JP2011211140A - Method of manufacturing piezoelectric material, piezoelectric element, liquid ejecting head, and liquid ejecting apparatus - Google Patents

Method of manufacturing piezoelectric material, piezoelectric element, liquid ejecting head, and liquid ejecting apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a piezoelectric material in which a piezoelectric layer is manufactured which has superior durability and a small load on an environment, a piezoelectric element, to provide a liquid ejecting head, and to provide a liquid ejecting apparatus.SOLUTION: The method of manufacturing the piezoelectric material includes the processes of: forming a composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum by mixing and calcining a powder of metal oxides or metal carbonates of sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum; and forming a piezoelectric material composed of a solid solution containing a perovskite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, and bismuth manganate by adding a metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth to the composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, and mixing and then calcining them.

Description

本発明は、圧電材料の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric material, a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus.

液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、圧電セラミックスからなる圧電体層を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。   As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so that the ink in the pressure generation chamber is There is an ink jet recording head that pressurizes and ejects ink droplets from nozzle openings. As a piezoelectric element used in an ink jet recording head, there is a piezoelectric material having an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric material layer composed of piezoelectric ceramics sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element is mounted on a liquid ejecting head as an actuator device in a flexural vibration mode.

圧電セラミックスとして、高い変位特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた液体噴射ヘッドが知られている(特許文献1参照)。しかし、環境汚染の観点から、有害物質である鉛の含有量を抑えた圧電セラミックスが求められている。ここで、従来より、鉛を含有しない圧電セラミックスとして、例えばABOで示されるペロブスカイト構造を有する(K,Na)NbO(ニオブ酸カリウムナトリウム)等のカリウム、ナトリウム及びニオブを有するいわゆるKNN系材料が知られている(例えば、特許文献2参照)。 A liquid jet head using lead zirconate titanate (PZT) having high displacement characteristics is known as a piezoelectric ceramic (see Patent Document 1). However, from the viewpoint of environmental pollution, there is a demand for piezoelectric ceramics that suppress the content of lead, which is a harmful substance. Here, conventionally, as a piezoelectric ceramic not containing lead, for example, a so-called KNN-based material having potassium, sodium and niobium such as (K, Na) NbO 3 (potassium sodium niobate) having a perovskite structure represented by ABO 3 Is known (see, for example, Patent Document 2).

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A 特開2008−50206号公報JP 2008-50206 A

しかしながら、KNN系材料は、誘電損失(tanδ)が比較的高く、耐久性が不十分であるという問題がある。なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに用いられる圧電材料に限定されず、他の装置に搭載される圧電素子等に用いられる圧電材料においても同様に存在する。   However, KNN-based materials have a problem that dielectric loss (tan δ) is relatively high and durability is insufficient. Such a problem is not limited to a piezoelectric material used for a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head, and similarly exists in a piezoelectric material used for a piezoelectric element or the like mounted in another apparatus.

本発明はこのような事情に鑑み、耐久性に優れ且つ環境への負荷が小さい圧電体層を製造することができる圧電材料の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention provides a piezoelectric material manufacturing method, a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus capable of manufacturing a piezoelectric layer that is excellent in durability and has a low environmental load. With the goal.

上記課題を解決する本発明の態様は、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルの金属酸化物又は金属炭酸塩の粉末を混合して仮焼成することによりナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物を形成する工程と、前記ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物にマンガン及びビスマスを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加して混合した後焼結することにより、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有するペロブスカイト型酸化物及びマンガン酸ビスマスを含む固溶体からなる圧電材料を形成する工程を有することを特徴とする圧電材料の製造方法にある。   An aspect of the present invention that solves the above problems includes sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum by mixing and pre-baking powders of metal oxide or metal carbonate of sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum. Forming a composite oxide, and adding and mixing a metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth to the composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, followed by sintering. Thus, there is provided a method for producing a piezoelectric material, comprising a step of forming a piezoelectric material comprising a solid solution containing a perovskite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum and bismuth manganate.

かかる態様では、tanδが小さく耐久性に優れ、且つ、環境への負荷が小さい圧電材料を容易に製造することができる。また、耐水性にも優れた圧電材料となる。   In such an embodiment, a piezoelectric material having a small tan δ and excellent durability and a small environmental load can be easily manufactured. In addition, the piezoelectric material has excellent water resistance.

また、前記ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物にマンガン及びビスマスを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加する際に、さらにジルコニウム及びカルシウムを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加することにより、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有するペロブスカイト型酸化物と、マンガン酸ビスマス及びジルコン酸カルシウムを含む固溶体からなる圧電材料を形成することが好ましい。これによれば、耐久性に優れると共に、誘電率が高く且つ温度安定性に優れた圧電材料を製造することができる。   Further, when a metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth is added to the composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, a metal oxide or metal further containing zirconium and calcium It is preferable to form a piezoelectric material made of a solid solution containing perovskite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, bismuth manganate and calcium zirconate by adding carbonate. According to this, it is possible to manufacture a piezoelectric material having excellent durability, high dielectric constant, and excellent temperature stability.

また、本発明の圧電素子は、上記圧電材料からなる圧電体層と前記圧電体層に電圧を印加する電極とを有することを特徴とする。これによれば、耐久性に優れた圧電材料を有する圧電素子を提供することができる。   In addition, a piezoelectric element of the present invention includes a piezoelectric layer made of the above piezoelectric material and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. According to this, a piezoelectric element having a piezoelectric material having excellent durability can be provided.

そして、本発明の液体噴射ヘッドは、上記圧電素子と、液滴を噴射するノズル開口に連通した圧力発生室とを具備することを特徴とする。これによれば、耐久性に優れた液体噴射ヘッドとなる。   According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting head including the piezoelectric element and a pressure generating chamber communicated with a nozzle opening for ejecting droplets. According to this, it becomes a liquid jet head excellent in durability.

また、本発明の液体噴射装置は、上記液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置にある。かかる態様では、耐久性に優れた液体噴射装置となる。   According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head. In this aspect, the liquid ejecting apparatus is excellent in durability.

実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る圧電材料の製造方法例を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing a piezoelectric material according to the first embodiment. 試料3及び試料7のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the sample 3 and the sample 7. 試料15のd33の温度変化を示す図である。Is a diagram showing the temperature change in the d 33 of the sample 15. 試料3のSEM観察写真である。3 is a SEM observation photograph of Sample 3. 試料7のSEM観察写真である。4 is a SEM observation photograph of Sample 7. 試料15のSEM観察写真である。3 is a SEM observation photograph of Sample 15. 他の実施形態に係る液体噴射装置の斜視図である。It is a perspective view of the liquid ejecting apparatus according to another embodiment.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、インクジェット式記録ヘッドの断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the ink jet recording head.

図示するように、インクジェット式記録ヘッド10は、アクチュエーターユニット20と、アクチュエーターユニット20が固定される1つの流路ユニット30と、アクチュエーターユニット20に接続される配線基板50とで構成されている。   As illustrated, the ink jet recording head 10 includes an actuator unit 20, one flow path unit 30 to which the actuator unit 20 is fixed, and a wiring board 50 connected to the actuator unit 20.

