JP2011238708A - Liquid ejection head manufacturing method, liquid ejection device, and piezoelectric element manufacturing method - Google Patents

Liquid ejection head manufacturing method, liquid ejection device, and piezoelectric element manufacturing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid ejection head manufacturing method, a liquid ejection device, and a piezoelectric element manufacturing method, with which an environmental load is reduced and occurrence of a leak current is suppressed.SOLUTION: A first electrode 60 is formed. An application liquid 71 is applied onto the first electrode 60, the application liquid 71 including an organic metallic compound, which forms a complex oxide containing bismuth, ferrum, manganese, potassium, and titanium through baking, and polyvinylpyrrolidone. A piezoelectric layer 72 made of a complex oxide having a perovskite-type structure is formed by baking the application liquid 71. A second electrode is formed on the piezoelectric layer 72.

Description

本発明は、圧電体層とその両側に電極とが設けられた圧電素子の製造方法、圧電素子を有する液体噴射ヘッドの製造方法及び液体噴射装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and electrodes are provided on both sides thereof, a method for manufacturing a liquid ejecting head having a piezoelectric element, and a liquid ejecting apparatus.

液体噴射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、結晶化した誘電材料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、例えば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。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。   As a piezoelectric element used in a liquid ejecting head, there is a piezoelectric material that exhibits an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric layer made of a crystallized dielectric material and sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element is mounted on the liquid ejecting head as an actuator device in a flexural vibration mode, for example. 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.

このような圧電素子を構成する圧電体層(圧電セラミックス)として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる(特許文献1参照)。   A piezoelectric material used as a piezoelectric layer (piezoelectric ceramics) constituting such a piezoelectric element is required to have high piezoelectric characteristics, and a typical example is lead zirconate titanate (PZT) (Patent Document 1). reference).

しかしながら、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えば、化学組成がx[(Bia1-a)TiO3]−(1−x)[BiFeO3](但し、0.3≦x≦0.8,0.4<a<0.6)で表される圧電セラミックスが開示されている(特許文献2参照)。 However, from the viewpoint of environmental problems, there is a demand for a piezoelectric material with a reduced lead content. The piezoelectric material not containing lead, for example, chemical composition x [(Bi a K 1- a) TiO 3] - (1-x) [BiFeO 3] ( where, 0.3 ≦ x ≦ 0.8, A piezoelectric ceramic represented by 0.4 <a <0.6) is disclosed (see Patent Document 2).

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A 特開2008−069051号公報JP 2008-069051 A

この特許文献2に記載された圧電セラミックスは、膜厚が厚い、所謂バルクのものであり、この材料を薄膜にすると、絶縁性が低くリーク電流が発生してしまうため、圧電素子に使用し難いという問題がある。   The piezoelectric ceramic described in Patent Document 2 is a so-called bulk material with a large film thickness. If this material is made into a thin film, insulation is low and leakage current is generated, so that it is difficult to use for piezoelectric elements. There is a problem.

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。   Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink, and also in piezoelectric elements used in other than liquid ejecting heads. Exist as well.

本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷を低減し、リーク電流の発生を抑制した液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置、圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a method for manufacturing a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a method for manufacturing a piezoelectric element that reduce an environmental load and suppress the generation of a leak current.

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、第1電極と圧電体層と第2電極とを備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、第1電極を形成する工程と、前記第1電極上方に、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成する有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を含む塗布液を塗布する工程と、前記塗布液を焼成し、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に前記第2電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成することにより、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制した液体噴射ヘッドを製造することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。さらに、圧電体層の形成工程において、塗布液にポリビニルピロリドンを添加することにより、表面モホロジーが向上した圧電体層を形成することができ、リーク電流の発生をより抑制したものとすることができる。
According to an aspect of the present invention for solving the above-described problem, a liquid ejecting head including a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and a piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode is manufactured. A method of forming a first electrode; an organometallic compound that forms a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing above the first electrode; and polyvinylpyrrolidone; A step of applying a coating solution containing a material, a step of baking the coating solution to form a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure, and a step of forming the second electrode above the piezoelectric layer. And a liquid ejecting head manufacturing method comprising:
In this aspect, a liquid ejecting head that has high insulation and suppresses the occurrence of leakage current is manufactured by forming a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium. can do. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced. Furthermore, in the piezoelectric layer forming step, by adding polyvinylpyrrolidone to the coating solution, a piezoelectric layer with improved surface morphology can be formed, and the generation of leakage current can be further suppressed. .

