element according to the present invention is applied to an ink jet recording head as a piezoelectric actuator will be described. FIG. 4 is a side sectional view showing a schematic configuration of the ink
図4および図5に示すように、インクジェット式記録ヘッド50は、ヘッド本体57と、ヘッド本体57上に形成される圧電部54と、を含む。圧電部54は、図1に示す圧電素子1のうち、下部電極4、第2圧電体膜6、上部電極7が順に積層されて構成されている。なお、図4および図5において、圧電部54の各層の図示は省略されている。インクジェット式記録ヘッド50において、圧電部54は、圧電アクチュエータとして機能する。
As shown in FIGS. 4 and 5, the ink
ヘッド本体57は、ノズル板51と、インク室基板52と、弾性膜55と、を含む。インク室基板52および弾性膜55は、図1に示す圧電素子1のうち、基板2および弾性膜3から構成されている。これらが筐体56に収納されて、インクジェット式記録ヘッド50が構成されている。
The
各圧電部54は、圧電素子駆動回路(図示せず)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。即ち、各圧電部54はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエータ)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、キャビティ521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
Each
2.2. 本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド50は、環境に優しく、低電圧でもインク吐出能力の高い微細な圧電素子1を有する。これにより、環境に優しいインクジェット式記録ヘッド50を用いたデバイス(例えばインクジェットプリンタ等)を提供することができ、かつ、インクジェット式記録ヘッド50を用いたデバイスの解像度を向上させることができる。
2.2. The ink
2.3. なお、上述では、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本実施形態は、圧電素子を用いた液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。 2.3. In the above description, an ink jet recording head that discharges ink has been described as an example. However, the present embodiment is intended for liquid ejecting heads and liquid ejecting apparatuses that use piezoelectric elements. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (surface emitting display). Examples thereof include an electrode material ejecting head used in manufacturing, a bioorganic matter ejecting head used in biochip manufacturing, and the like.
3. 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よう。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。 3. Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art will readily understand that many modifications are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are included in the scope of the present invention.
例えば、本発明に係る圧電素子は、前述したデバイスに適用されるだけでなく、種々のデバイス(例えば、圧電ポンプ、表面弾性波素子、周波数フィルタ、薄膜圧電共振器、発振器、電子回路、電子機器など)に適用可能である。 For example, the piezoelectric element according to the present invention is not only applied to the above-described devices, but also various devices (for example, piezoelectric pumps, surface acoustic wave elements, frequency filters, thin film piezoelectric resonators, oscillators, electronic circuits, electronic devices) Etc.).
1 圧電素子、2 基板、3 弾性膜、4 下部電極、5 第1圧電体膜、6 第2圧電体膜、7 上部電極、8 材料層、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 弾性膜、56 筐体、57 ヘッド本体,521 キャビティ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element, 2 board | substrate, 3 elastic film, 4 lower electrode, 5 1st piezoelectric film, 6 2nd piezoelectric film, 7 upper electrode, 8 material layer, 50 inkjet recording head, 51 nozzle plate, 52 ink chamber Substrate, 54 Piezoelectric part, 55 Elastic film, 56 Housing, 57 Head body, 521 Cavity
Claims (11)
前記基板の上方に形成され、(Na,K,Li)NbO3からなる圧電体を少なくとも含む圧電体膜と、を含む、圧電素子。 A substrate,
And a piezoelectric film that is formed above the substrate and includes at least a piezoelectric body made of (Na, K, Li) NbO 3 .
前記圧電体は、以下の式で示される、圧電素子。
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3
(但し、0.05≦x≦0.06) In claim 1,
The piezoelectric body is a piezoelectric element represented by the following formula.
(1-x) (Na, K) NbO 3 -xLiNbO 3
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
xは、前記圧電体の結晶構造の相境界における値である、圧電素子。 In claim 2,
x is a value at a phase boundary of the crystal structure of the piezoelectric body.
前記圧電体は、酸化セリウムを含む、圧電素子。 In any one of Claims 1-3,
The piezoelectric element includes a cerium oxide.
前記圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下である、圧電素子。 In claim 4,
The piezoelectric element, wherein an addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body is 0.2% by weight or more and 1% by weight or less.
前記基板の上方であって、前記圧電体膜の下方に形成された第1導電層と、
前記圧電体膜の上方に形成された第2導電層と、を含む、圧電素子。 In any one of Claims 1-5,
A first conductive layer formed above the substrate and below the piezoelectric film;
And a second conductive layer formed above the piezoelectric film.
前記第1圧電体膜の上方に、以下の式(2)で示される圧電体を形成するための材料層を積層する工程と、
前記第1圧電体膜および前記材料層に対して熱処理を行い、以下の式(3)で示される圧電体を少なくとも含む第2圧電体膜を形成する工程と、を含む、圧電素子の製造方法。
(Na,K)NbO3 ・・・式(1)
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(2)
(但し、0.08≦x≦0.10)
(1−x)(Na,K)NbO3−xLiNbO3 ・・・式(3)
(但し、0.05≦x≦0.06) Forming a first piezoelectric film including a piezoelectric material represented by the following formula (1) above the substrate;
Laminating a material layer for forming a piezoelectric body represented by the following formula (2) above the first piezoelectric film;
Forming a second piezoelectric film including at least a piezoelectric material represented by the following formula (3) by performing a heat treatment on the first piezoelectric film and the material layer: .
(Na, K) NbO 3 (1)
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 (2)
(However, 0.08 ≦ x ≦ 0.10)
(1-x) (Na, K) NbO 3 —xLiNbO 3 Formula (3)
(However, 0.05 ≦ x ≦ 0.06)
前記式(1)乃至(3)で示される圧電体は、酸化セリウムを含む、圧電素子の製造方法。 In claim 7,
The method of manufacturing a piezoelectric element, wherein the piezoelectric body represented by the formulas (1) to (3) includes cerium oxide.
式(1)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であり、
式(2)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下であり、
式(3)で示される圧電体における酸化セリウムの添加量は、0.2重量%以上、1重量%以下である、圧電素子の製造方法。 In claim 8,
The addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (1) is 0.2 wt% or more and 1 wt% or less,
The amount of cerium oxide added in the piezoelectric body represented by the formula (2) is 0.2 wt% or more and 1 wt% or less,
The method for manufacturing a piezoelectric element, wherein an addition amount of cerium oxide in the piezoelectric body represented by the formula (3) is 0.2% by weight or more and 1% by weight or less.
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