アクチュエーターユニット20は、圧電素子40を具備するアクチュエーター装置であり、圧力発生室21が形成された流路形成基板22と、流路形成基板22の一方面側に設けられた振動板23と、流路形成基板22の他方面側に設けられた圧力発生室底板24とを有する。   The actuator unit 20 is an actuator device including a piezoelectric element 40, and includes a flow path forming substrate 22 in which a pressure generation chamber 21 is formed, a vibration plate 23 provided on one surface side of the flow path forming substrate 22, And a pressure generation chamber bottom plate 24 provided on the other surface side of the path forming substrate 22.

流路形成基板22は、例えば、150μm程度の厚みを有するアルミナ(Al23)や、ジルコニア(ZrO2)などのセラミックス板からなり、本実施形態では、複数の圧力発生室21がその幅方向に沿って並設された列が2列形成されている。そして、この流路形成基板22の一方面に、例えば、厚さ10μmのジルコニアの薄板からなる振動板23が固定され、圧力発生室21の一方面はこの振動板23により封止されている。 The flow path forming substrate 22 is made of, for example, a ceramic plate such as alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia (ZrO 2 ) having a thickness of about 150 μm. In this embodiment, the plurality of pressure generating chambers 21 have their widths. Two rows arranged in parallel along the direction are formed. A vibration plate 23 made of, for example, a zirconia thin plate having a thickness of 10 μm is fixed to one surface of the flow path forming substrate 22, and one surface of the pressure generating chamber 21 is sealed by the vibration plate 23.

圧力発生室底板24は、流路形成基板22の他方面側に固定されて圧力発生室21の他方面を封止すると共に、圧力発生室21の長手方向一方の端部近傍に設けられて圧力発生室21と後述するリザーバーとを連通する供給連通孔25と、圧力発生室21の長手方向他方の端部近傍に設けられて後述するノズル開口34に連通するノズル連通孔26とを有する。   The pressure generation chamber bottom plate 24 is fixed to the other surface side of the flow path forming substrate 22 to seal the other surface of the pressure generation chamber 21, and is provided in the vicinity of one end of the pressure generation chamber 21 in the longitudinal direction. A supply communication hole 25 for communicating the generation chamber 21 with a reservoir described later, and a nozzle communication hole 26 provided near the other end in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 21 and communicating with a nozzle opening 34 described later.

そして、圧電素子40は、振動板23上の各圧力発生室21に対向する領域のそれぞれに設けられ、例えば、本実施形態では、圧力発生室21の列が2列設けられているため、圧電素子40の列も2列設けられている。   And the piezoelectric element 40 is provided in each area | region facing each pressure generation chamber 21 on the diaphragm 23, for example, in this embodiment, since the row | line | column of the pressure generation chamber 21 is provided in two rows, it is piezoelectric Two rows of elements 40 are also provided.

ここで、各圧電素子40は、振動板23上に設けられた第1電極(電極層)43と、各圧力発生室21毎に独立して設けられた圧電体層(圧電セラミックス層)44と、各圧電体層44上に設けられた第2電極(電極層)45とで構成されている。なお、本実施形態においては、圧電体層44は、一般的に膜厚が厚い(例えば10〜1000μm)圧電材料であり、例えば、金属酸化物や金属炭酸塩の粉末を物理的に混合・粉砕・成形を行った後に焼成する等の固相法等で作製するいわゆるバルクの圧電体層44である。また、第1電極43は、並設された圧電体層44に亘って設けられて各圧電素子40の共通電極となっており、振動板の一部として機能する。勿論、第1電極43を各圧電体層44毎に設けるようにしてもよい。   Here, each piezoelectric element 40 includes a first electrode (electrode layer) 43 provided on the vibration plate 23, and a piezoelectric layer (piezoelectric ceramic layer) 44 provided independently for each pressure generating chamber 21. And a second electrode (electrode layer) 45 provided on each piezoelectric layer 44. In the present embodiment, the piezoelectric layer 44 is generally a piezoelectric material having a large film thickness (for example, 10 to 1000 μm). For example, powder of metal oxide or metal carbonate is physically mixed and pulverized. A so-called bulk piezoelectric layer 44 produced by a solid phase method such as firing after forming. The first electrode 43 is provided across the piezoelectric layers 44 arranged side by side and serves as a common electrode for each piezoelectric element 40 and functions as a part of the diaphragm. Of course, the first electrode 43 may be provided for each piezoelectric layer 44.

なお、アクチュエーターユニット20の各層である流路形成基板22、振動板23及び圧力発生室底板24は、粘土状のセラミックス材料、いわゆるグリーンシートを所定の厚さに成形して、例えば、圧力発生室21等を穿設後、積層して焼成することにより接着剤を必要とすることなく一体化される。そして、その後、振動板23上に圧電素子40が形成される。   The flow path forming substrate 22, the vibration plate 23, and the pressure generation chamber bottom plate 24, which are each layer of the actuator unit 20, are formed of a clay-like ceramic material, a so-called green sheet, to a predetermined thickness, for example, a pressure generation chamber. After drilling 21 and the like, they are laminated and fired to integrate them without requiring an adhesive. Thereafter, the piezoelectric element 40 is formed on the vibration plate 23.

そして、本実施形態においては、第1電極43上に形成される圧電体層44は、後述する所定の製造方法によって製造されるものであり、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、リチウム(Li)、ニオブ(Nb)及びタンタル(Ta)を含有するペロブスカイト型酸化物とマンガン酸ビスマス(例えばBiMnO)とを含む固溶体からなる圧電材料を用いている。なお、ペロブスカイト型酸化物とは、ペロブスカイト構造を有する化合物である。このペロブスカイト構造、すなわち、ABO型構造のAサイトは、酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)を作っているものである。そして、AサイトにNa、K、Liや必要に応じて含有させるCaが、BサイトにNb、Taや必要に応じて含有させるZrが位置している。そして、圧電体層44を構成する圧電材料は、マンガン酸ビスマスを含有しているが、このマンガン酸ビスマスは、上記ペロブスカイト型酸化物のAサイトにBiが位置しBサイトにMnが位置することにより、AサイトがNa、K、Li、Biや必要に応じて含有させるCaで、BサイトがNb、Ta、Mnや必要に応じて含有させるZrであるペロブスカイト型酸化物となっていてもよい。 In this embodiment, the piezoelectric layer 44 formed on the first electrode 43 is manufactured by a predetermined manufacturing method to be described later. Sodium (Na), potassium (K), lithium (Li ), A piezoelectric material made of a solid solution containing a perovskite oxide containing niobium (Nb) and tantalum (Ta) and bismuth manganate (for example, BiMnO 3 ). Note that the perovskite oxide is a compound having a perovskite structure. In the perovskite structure, that is, the A site of the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and the B site is 6-coordinated of oxygen to form an octahedron. In addition, Na, K, Li and Ca contained if necessary in the A site are located, and Nb, Ta and Zr contained if necessary in the B site are located. The piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 44 contains bismuth manganate. In this bismuth manganate, Bi is located at the A site of the perovskite oxide and Mn is located at the B site. Thus, the A site may be Na, K, Li, Bi, or Ca contained if necessary, and the B site may be Nb, Ta, Mn, or Zr that is optionally contained Zr. .