前記圧電体層は、例えば、ゾル−ゲル法又はMOD法により形成する。これによれば、表面モホロジーの向上した圧電体層を容易に形成することができる。   The piezoelectric layer is formed by, for example, a sol-gel method or a MOD method. According to this, a piezoelectric layer with improved surface morphology can be easily formed.

前記ポリビニルピロリドンは、粘度平均分子量が40,000以下であるのが好ましい。これによれば、表面モホロジーが向上した圧電体層を確実に形成することができ、リーク電流の発生を確実に抑制したものとすることができる。   The polyvinyl pyrrolidone preferably has a viscosity average molecular weight of 40,000 or less. According to this, it is possible to reliably form a piezoelectric layer with improved surface morphology, and to reliably suppress the occurrence of leakage current.

本発明の他の態様は、上記の液体噴射ヘッドの製造方法により製造された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、リーク電流の発生を抑制した液体噴射ヘッドを実現することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head manufactured by the method for manufacturing a liquid ejecting head.
In this aspect, it is possible to realize a liquid jet head that suppresses the occurrence of leak current. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.

また、本発明の他の態様は、第1電極を形成する工程と、前記第1電極上方に、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成する有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を含む塗布液を塗布する工程と、前記塗布液を焼成し、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に前記第2電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様によれば、リーク電流の発生を抑制した圧電素子を製造することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a step of forming a first electrode, and an organometallic compound that forms a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing above the first electrode. , A step of applying a coating solution containing polyvinylpyrrolidone, a step of baking the coating solution to form a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure, and a second layer above the piezoelectric layer. And a step of forming an electrode. A method of manufacturing a piezoelectric element comprising:
According to this aspect, it is possible to manufacture a piezoelectric element that suppresses the occurrence of leakage current. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.

実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図。FIG. 3 is a plan 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。FIG. 3 is a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment. 実施例2〜3及び比較例1のX線回折パターンを表す図。The figure showing the X-ray-diffraction pattern of Examples 2-3 and the comparative example 1. FIG. 実施例2の圧電体層のSEM観察写真。4 is a SEM observation photograph of the piezoelectric layer of Example 2. 比較例1の圧電体層のSEM観察写真。4 is a SEM observation photograph of the piezoelectric layer of Comparative Example 1. 比較例2の圧電体層のSEM観察写真。4 is a SEM observation photograph of the piezoelectric layer of Comparative Example 2. 比較例3の圧電体層のSEM観察写真。10 is a SEM observation photograph of the piezoelectric layer of Comparative Example 3. 実施例2〜3及び比較例1の印加電圧と電流密度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the applied voltage of Examples 2-3 and the comparative example 1, and current density. 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus according to an embodiment of the present invention.

(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、図1の平面図であり、図3は図2のA−A′線断面図である。図1〜図3に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
(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 ejecting head according to Embodiment 1 of the invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the flow path forming substrate 10 of the present embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.

流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。   A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a manifold part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a manifold that becomes a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.

また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。   Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.

一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55が形成されている。また、絶縁体膜55上には、酸化チタン等からなり、絶縁体膜55と第1電極60との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。   On the other hand, an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10, and an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50. ing. On the insulator film 55, an adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like and for improving the adhesion between the insulator film 55 and the first electrode 60 is provided.