このように、Na、K、Li、Nb及びTaを含有するペロブスカイト型酸化物とマンガン酸ビスマスとを含む固溶体からなる圧電材料を圧電体層44とすることにより、後述する実施例に示すように、tanδが小さく(例えば、tanδが2.0以下。)耐久性に優れた圧電体層44を有する圧電素子40となる。また、耐水性にも優れる。さらに、鉛やアンチモンの含有量を低くしたり実質的に含有しないようにできるため、環境への悪影響を低減することができる。   In this way, a piezoelectric material made of a solid solution containing a perovskite oxide containing Na, K, Li, Nb, and Ta and bismuth manganate is used as the piezoelectric layer 44, as shown in the examples described later. , Tan δ is small (for example, tan δ is 2.0 or less), and the piezoelectric element 40 having the piezoelectric layer 44 with excellent durability is obtained. Moreover, it is excellent also in water resistance. Furthermore, since the content of lead and antimony can be lowered or not substantially contained, adverse effects on the environment can be reduced.

そして、圧電体層44は、さらに、ジルコン酸カルシウム(例えばCaZrO)を含むことが好ましい。さらにジルコン酸カルシウムを含むことにより、誘電率が高くなり、また、温度安定性に優れる。 The piezoelectric layer 44 preferably further contains calcium zirconate (for example, CaZrO 3 ). Further, by containing calcium zirconate, the dielectric constant is increased and the temperature stability is excellent.

なお、Na、K、Li、Nb及びTaを含むペロブスカイト型酸化物の各元素のモル比は特に限定されないが、例えば、Na、K、Liの総モル量に対して、Kが42モル%以上48モル%以下で、Naが47.5モル%以上52モル%以下とし、また、Nb、Taの総モル量に対してNbが80モル%以上85モル%以下とすればよい。   The molar ratio of each element of the perovskite oxide containing Na, K, Li, Nb and Ta is not particularly limited. For example, K is 42 mol% or more with respect to the total molar amount of Na, K, and Li. 48 mol% or less, Na may be 47.5 mol% or more and 52 mol% or less, and Nb may be 80 mol% or more and 85 mol% or less with respect to the total molar amount of Nb and Ta.

また、Na、K、Li、Nb及びTaを含むペロブスカイト型酸化物、マンガン酸ビスマス、必要に応じて含有させるジルコン酸カルシウムの割合も特に限定されず、Na、K、Li、Nb及びTaを含むペロブスカイト型酸化物に対して、マンガン酸ビスマスやジルコン酸カルシウムは微量添加でよい。例えば、Na、K、Li、Nb及びTaを含むペロブスカイト型酸化物に対して、マンガン酸ビスマスは0.25mol%以上1mol%以下とすればよい。また、Na、K、Li、Nb及びTaを含むペロブスカイト型酸化物に対して、ジルコン酸カルシウムは1mol%以上4mol%以下とすればよい。このような組成比の圧電材料は、例えば、下記式(1)で表される。勿論、CaZrOを含有しない場合は、下記式(1)において、nは零である。
(Kx,Nay,Li1-x-y)(Nbz,Ta1-z)O3-m[BiMnO3]-n[CaZrO3] (1)
(0.420≦x≦0.480、0.475≦y≦0.520、0.80≦z≦0.85、0.0025≦m≦0.01、0.01≦n≦0.04)
Moreover, the ratio of the perovskite type oxide containing Na, K, Li, Nb and Ta, bismuth manganate, and calcium zirconate to be contained as required is not particularly limited, and includes Na, K, Li, Nb and Ta. A small amount of bismuth manganate or calcium zirconate may be added to the perovskite oxide. For example, bismuth manganate may be 0.25 mol% or more and 1 mol% or less with respect to a perovskite oxide containing Na, K, Li, Nb, and Ta. The calcium zirconate may be 1 mol% or more and 4 mol% or less with respect to the perovskite oxide containing Na, K, Li, Nb, and Ta. The piezoelectric material having such a composition ratio is represented by the following formula (1), for example. Of course, when CaZrO 3 is not contained, n is zero in the following formula (1).
(K x , Na y , Li 1-xy ) (Nb z , Ta 1-z ) O 3 -m [BiMnO 3 ] -n [CaZrO 3 ] (1)
(0.420 ≦ x ≦ 0.480, 0.475 ≦ y ≦ 0.520, 0.80 ≦ z ≦ 0.85, 0.0025 ≦ m ≦ 0.01, 0.01 ≦ n ≦ 0.04)

ここで、このような圧電素子40は、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルの金属酸化物又は金属炭酸塩の粉末を混合して仮焼成することによりナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物を形成する工程と、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物にマンガン及びビスマスを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加して混合した後焼結する工程により、製造することができる。製造方法の一例について、図3を参照して説明する。図3は、圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。   Here, such a piezoelectric element 40 contains sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum by mixing and pre-baking powders of metal oxide or metal carbonate of sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum. Forming a composite oxide, and adding and mixing a metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth to a composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, followed by sintering Can be manufactured. An example of the manufacturing method will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a piezoelectric element.

図3に示すように、まず、圧電体層44を得るための主成分の出発原料として、例えば、NaCO、KCO、LiCO、Nb、Taの粉末を用意し、これらの粉末を乾燥させた状態で所定比率となるように秤量した後、例えば、純水、エタノール等を添加してボールミルで混合・粉砕して原料混合物とする。さらに、この原料混合物を乾燥させた後、700〜1000℃で合成(仮焼成)することで、K、Na、Li、Nb及びTaを含有する複合酸化物の粉末が形成される。 As shown in FIG. 3, first, as the main starting material for obtaining the piezoelectric layer 44, for example, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 These powders are prepared and weighed to a predetermined ratio in a dried state, and then, for example, pure water, ethanol, etc. are added and mixed and pulverized with a ball mill to obtain a raw material mixture. Furthermore, after this raw material mixture is dried, a composite oxide powder containing K, Na, Li, Nb and Ta is formed by synthesis (preliminary firing) at 700 to 1000 ° C.

次に、この粉末にBi粉末、MnO粉末、必要に応じてCaZrO粉末を添加してボールミルなどで混合し、混合物を乾燥させた後、その中に所定量のバインダを添加して造粒し、金型プレス等によって所定圧力(例えば1000〜2000kg/cm)で成形する。そして成形したものを600〜700℃程度の温度で脱脂し、1000〜1250℃程度の温度で焼結することで、上記式(1)で表されるいわゆるバルクの圧電材料が形成される。 Next, Bi 2 O 3 powder, MnO 2 powder and, if necessary, CaZrO 3 powder are added to this powder and mixed with a ball mill or the like. After the mixture is dried, a predetermined amount of binder is added thereto. And granulated by a die press or the like at a predetermined pressure (for example, 1000 to 2000 kg / cm 2 ). And what is called bulk piezoelectric material represented by the said Formula (1) is formed by degreasing what was shape | molded at the temperature of about 600-700 degreeC, and sintering at the temperature of about 1000-1250 degreeC.

その後、この圧電材料を研磨し、その両面にそれぞれ第1電極43及び第2電極45を形成し、さらにポーリングや各種測定を行うことで、上述の圧電素子40が形成される。形成された圧電素子40を流路形成基板22に搭載して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。つまり、このような方法で圧電素子40を形成することで、上述したように環境に優しく且つ耐久性に優れたインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。   Thereafter, the piezoelectric material is polished, the first electrode 43 and the second electrode 45 are formed on both surfaces thereof, and further, the above-described piezoelectric element 40 is formed by performing poling and various measurements. The formed piezoelectric element 40 is mounted on the flow path forming substrate 22 to form the ink jet recording head of this embodiment. That is, by forming the piezoelectric element 40 by such a method, it is possible to realize an ink jet recording head that is environmentally friendly and excellent in durability as described above.

特に、本実施形態では、NaCO、KCO、LiCO、Nb、Taの粉末から形成した粉末に、Bi、MnOやCaZrOの粉末を添加している。すなわち、圧電材料の製造途中に、Bi、MnOやCaZrOの粉末を添加している。これにより、より緻密で圧電特性に優れた圧電体層44とすることができる。ここで、(K,Na,Li1−x−y)(Nb,Ta1−z)O等のKNN系材料は結晶粒の成長速度が速いため製造される圧電材料は粒界上にある気孔が結晶粒中に入ることで比較的密度が低くなる。本実施形態においては、製造途中、すなわち、(K,Na,Li1−x−y)(Nb,Ta1−z)O等のKNN系材料を仮焼成した後に、BiとMnO等を同時添加することにより、緻密で圧電特性に優れた圧電体層44を製造することができる。 In particular, in the present embodiment, Bi 2 O 3 , MnO 2, and CaZrO 3 are added to powders formed from Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , and Ta 2 O 5 powders. Powder is added. That is, Bi 2 O 3 , MnO 2 and CaZrO 3 powders are added during the production of the piezoelectric material. Thereby, the piezoelectric layer 44 can be made denser and excellent in piezoelectric characteristics. Here, since KNN-based materials such as (K x , Na y , Li 1-xy ) (Nb z , Ta 1-z ) O 3 have a high crystal grain growth rate, the piezoelectric material produced is a grain boundary. The density of the pores on the upper side becomes relatively low due to entering the crystal grains. In the present embodiment, Bi 2 O is used during the production, that is, after calcining a KNN-based material such as (K x , Na y , Li 1-xy ) (Nb z , Ta 1-z ) O 3. By simultaneously adding 3 and MnO 2 or the like, it is possible to produce a dense piezoelectric layer 44 having excellent piezoelectric characteristics.

一方、流路ユニット30は、アクチュエーターユニット20の圧力発生室底板24に接合されるインク供給口形成基板31と、複数の圧力発生室21の共通インク室となるリザーバー32が形成されるリザーバー形成基板33と、ノズル開口34が形成されたノズルプレート35とからなる。   On the other hand, the flow path unit 30 includes an ink supply port forming substrate 31 joined to the pressure generating chamber bottom plate 24 of the actuator unit 20 and a reservoir forming substrate on which a reservoir 32 serving as a common ink chamber of the plurality of pressure generating chambers 21 is formed. 33 and a nozzle plate 35 in which nozzle openings 34 are formed.

インク供給口形成基板31は、厚さ150μmのジルコニアの薄板からなり、ノズル開口34と圧力発生室21とを接続するノズル連通孔36と、前述の供給連通孔25と共にリザーバー32と圧力発生室21とを接続するインク供給口37を穿設して構成され、また、各リザーバー32と連通し、外部のインクタンクからのインクを供給するインク導入口38が設けられている。   The ink supply port forming substrate 31 is made of a zirconia thin plate having a thickness of 150 μm. The nozzle communication hole 36 connecting the nozzle opening 34 and the pressure generation chamber 21, and the reservoir 32 and the pressure generation chamber 21 together with the supply communication hole 25 described above. The ink supply port 37 is connected to each other, and an ink introduction port 38 that communicates with each reservoir 32 and supplies ink from an external ink tank is provided.

リザーバー形成基板33は、インク流路を構成するに適した、例えば、150μmのステンレス鋼などの耐食性を備えた板材に、外部のインクタンク(図示なし)からインクの供給を受けて圧力発生室21にインクを供給するリザーバー32と、圧力発生室21とノズル開口34とを連通するノズル連通孔39とを有する。   The reservoir forming substrate 33 receives a supply of ink from an external ink tank (not shown) on a plate material having corrosion resistance such as 150 μm stainless steel, which is suitable for forming an ink flow path. And a nozzle communication hole 39 for communicating the pressure generating chamber 21 and the nozzle opening 34 with each other.

ノズルプレート35は、例えば、ステンレス鋼からなる薄板に、圧力発生室21と同一の配列ピッチでノズル開口34が穿設されて形成されている。例えば、本実施形態では、流路ユニット30には、圧力発生室21の列が2列設けられているため、ノズルプレート35にも、ノズル開口34の列が2列形成されている。また、このノズルプレート35は、リザーバー形成基板33の流路形成基板22の反対面に接合されてリザーバー32の一方面を封止している。   The nozzle plate 35 is formed, for example, by forming nozzle openings 34 in a thin plate made of stainless steel at the same arrangement pitch as the pressure generating chambers 21. For example, in the present embodiment, since the flow path unit 30 is provided with two rows of the pressure generating chambers 21, the nozzle plate 35 is also formed with two rows of nozzle openings 34. The nozzle plate 35 is bonded to the opposite surface of the reservoir forming substrate 33 to the flow path forming substrate 22 to seal one surface of the reservoir 32.

このような流路ユニット30は、これらインク供給口形成基板31、リザーバー形成基板33及びノズルプレート35を、接着剤や熱溶着フィルム等によって固定することで形成される。なお、本実施形態では、リザーバー形成基板33及びノズルプレート35をステンレス鋼によって形成しているが、例えば、セラミックスを用いて形成し、アクチュエーターユニット20と同様に流路ユニット30を一体的に形成することもできる。   Such a flow path unit 30 is formed by fixing the ink supply port forming substrate 31, the reservoir forming substrate 33, and the nozzle plate 35 with an adhesive, a heat welding film, or the like. In the present embodiment, the reservoir forming substrate 33 and the nozzle plate 35 are formed of stainless steel. However, for example, the reservoir forming substrate 33 and the nozzle plate 35 are formed of ceramics, and the flow path unit 30 is integrally formed in the same manner as the actuator unit 20. You can also.

そして、このような流路ユニット30とアクチュエーターユニット20とは、接着剤や熱溶着フィルムを介して接合されて固定されている。   And such a flow-path unit 30 and the actuator unit 20 are joined and fixed through the adhesive agent and the heat welding film.