さらに密着層56上には、第1電極60と、第1電極60の上方に設けられて厚さが2μm以下、好ましくは0.3〜1μmの薄膜である圧電体層70と、圧電体層70の上方に設けられた第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、変位可能に設けられた圧電素子300をアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56、第1電極60及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や密着層56を設けなくてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。   Furthermore, on the adhesion layer 56, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 that is provided above the first electrode 60 and has a thickness of 2 μm or less, preferably 0.3 to 1 μm, and a piezoelectric layer The second electrode 80 provided above the 70 is laminated to form the piezoelectric element 300. Here, the term “above” includes not only directly above but also a state in which other members are interposed therebetween. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the first electrode 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. Here, the piezoelectric element 300 provided so as to be displaceable is referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, the adhesion layer 56, the first electrode 60, and the insulator film provided as necessary function as a diaphragm, but of course not limited thereto. For example, the elastic film 50 and the adhesion layer 56 may not be provided. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

圧電体層70は、詳しくは後述する方法により形成されるものであり、一般式がABOのペロブスカイト型構造の複合酸化物からなり、この複合酸化物は、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含むものである。本実施形態にかかる複合酸化物としては、例えば、鉄酸マンガン酸ビスマス(例えばBi(Fe,Mn)O)とチタン酸ビスマスカリウム(例えば(Bi,K)TiO)とを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる。なお、ペロブスカイト型構造のAサイトには酸素が12配位しており、また、Bサイトには酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。このAサイトにビスマス(Bi)及びカリウム(K)が、Bサイトに鉄(Fe)、マンガン(Mn)及びチタン(Ti)が位置している。すなわち、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとが均一に固溶した固溶体といえる。なお、鉄酸マンガン酸ビスマス(BFM)とチタン酸ビスマスカリウム(BKT)との割合は、BFM/BKT(モル比)が、0.42以上1.5以下であることが好ましい。 The piezoelectric layer 70 is formed by a method described in detail later, and is composed of a complex oxide having a perovskite structure having a general formula of ABO 3 , and this complex oxide includes bismuth, iron, manganese, potassium, and It contains titanium. The composite oxide according to the present embodiment includes, for example, a perovskite structure including bismuth ferrate manganate (for example, Bi (Fe, Mn) O 3 ) and potassium bismuth titanate (for example, (Bi, K) TiO 3 ). It consists of complex oxide which has. Note that oxygen is 12-coordinated to the A site of the perovskite structure, and oxygen is 6-coordinated to the B site to form an octahedron. Bismuth (Bi) and potassium (K) are located at the A site, and iron (Fe), manganese (Mn), and titanium (Ti) are located at the B site. That is, the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth ferrate manganate and potassium bismuth titanate can be said to be a solid solution in which bismuth ferrate manganate and potassium bismuth titanate are uniformly dissolved. In addition, as for the ratio of bismuth ferrate manganate (BFM) and bismuth potassium titanate (BKT), it is preferable that BFM / BKT (molar ratio) is 0.42 or more and 1.5 or less.

このように、圧電体層70を構成する複合酸化物を、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物とすると、絶縁性が高くなりリーク電流を抑制することができる。さらに、本実施形態の圧電体層70は、詳しくは後述するが、圧電体層の形成工程において、塗布液にポリビニルピロリドンを添加して形成することにより、添加せずに形成したものと比較して、表面モホロジーが向上したものとなっている。圧電体層70の表面モホロジーが向上する、言い換えれば、圧電体層70が緻密な膜からなることにより、リーク電流の発生をより抑制したものとすることができる。また、圧電体層の電圧印加時のクラックの発生を抑制することができ、耐久性に優れたものとすることができる。   As described above, when the complex oxide constituting the piezoelectric layer 70 is a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium, the insulating property is increased and the leakage current is suppressed. Can do. Furthermore, the piezoelectric layer 70 of the present embodiment will be described in detail later, but in the piezoelectric layer forming step, it is formed by adding polyvinyl pyrrolidone to the coating solution to form it without adding it. Thus, the surface morphology is improved. The surface morphology of the piezoelectric layer 70 is improved, in other words, the piezoelectric layer 70 is made of a dense film, so that the generation of leakage current can be further suppressed. Moreover, generation | occurrence | production of the crack at the time of the voltage application of a piezoelectric material layer can be suppressed, and it can be excellent in durability.

なお、このような圧電体層70は、25℃における比誘電率を300以上、さらには500以上にすることができる。したがって、圧電特性(歪み量)が良好である。   Such a piezoelectric layer 70 can have a relative dielectric constant at 25 ° C. of 300 or more, further 500 or more. Therefore, the piezoelectric characteristics (distortion amount) are good.

このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。   Each second electrode 80 that is an individual electrode of the piezoelectric element 300 is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended to the insulator film 55, for example, gold (Au). The lead electrode 90 which consists of etc. is connected.

このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、絶縁体膜55及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。   On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the insulator film 55, and the lead electrode 90, a manifold portion 31 constituting at least a part of the manifold 100 is provided. The protective substrate 30 is bonded via an adhesive 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 31 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and the manifold 100 is attached to a member (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30. An ink supply path 14 that communicates with each pressure generating chamber 12 may be provided.

また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。   A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.

このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。   As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.

また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。   The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.

また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。   A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   In such an ink jet recording head I of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink, and then driven. In accordance with a recording signal from the circuit 120, a voltage is applied between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulator film 55, the adhesion layer 56, the first electrode By bending and deforming the electrode 60 and the piezoelectric layer 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図4〜図8を参照して説明する。なお、図4〜図8は、圧力発生室の長手方向の断面図である。   Next, an example of a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 8 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.

まず、図4(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO2)等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、図4(b)に示すように、弾性膜50上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。 First, as shown in FIG. 4A, a silicon dioxide film made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like constituting the elastic film 50 is formed by thermal oxidation or the like on the surface of a flow path forming substrate wafer 110 that is a silicon wafer. To do. Next, as shown in FIG. 4B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50.

次に、図5(a)に示すように、絶縁体膜55上に、酸化チタンからなる密着層56を形成し、密着層56上に第1電極60を形成する。具体的には、絶縁体膜55上に酸化チタン等からなる密着層56を形成した後、密着層56上に白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造等からなるからなる第1電極60を形成する。なお、密着層56及び第1電極60は、例えば、スパッタリング法や蒸着法により形成することができる。   Next, as shown in FIG. 5A, the adhesion layer 56 made of titanium oxide is formed on the insulator film 55, and the first electrode 60 is formed on the adhesion layer 56. Specifically, after the adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like is formed on the insulator film 55, the first electrode 60 made of platinum, iridium, iridium oxide, or a laminated structure thereof is formed on the adhesion layer 56. Form. The adhesion layer 56 and the first electrode 60 can be formed by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method.

次いで、第1電極60上に、圧電体層70を積層する。圧電体層70は、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層70を形成できる。具体的には、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成し得る有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を含む塗布液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで複合酸化物からなる圧電体層70を形成できる。   Next, the piezoelectric layer 70 is stacked on the first electrode 60. The piezoelectric layer 70 can be formed using a chemical solution method such as a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sol-gel method. Specifically, a coating liquid containing an organometallic compound capable of forming a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing, and polyvinylpyrrolidone is applied and dried, and further fired at a high temperature. Thus, the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide can be formed.

圧電体層70の具体的な形成手順例としては、まず、図5(b)に示すように、第1電極60上に、ゾルやMOD溶液(前駆体溶液)等の塗布液を、スピンコート法などを用いて塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。塗布液は、具体的には、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成し得る有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を溶媒に溶解・分散させたものである。ここでいう「焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成し得る有機金属化合物」とは、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンのうち一種以上の金属を含む有機金属化合物の混合物を指す。塗布液は、かかる有機金属化合物を混合して、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、カリウム(K)、チタン(Ti)の各金属が所望のモル比となるようにし、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解又は分散させて、これにポリビニルピロリドンを添加したものである。   As a specific example of the procedure for forming the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 5B, a coating solution such as a sol or a MOD solution (precursor solution) is spin-coated on the first electrode 60. The piezoelectric precursor film 71 is formed by application using a method (application process). Specifically, the coating solution is obtained by dissolving and dispersing, in a solvent, an organometallic compound capable of forming a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing, and polyvinylpyrrolidone. . Here, “an organometallic compound capable of forming a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing” includes one or more metals of bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium. Refers to a mixture of organometallic compounds. The coating solution is a mixture of such organometallic compounds so that each metal of bismuth (Bi), iron (Fe), manganese (Mn), potassium (K), titanium (Ti) has a desired molar ratio, The mixture is dissolved or dispersed using an organic solvent such as alcohol, and polyvinylpyrrolidone is added thereto.