また、図2に示すように、各圧電素子40の長手方向一端部の圧力発生室21の周壁に相対向する領域には、圧電素子40に導通する端子部46が設けられている。端子部46は、圧電素子40毎に設けられて圧電素子40の第2電極45に導通する端子部46と、圧電素子の並設方向両端部側に引き出された第1電極43に導通する端子部(図示なし)とが、圧電素子40の並設方向に並設されている。本実施形態では、並設された圧電素子40の列と列の間に並設された端子部46の列を2列設けるようにした。   In addition, as shown in FIG. 2, a terminal portion 46 that conducts to the piezoelectric element 40 is provided in a region opposite to the peripheral wall of the pressure generating chamber 21 at one end in the longitudinal direction of each piezoelectric element 40. The terminal part 46 is provided for each piezoelectric element 40 and is electrically connected to the terminal part 46 that is electrically connected to the second electrode 45 of the piezoelectric element 40 and the first electrode 43 that is drawn to both ends of the piezoelectric element in the parallel direction. (Not shown) are juxtaposed in the direction in which the piezoelectric elements 40 are juxtaposed. In the present embodiment, two rows of the terminal portions 46 arranged in parallel between the rows of the piezoelectric elements 40 arranged in parallel are provided.

このような端子部46は、流路形成基板22(振動板23)からの高さ、すなわち上端面が、圧電素子40の流路形成基板22(振動板23)からの高さよりも高く形成されている。これは、端子部46と配線基板50の配線層51とを接続した際に、配線基板50が圧電素子40に当接して、圧電素子40の変位が低下するのを防止するためである。本実施形態では、端子部46の流路形成基板22(振動板23)からの高さを20μmで形成した。   Such a terminal portion 46 is formed such that the height from the flow path forming substrate 22 (vibrating plate 23), that is, the upper end surface is higher than the height of the piezoelectric element 40 from the flow path forming substrate 22 (vibrating plate 23). ing. This is to prevent the displacement of the piezoelectric element 40 from being lowered by the contact of the wiring board 50 with the piezoelectric element 40 when the terminal portion 46 and the wiring layer 51 of the wiring board 50 are connected. In the present embodiment, the height of the terminal portion 46 from the flow path forming substrate 22 (the vibration plate 23) is 20 μm.

なお、このような端子部46は、例えば、銀(Ag)等の導電性の高い金属材料を用いて、スクリーン印刷によって形成することができる。   In addition, such a terminal part 46 can be formed by screen printing using metal materials with high electroconductivity, such as silver (Ag), for example.

そして、圧電素子40の各第2電極45及び第1電極43に導通する端子部には、配線基板50に設けられた配線層51が電気的に接続されており、この配線基板50を介して図示しない駆動回路からの駆動信号が各圧電素子40に供給される。なお、駆動回路は、特に図示していないが、配線基板50上に実装されていても、また、配線基板50以外に実装されていてもよい。   A wiring layer 51 provided on the wiring board 50 is electrically connected to a terminal portion that is electrically connected to each of the second electrode 45 and the first electrode 43 of the piezoelectric element 40. A drive signal from a drive circuit (not shown) is supplied to each piezoelectric element 40. The drive circuit is not particularly illustrated, but may be mounted on the wiring board 50 or may be mounted on other than the wiring board 50.

配線基板50は、2列の圧電素子40に亘って1つ設けられた、例えば、フレキシブルプリンティングサーキット(FPC)や、テープキャリアパッケージ(TCP)などからなる。詳しくは、配線基板50は、例えば、ポリイミド等のベースフィルム52の表面に銅薄をベースとして錫メッキ等を施した所定パターンの配線層51を形成し、配線層51の端子部46と接続される端部以外の領域をレジスト等の絶縁材料53で覆ったものである。   The wiring substrate 50 is formed of, for example, a flexible printing circuit (FPC), a tape carrier package (TCP), or the like, which is provided across the two rows of piezoelectric elements 40. Specifically, the wiring substrate 50 is formed by forming a wiring layer 51 having a predetermined pattern on the surface of a base film 52 made of polyimide or the like by performing tin plating or the like using a copper thin base as a base, and is connected to the terminal portion 46 of the wiring layer 51. A region other than the edge portion is covered with an insulating material 53 such as a resist.

また、配線基板50には、並設された圧電素子40の列と列の間に対向する領域に貫通孔54が設けられており、配線層51は、貫通孔54側の端部で端子部46と接続されている。なお、配線基板50の貫通孔54は、貫通孔54が設けられていないベースフィルム52の表面に、一方の列の圧電素子40に接続される配線層51と、他方の列の圧電素子40に接続される配線層51とが連続するように形成後、2列の圧電素子40に接続される導通された配線層51を切断するようにベースフィルム52に設けることで形成される。   Further, the wiring substrate 50 is provided with through holes 54 in regions facing each other between the rows of the piezoelectric elements 40 arranged side by side. The wiring layer 51 has a terminal portion at the end on the through hole 54 side. 46 is connected. The through holes 54 of the wiring substrate 50 are formed on the surface of the base film 52 where the through holes 54 are not provided, on the wiring layer 51 connected to the piezoelectric elements 40 in one row and on the piezoelectric elements 40 in the other row. After the wiring layers 51 to be connected are formed so as to be continuous, the conductive wiring layers 51 connected to the two rows of piezoelectric elements 40 are provided on the base film 52 so as to be cut.

そして、配線基板50の配線層51と圧電素子40に導通する端子部とは、異方性導電材からなる接着層55を介して電気的及び機械的に接続されている。   The wiring layer 51 of the wiring substrate 50 and the terminal portion that is electrically connected to the piezoelectric element 40 are electrically and mechanically connected via an adhesive layer 55 made of an anisotropic conductive material.

このような構成のインクジェット式記録ヘッド10では、インクカートリッジ(貯留手段)からインク導入口38を介してリザーバー32内にインクを取り込み、リザーバー32からノズル開口34に至るまでの液体流路内をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号を配線基板50を介して圧電素子40に供給することで、各圧力発生室21に対応する各圧電素子40に電圧を印加して圧電素子40と共に振動板23をたわみ変形させることにより、各圧力発生室21内の圧力が高まり各ノズル開口34からインク滴が噴射される。   In the ink jet recording head 10 having such a configuration, ink is taken into the reservoir 32 from the ink cartridge (reserving means) through the ink introduction port 38, and ink is passed through the liquid flow path from the reservoir 32 to the nozzle opening 34. Then, a recording signal from a drive circuit (not shown) is supplied to the piezoelectric element 40 via the wiring substrate 50, whereby a voltage is applied to each piezoelectric element 40 corresponding to each pressure generating chamber 21 to thereby apply the piezoelectric element 40. At the same time, the diaphragm 23 is bent and deformed to increase the pressure in each pressure generating chamber 21 and eject ink droplets from each nozzle opening 34.

上述した製造方法により得られた圧電体層44の耐久性等の特性について、以下の実験例でより詳細に説明する。   Characteristics such as durability of the piezoelectric layer 44 obtained by the manufacturing method described above will be described in more detail in the following experimental examples.