このように、塗布液にポリビニルピロリドンを配合することにより、後述する実施例に示すが、ポリビニルピロリドンを配合せずに形成した圧電体層と比較して、表面モホロジーが向上した圧電体層70を形成することができる。これにより、リーク電流を抑制することができる。また、圧電体層の電圧印加時のクラックの発生を抑制することができ、耐久性に優れたものとすることができる。   Thus, by blending polyvinyl pyrrolidone in the coating solution, as shown in Examples described later, the piezoelectric layer 70 having improved surface morphology compared to a piezoelectric layer formed without blending polyvinyl pyrrolidone. Can be formed. Thereby, leakage current can be suppressed. Moreover, generation | occurrence | production of the crack at the time of the voltage application of a piezoelectric material layer can be suppressed, and it can be excellent in durability.

Bi、Fe、Mn、K、Tiをそれぞれ含む有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Biを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。Feを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。Mnを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガンなどが挙げられる。Kを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウム、カリウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。Tiを含有する有機金属化合物としては、例えばチタニウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸チタン、チタン(ジ−i−プロポキシド)ビス(アセチルアセトナート)などが挙げられる。なお、勿論、Bi、Fe、Mn、K、Tiを二種以上含む有機金属化合物を用いてもよい。   As an organometallic compound containing Bi, Fe, Mn, K, and Ti, for example, a metal alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex, or the like can be used. Examples of the organometallic compound containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Fe include iron 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing K include potassium 2-ethylhexanoate, potassium acetate, potassium acetylacetonate, and the like. Examples of the organometallic compound containing Ti include titanium isopropoxide, titanium 2-ethylhexanoate, titanium (di-i-propoxide) bis (acetylacetonate), and the like. Of course, an organometallic compound containing two or more of Bi, Fe, Mn, K, and Ti may be used.

また、ポリビニルピロリドンは、特に限定されないが、粘度平均分子量が40000以下のものが好ましい。これにより、形成する圧電体層70の表面モホロジーをより確実に向上させることができる。また、ポリビニルピロリドンの配合量は特に限定されないが、例えば、塗布液中の有機金属化合物の金属の総量1molに対して、単分子量換算(具体的には、[CON]換算)で0.2mol以上であるのが好ましく、さらに好ましくは0.25mol以上であるのが好ましく、特に好ましくは0.5mol以上である。 Polyvinyl pyrrolidone is not particularly limited, but preferably has a viscosity average molecular weight of 40000 or less. Thereby, the surface morphology of the piezoelectric layer 70 to be formed can be improved more reliably. The amount of polyvinylpyrrolidone is not particularly limited, for example, the total amount 1mol of the metal of the organometallic compound in the coating solution, a monomolecular weight terms (specifically, [C 6 H 5 ON] equivalent) The amount is preferably 0.2 mol or more, more preferably 0.25 mol or more, and particularly preferably 0.5 mol or more.

次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば130〜180℃)に加熱して一定時間(例えば、2〜4分間)乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば350〜450℃)に加熱して一定時間(例えば、4〜6分間)保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。 Next, the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature (for example, 130 to 180 ° C.) and dried for a predetermined time (for example, 2 to 4 minutes) (drying process). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.) and holding for a certain time (for example, 4 to 6 minutes) (degreasing process). The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the piezoelectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O or the like. The atmosphere in the drying process or the degreasing process is not limited, and it may be in the air or in an inert gas.

次に、図5(c)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば600〜800℃程度に加熱して一定時間(例えば、2〜6分間)保持することによって結晶化させ、圧電体膜72を形成する(焼成工程)。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。   Next, as shown in FIG. 5C, the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by heating to a predetermined temperature, for example, about 600 to 800 ° C., and holding it for a certain time (for example, 2 to 6 minutes). Then, the piezoelectric film 72 is formed (firing process). Also in this firing step, the atmosphere is not limited, and may be in the air or in an inert gas.

なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。   Examples of the heating apparatus used in the drying process, the degreasing process, and the baking process include an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus and a hot plate that are heated by irradiation with an infrared lamp.

次に、図6(a)に示すように、圧電体膜72上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして例えば第1電極60及び圧電体膜72の1層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 6A, for example, the first electrode 60 and the first layer of the piezoelectric film 72 are inclined on the piezoelectric film 72 using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask. Pattern simultaneously.

次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図6(b)に示すように複数層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、塗布溶液の1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、1層のみでもよい。圧電体層70は、塗布液に含まれていたポリビニルピロリドンが消失して、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物からなるものとなり、表面モホロジーが良好なものとなる。   Next, after peeling off the resist, the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and baking process are repeated a plurality of times according to the desired film thickness, etc. By forming the piezoelectric layer 70 made of the material, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed as shown in FIG. 6B. For example, when the film thickness of the coating solution per one time is about 0.1 μm, for example, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the ten piezoelectric films 72 is about 1.1 μm. In the present embodiment, the piezoelectric film 72 is provided by being laminated, but only one layer may be provided. The piezoelectric layer 70 is made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium, with the polyvinyl pyrrolidone contained in the coating solution disappearing, and has a good surface morphology. It becomes.

このように圧電体層70を形成した後は、図7(a)に示すように、圧電体層70上に白金等からなる第2電極80をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室12に対向する領域に圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして、第1電極60と圧電体層70と第2電極80からなる圧電素子300を形成する。なお、圧電体層70と第2電極80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、600℃〜800℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。   After the piezoelectric layer 70 is formed in this way, as shown in FIG. 7A, a second electrode 80 made of platinum or the like is formed on the piezoelectric layer 70 by sputtering or the like, and each pressure generating chamber 12 is formed. Then, the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 are simultaneously patterned in a region opposite to each other to form the piezoelectric element 300 including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. The patterning of the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 can be performed collectively by dry etching via a resist (not shown) formed in a predetermined shape. Thereafter, post-annealing may be performed in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C. as necessary. Thereby, a good interface between the piezoelectric layer 70 and the first electrode 60 or the second electrode 80 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 70 can be improved.

次に、図7(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 7B, a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, and then a mask pattern made of, for example, a resist or the like. Patterning is performed for each piezoelectric element 300 via (not shown).

次に、図7(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚さに薄くする。   Next, as shown in FIG. 7C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is placed on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive 35. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

次に、図8(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 8A, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.

そして、図8(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。   Then, as shown in FIG. 8B, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52 to form the piezoelectric element 300. Corresponding pressure generating chambers 12, communication portions 13, ink supply passages 14, communication passages 15 and the like are formed.

その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面のマスク膜52を除去した後にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。   Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. Then, after removing the mask film 52 on the surface opposite to the protective substrate wafer 130 of the flow path forming substrate wafer 110, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed therein is bonded, and the protective substrate wafer 130 is also formed. The compliance substrate 40 is bonded to the substrate, and the flow path forming substrate wafer 110 or the like is divided into a single chip size flow path forming substrate 10 or the like as shown in FIG. To do.

本実施形態では、ビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成することにより、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制した液体噴射ヘッドを製造することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。さらに、圧電体層の形成工程において、塗布液にポリビニルピロリドンを添加することにより、表面モホロジーの向上した圧電体層を形成することができ、リーク電流の発生をより抑制したものとすることができる。例えば、25Vの電圧を印加したときのリーク電流が、5.0×10−1A/cm以下、好ましくは2.5×10−4A/cm以下である圧電体層70とすることができる。ここで25Vとは、インクジェット式記録ヘッドの圧電素子に印加する代表的な駆動電圧である。また、圧電体層の電圧印加時のクラックの発生を抑制することができ、耐久性に優れたものとすることができる。 In the present embodiment, a liquid jet head that has high insulating properties and suppresses generation of leakage current by forming a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium. Can be manufactured. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced. Furthermore, in the piezoelectric layer forming step, by adding polyvinylpyrrolidone to the coating solution, a piezoelectric layer with improved surface morphology can be formed, and the generation of leakage current can be further suppressed. . For example, the piezoelectric layer 70 has a leakage current of 5.0 × 10 −1 A / cm 2 or less, preferably 2.5 × 10 −4 A / cm 2 or less when a voltage of 25 V is applied. Can do. Here, 25V is a typical driving voltage applied to the piezoelectric element of the ink jet recording head. Moreover, generation | occurrence | production of the crack at the time of the voltage application of a piezoelectric material layer can be suppressed, and it can be excellent in durability.