(試料1)
NaCO、KCO、LiCO、Nbの粉末を120℃で乾燥させた状態で秤量した後、エタノール等を添加してボールミルで混合・粉砕して原料混合物とした。さらに、この原料混合物を乾燥させた後、800℃で仮焼成することで、K、Na、Li及びNbを有する複合酸化物の粉末を形成した。
(Sample 1)
After weighing Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , and Nb 2 O 5 powders dried at 120 ° C., ethanol and the like are added and mixed and pulverized with a ball mill, did. Furthermore, after drying this raw material mixture, the composite oxide powder containing K, Na, Li and Nb was formed by calcining at 800 ° C.

次いで、この粉末に7重量%のポリビニルアルコール(PVA)水溶液を添加して造粒し、金型プレスによって1500kg/cmで成形した。そして成形したものを、1060℃で2時間焼結し、表1の試料1に示すx、y、z、m及びnの上記式(1)で表される圧電体層を作製した。 Next, 7% by weight of a polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution was added to the powder and granulated, and molded at 1500 kg / cm 2 by a mold press. And what was shape | molded was sintered at 1060 degreeC for 2 hours, and the piezoelectric material layer represented by the said Formula (1) of x, y, z, m, and n shown in the sample 1 of Table 1 was produced.

このように形成した圧電体層の表面を研磨し、その研磨面に銀ペーストを印刷により塗布して700℃で20分間焼成することで、圧電体層の厚さ方向の両側に一対の電極層(第1電極43及び第2電極45)を形成して圧電素子を形成した。   The surface of the piezoelectric layer thus formed is polished, a silver paste is applied to the polished surface by printing, and baked at 700 ° C. for 20 minutes, so that a pair of electrode layers are formed on both sides in the thickness direction of the piezoelectric layer. A piezoelectric element was formed by forming (first electrode 43 and second electrode 45).

そして形成した圧電素子を130〜160℃のシリコンオイルに浸漬した状態で、3〜5kV/mmの電界を5〜15分間印加することで、圧電素子の分極処理(ポーリング)を行って、試料1の圧電素子を得た。   Then, in the state in which the formed piezoelectric element is immersed in silicon oil at 130 to 160 ° C., a piezoelectric element is subjected to polarization treatment (polling) by applying an electric field of 3 to 5 kV / mm for 5 to 15 minutes. A piezoelectric element was obtained.

(試料2〜3)
NaCO、KCO、LiCO、Nbの粉末にさらにTaの粉末を混合してK、Na、Li、Nb及びTaを有する複合酸化物の粉末を形成したこと、及び、焼結温度を1120℃2時間とした以外は、試料1と同様の操作を行って、表1の試料2及び試料3に示すx、y、z、m及びnの上記式(1)で表される圧電体層を作製し、試料2及び試料3の圧電素子を得た。
(Samples 2-3)
A powder of complex oxide containing K, Na, Li, Nb and Ta is obtained by further mixing Ta 2 O 5 powder with Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 powder. Except that it was formed and the sintering temperature was 1120 ° C. for 2 hours, the same operations as in Sample 1 were performed, and the above x, y, z, m, and n shown in Sample 2 and Sample 3 in Table 1 A piezoelectric layer represented by the formula (1) was produced, and piezoelectric elements of Sample 2 and Sample 3 were obtained.

(試料4〜10)
NaCO、KCO、LiCO、Nb及びTaの粉末を120℃で乾燥させた状態で秤量した後、エタノール等を添加してボールミルで混合・粉砕して原料混合物とした。さらに、この原料混合物を乾燥させた後、850℃で仮焼成することで、K、Na、Li、Nb及びTaを有する複合酸化物の粉末を形成した。
(Samples 4 to 10)
Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5, and Ta 2 O 5 powders are weighed in a state of being dried at 120 ° C., then added with ethanol or the like and mixed and pulverized by a ball mill. Thus, a raw material mixture was obtained. Furthermore, after this raw material mixture was dried, a composite oxide powder containing K, Na, Li, Nb and Ta was formed by calcination at 850 ° C.

次いで、この粉末にBi粉末及びMnO粉末を添加してボールミルで混合し、混合物を乾燥させた後、その粉末に、試料1と同様に7重量%のポリビニルアルコール(PVA)水溶液を添加して造粒し、金型プレスによって1500kg/cmで成形した。そして成形したものを、1160℃で2時間焼結し、表1の試料4〜10に示すx、y、z、m及びnの上記式(1)で表される圧電体層を作製した。 Next, Bi 2 O 3 powder and MnO 2 powder were added to this powder, mixed with a ball mill, and the mixture was dried. Then, 7 wt% aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) was added to the powder in the same manner as in Sample 1. It was added and granulated, and molded at 1500 kg / cm 2 by a mold press. And what was shape | molded was sintered at 1160 degreeC for 2 hours, and the piezoelectric material layer represented by the said Formula (1) of x, y, z, m, and n shown to the samples 4-10 of Table 1 was produced.

このように形成した圧電体層の表面を研磨し、その研磨面に銀ペーストを印刷により塗布して700℃で20分間焼成することで、圧電体層の厚さ方向の両側に一対の電極層(第1電極43及び第2電極45)を形成して圧電素子を形成した。   The surface of the piezoelectric layer thus formed is polished, a silver paste is applied to the polished surface by printing, and baked at 700 ° C. for 20 minutes, so that a pair of electrode layers are formed on both sides in the thickness direction of the piezoelectric layer. A piezoelectric element was formed by forming (first electrode 43 and second electrode 45).

そして形成した圧電素子を25℃のシリコンオイルに浸漬した状態で、3〜4kV/mmの電界を5〜15分間印加することで、圧電素子の分極処理(ポーリング)を行って、試料4〜10の圧電素子を得た。   Then, in the state where the formed piezoelectric element is immersed in silicon oil at 25 ° C., an electric field of 3 to 4 kV / mm is applied for 5 to 15 minutes to polarize the piezoelectric element (polling), and samples 4 to 10 A piezoelectric element was obtained.

(試料11〜16)
Bi粉末及びMnO粉末を添加する際に、さらにCaZrO粉末を添加したこと、及び、焼結温度を試料11及び試料14では1130℃2時間とし、試料12及び試料13では1160℃2時間とし、試料15及び試料16では1150℃2時間とした以外は、試料4〜10と同様の操作を行って、表1の試料11〜16に示すx、y、z、m及びnの上記式(1)で表される圧電体層を作製し、試料11〜16の圧電素子を得た。
(Samples 11-16)
When Bi 2 O 3 powder and MnO 2 powder were added, CaZrO 3 powder was further added, and the sintering temperature was 1130 ° C. for Sample 11 and Sample 14 for 2 hours, and Sample 12 and Sample 13 were 1160 ° C. 2 hours, except for Sample 15 and Sample 16 at 1150 ° C. for 2 hours, the same operations as in Samples 4 to 10 were performed, and x, y, z, m, and n shown in Samples 11 to 16 in Table 1 A piezoelectric layer represented by the above formula (1) was produced, and piezoelectric elements of Samples 11 to 16 were obtained.

(試料17〜18)
NaCO、KCO、LiCO、Nb及びTaの粉末にさらにSbを混合してK、Na、Li、Nb、Ta及びSbを有する複合酸化物の粉末を形成したこと以外は、試料4〜10と同様の操作を行って、表1の試料17及び試料18に示すx、y、z及びmで、w=0.03の下記式(2)で表される圧電体層を作製し、試料17〜18の圧電素子を得た。なお、式(2)において、(K,Na,Li1−x−y)(Nb,SbTa1−z−w)O:BiMnO=1:m(モル比)の割合である。
(Kx,Nay,Li1-x-y)(Nbz,SbwTa1-z-w)O3-m[BiMnO3] (2)
(Samples 17-18)
A composite containing K, Na, Li, Nb, Ta and Sb by further mixing Sb 2 O 5 with powder of Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 Except that the oxide powder was formed, the same operation as in Samples 4 to 10 was performed, and x, y, z, and m shown in Sample 17 and Sample 18 in Table 1 and w = 0.03 A piezoelectric layer represented by (2) was prepared, and piezoelectric elements of Samples 17 to 18 were obtained. Note that the formula in (2), (K x, Na y, Li 1-x-y) (Nb z, Sb w Ta 1-z-w) O 3: ratio of m (mole ratio): BiMnO 3 = 1 It is.
(K x , Na y , Li 1-xy ) (Nb z , Sb w Ta 1-zw ) O 3 -m [BiMnO 3 ] (2)

(試験例1)
このようにして形成された試料1〜18の分極方向の圧電定数d33(変位特性)、誘電損失(tanδ)、密度、誘電率εを測定した。結果を表1に示す。なお、d33はUK PIEZOTEST製ピエゾd33メーターで測定し、tanδはヒューレット・パッカード製HP4294Aで測定し、密度はARCHIMIDES法で25℃で測定した。また、誘電率εはヒューレット・パッカード製HP4294Aで25℃で測定した。また、試料1〜10については、3日間水中に浸漬した後のd33も測定し、浸漬する前のd33に対する浸漬した後のd33の減少率を求めた。結果を表2に示す。
(Test Example 1)
The piezoelectric constants d 33 (displacement characteristics), dielectric loss (tan δ), density, and dielectric constant ε r in the polarization direction of the samples 1 to 18 thus formed were measured. The results are shown in Table 1. D 33 was measured with a Piezo d 33 meter manufactured by UK PIEZOTEST, tan δ was measured with HP 4294A manufactured by Hewlett-Packard, and the density was measured at 25 ° C. by the ARCHIMIDES method. Further, the dielectric constant epsilon r was measured at 25 ° C. with a Hewlett-Packard HP4294A. Also, the samples 1 to 10, also measured d 33 after immersion in water for three days, to determine the rate of decrease of d 33 after immersion for previous d 33 dipping. The results are shown in Table 2.

この結果、K、Na、Li、Nb、Taからなるペロブスカイト型酸化物に、マンガン酸ビスマス、さらにジルコン酸カルシウムを添加し、本発明の範囲内である試料4〜16では、tanδが小さく耐久性に優れることが確認された。そして、絶縁性が高く、容易にポーリング処理をすることができた。一方、マンガン酸ビスマスを含有しない試料2〜3や、K、Na、Li、Nbからなるペロブスカイト型酸化物である試料1は、試料4〜16と比較して、tanδが大きく、耐久性が悪かった。なお、各試料について、複数回同一の操作を行って、それぞれtanδを測定したところ、試料4〜16では、試料1〜3と比較して、値にばらつきが無く、再現性が良好だった。   As a result, bismuth manganate and calcium zirconate were added to the perovskite oxide composed of K, Na, Li, Nb, and Ta, and in samples 4 to 16 within the scope of the present invention, tan δ was small and durability It was confirmed to be excellent. And it was highly insulating and could be easily polled. On the other hand, Samples 2 to 3 that do not contain bismuth manganate and Sample 1 that is a perovskite oxide composed of K, Na, Li, and Nb have larger tan δ and poor durability compared to Samples 4 to 16. It was. In addition, when the same operation was performed for each sample a plurality of times and tan δ was measured, the values of Samples 4 to 16 were not different from those of Samples 1 to 3, and the reproducibility was good.

また、K、Na、Li、Nb、Taからなるペロブスカイト型酸化物に、マンガン酸ビスマス、さらにジルコン酸カルシウムを添加し、本発明の範囲内である試料4〜7及び9〜16では、マンガン酸ビスマスやジルコン酸カルシウムを添加していない試料1〜3と比べて、圧電定数d33が高く、180以上であった。なお、m=0.01の試料8は、マンガン酸ビスマスの含有量が多めなためか圧電定数d33は試料1〜3と同程度であった。 In addition, bismuth manganate and further calcium zirconate were added to perovskite type oxides composed of K, Na, Li, Nb and Ta, and in samples 4 to 7 and 9 to 16 within the scope of the present invention, manganic acid was used. compared with samples 1-3 without the addition of bismuth or calcium zirconate, piezoelectric constant d 33 is high, was 180 or more. Incidentally, the sample 8 of m = 0.01, the piezoelectric constant d 33 or because it is generous amount of bismuth manganate was comparable with the sample 1-3.

K、Na、Li、Nb、Taからなるペロブスカイト型酸化物に、マンガン酸ビスマス、さらにジルコン酸カルシウムを添加し、本発明の範囲内である試料4〜16では、tanδが小さく耐久性に優れることが確認された。   Bismuth manganate and calcium zirconate are added to the perovskite oxide composed of K, Na, Li, Nb, and Ta. Samples 4 to 16 within the scope of the present invention have small tan δ and excellent durability. Was confirmed.

そして、K、Na、Li、Nb、Taからなるペロブスカイト型酸化物にマンガン酸ビスマスを添加した試料4〜10は、誘電率が高かった。そして、さらにジルコン酸カルシウムを添加した試料11〜16では、試料4〜10と比較しても顕著に誘電率が高かった。   And the samples 4-10 which added bismuth manganate to the perovskite type oxide which consists of K, Na, Li, Nb, and Ta had a high dielectric constant. And in the samples 11-16 which further added calcium zirconate, the dielectric constant was remarkably high even compared with the samples 4-10.

また、試料17及び試料18の結果から、本発明のNa、K、Li、Nb、Taを含むペロブスカイト型酸化物及びマンガン酸ビスマスを添加した系においては、アンチモンを添加させるとd33が大幅に減少してしまうことも分かった。 Further, from the results of Sample 17 and Sample 18, Na of the present invention, K, Li, Nb, In the perovskite-type oxide and systems by adding bismuth manganate containing Ta, when is added antimony d 33 is substantially I also found that it decreased.

なお、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、試料1〜18の粉末X線回折パターンも求めた。結果の一例として、回折強度−回折角2θの相関関係を示す図であるX線回折パターンを、図4(試料3及び試料7)に示す。この結果、全ての試料1〜18において、ABO型構造を形成しており、その他の異相に起因するピークは観測されなかった。 The powder X-ray diffraction patterns of Samples 1 to 18 were also obtained at room temperature by using “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS, using CuKα rays as the X-ray source. As an example of the results, an X-ray diffraction pattern showing a correlation between diffraction intensity and diffraction angle 2θ is shown in FIG. 4 (Sample 3 and Sample 7). As a result, in all samples 1 to 18, an ABO 3 type structure was formed, and no peaks due to other heterogeneous phases were observed.

(試験例2)
試料11〜16について、25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃の各温度で、5分間加熱した後のd33も測定し、d33の温度変化を調べた。結果の一例を、図5(試料15)に示す。この結果、試料11〜16のd33は、200℃に加熱しても、加熱前とほとんど変わらず、試料11〜16は温度安定性が優れていることが確認された。
(Test Example 2)
Samples 11~16, 25 ℃, 50 ℃, 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃, 350 ℃, 400 ℃, at each temperature of 450 ° C., even the measurement d 33 after heating for 5 minutes and to examine the change in temperature of the d 33. An example of the result is shown in FIG. 5 (Sample 15). As a result, d 33 of Samples 11 to 16, even when heated to 200 ° C., hardly changed and before heating, the samples 11 to 16 was confirmed that the temperature stability is excellent.

(試験例3)
試料1〜18の表面等を5000倍の走査電子顕微鏡(SEM)により観察した。結果の一例を、図6(a)(試料3の表面)、図6(b)(試料3の断面)、図7(a)(試料7の表面)、図7(b)(試料7の断面)、図8(試料15)に示す。図6〜8に示すように、BiMnOを添加した試料7は、BiMnOを添加しない試料3よりも、粒径が小さく、気孔が減少しており、緻密であった。
(Test Example 3)
The surfaces of Samples 1 to 18 were observed with a 5000-times scanning electron microscope (SEM). An example of the results is shown in FIG. 6 (a) (surface of sample 3), FIG. 6 (b) (cross section of sample 3), FIG. 7 (a) (surface of sample 7), FIG. Cross section), shown in FIG. 8 (sample 15). As shown in Figures 6-8, Sample 7 with added BiMnO 3, rather than sample 3 without added BiMnO 3, small particle size, porosity has been reduced, it had dense.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板22として、セラミックス板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、シリコン単結晶基板、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
The exemplary embodiments of the present invention have been described above. However, the basic configuration of the present invention is not limited to the above. For example, in the above-described embodiment, the ceramic plate is exemplified as the flow path forming substrate 22, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, a material such as a silicon single crystal substrate, an SOI substrate, or glass may be used. .

さらに、上述した実施形態では、基板上に第1電極、圧電体層及び第2電極を順次積層した圧電素子を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, the piezoelectric element in which the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are sequentially laminated on the substrate has been illustrated. However, the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a piezoelectric material and an electrode forming material are used. The present invention can also be applied to a longitudinal vibration type piezoelectric element that is alternately stacked and expands and contracts in the axial direction.

また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図9は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。   In addition, the ink jet recording head of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 9 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図9に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッド10を有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。   In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 9, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head 10 are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting the ink supply means, and the recording head units 1A and 1B. Is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.

そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。   The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.

なお、上述した各実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルター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(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。   In each of the above-described embodiments, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads, and is a liquid ejecting liquid other than ink. Of course, the present invention can also be applied to an ejection head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.

また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、圧力センサー、超音波モーター等他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。   In addition, the present invention is not limited to a liquid jet head typified by an ink jet recording head, but is also applied to an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, a piezoelectric element mounted on other devices such as a pressure sensor and an ultrasonic motor. can do.

10 インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 21 圧力発生室、 22 流路形成基板、 23 振動板、 24 圧力発生室底板、 30 流路ユニット、 31 インク供給口形成基板、 32 リザーバー、 33 リザーバー形成基板、 34 ノズル開口、 35 ノズルプレート、 36 ノズル連通孔、 40 圧電素子、 43 第1電極(電極層)、 44 圧電体層、 45 第2電極(電極層)、 50 配線基板、 51 配線層、 52 ベースフィルム、 53 絶縁材料   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Inkjet recording head (liquid ejecting head), 21 Pressure generation chamber, 22 Flow path formation substrate, 23 Vibration plate, 24 Pressure generation chamber bottom plate, 30 Flow path unit, 31 Ink supply port formation substrate, 32 Reservoir, 33 Reservoir formation Substrate, 34 nozzle opening, 35 nozzle plate, 36 nozzle communication hole, 40 piezoelectric element, 43 first electrode (electrode layer), 44 piezoelectric layer, 45 second electrode (electrode layer), 50 wiring board, 51 wiring layer, 52 Base film, 53 Insulating material

Claims (5)

ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルの金属酸化物又は金属炭酸塩の粉末を混合して仮焼成することによりナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物を形成する工程と、前記ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物にマンガン及びビスマスを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加して混合した後焼結することにより、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有するペロブスカイト型酸化物及びマンガン酸ビスマスを含む固溶体からなる圧電材料を形成する工程を有することを特徴とする圧電材料の製造方法。   A step of forming a composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum by mixing and calcining powders of metal oxide or metal carbonate of sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum; and By adding a metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth to a composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, mixing and then sintering, sodium, potassium, lithium, niobium and A method for producing a piezoelectric material comprising a step of forming a piezoelectric material comprising a solid solution containing a perovskite oxide containing tantalum and bismuth manganate. 前記ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有する複合酸化物にマンガン及びビスマスを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加する際に、さらにジルコニウム及びカルシウムを含有する金属酸化物又は金属炭酸塩を添加することにより、ナトリウム、カリウム、リチウム、ニオブ及びタンタルを含有するペロブスカイト型酸化物と、マンガン酸ビスマス及びジルコン酸カルシウムを含む固溶体からなる圧電材料を形成することを特徴とする請求項1に記載の圧電材料の製造方法。   When the metal oxide or metal carbonate containing manganese and bismuth is added to the composite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, the metal oxide or metal carbonate further containing zirconium and calcium A piezoelectric material comprising a perovskite oxide containing sodium, potassium, lithium, niobium and tantalum, and a solid solution containing bismuth manganate and calcium zirconate is formed by adding The manufacturing method of the piezoelectric material of description. 請求項1又は2に記載の圧電材料からなる圧電体層と前記圧電体層に電圧を印加する電極とを有することを特徴とする圧電素子。   A piezoelectric element comprising a piezoelectric layer made of the piezoelectric material according to claim 1 and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. 請求項3に記載の圧電素子と、液滴を噴射するノズル開口に連通した圧力発生室とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。   A liquid ejecting head comprising: the piezoelectric element according to claim 3; and a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid droplets. 請求項4に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。
A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014229902A (en) * 2013-05-20 2014-12-08 Tdk株式会社 Thin film piezoelectric element, thin film piezoelectric actuator, thin film piezoelectric sensor, hard disk drive, and ink-jet printer device
JP2018082015A (en) * 2016-11-15 2018-05-24 セイコーエプソン株式会社 Piezoelectric element, piezoelectric element application device, and manufacturing method of piezoelectric element

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