以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
(100)に配向したシリコン基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの二酸化シリコンからなる弾性膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にRFスパッタ法により膜厚40nmのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上にDCスパッタ法により膜厚130nmの白金膜形成し、(111)に配向した第1電極とした。
Example 1
An elastic film made of silicon dioxide having a thickness of 1070 nm was formed on the surface of the silicon substrate oriented in (100) by thermal oxidation. Next, a titanium film with a thickness of 40 nm was formed on the silicon dioxide film by RF sputtering, and a titanium oxide film was formed by thermal oxidation. Next, a platinum film having a film thickness of 130 nm was formed on the titanium oxide film by DC sputtering to form a first electrode oriented in (111).

この第1電極上にスピンコート法により圧電体層を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、Bi、K、Fe、Mn、Tiのキシレン、オクタンおよびブタノール溶液を所定の割合で混合し、これに粘度平均分子量が10,000であるポリビニルピロリドン(K15;東京化成工業社製)を添加し、前駆体溶液を調製した。具体的には、Bi:Fe:K:Ti=4:3:1:2に調整されたBF−BKT原料溶液を用意し、このBF−BKT原料溶液に対して、Kを4mol%過剰となるように添加した。このKを添加した溶液にBi及びMn原料溶液を添加することで、BiMnOの添加量が3mol%になるように調整した。これに、ポリビニルピロリドンを添加することにより、有機金属化合物の金属の総量1molに対して、ポリビニルピロリドンが単分子量換算で0.2molである前駆体溶液を形成した。 A piezoelectric layer was formed on the first electrode by spin coating. The method is as follows. First, Bi, K, Fe, Mn, Ti xylene, octane and butanol solutions are mixed at a predetermined ratio, and polyvinylpyrrolidone (K15; manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) having a viscosity average molecular weight of 10,000 is added thereto. Then, a precursor solution was prepared. Specifically, a BF-BKT raw material solution adjusted to Bi: Fe: K: Ti = 4: 3: 1: 2 is prepared, and K is excessive by 4 mol% with respect to the BF-BKT raw material solution. Was added as follows. By adding Bi and Mn raw material solutions to the solution to which K was added, the amount of BiMnO 3 added was adjusted to 3 mol%. By adding polyvinylpyrrolidone to this, a precursor solution in which polyvinylpyrrolidone was 0.2 mol in terms of single molecular weight was formed with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound.

この前駆体溶液を用いて第1電極が形成された上記基板上に滴下し、3000rpmで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に150℃で2分、400℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、Rapid Thermal Annealing(RTA)で750℃、5分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、計9回の塗布により全体で厚さ900nmの圧電体層を形成した。   The precursor solution was dropped onto the substrate on which the first electrode was formed, and the substrate was rotated at 3000 rpm to form a piezoelectric precursor film (application process). Next, drying and degreasing were performed at 150 ° C. for 2 minutes and at 400 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this application | coating process, drying, and a degreasing process 3 times, it baked at 750 degreeC for 5 minute (s) by Rapid Thermal Annealing (RTA) (baking process). This coating process, drying and degreasing process was repeated 3 times, and then the process of performing a baking process in which baking was performed in a lump was repeated 3 times, and a total of 900 nm thick piezoelectric layers were formed by a total of 9 applications.

その後、圧電体層上に、第2電極としてDCスパッタ法により膜厚100nmの白金膜を形成した後、RTAを用いて750℃、5分間焼成を行うことで、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O及び(Bi0.5,K0.5)TiO含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物であって、鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム、すなわちBi(Fe0.97,Mn0.03)O/(Bi0.5,K0.5)TiOがモル比で1.50であるものを圧電体層とする圧電素子を形成した。なお、上述したように、BF−BKTとBMとのモル比は、BF−BKT:BM=100:3である。 Thereafter, a platinum film having a film thickness of 100 nm is formed as a second electrode by a DC sputtering method on the piezoelectric layer, followed by firing at 750 ° C. for 5 minutes using RTA, whereby Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 and (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 in a composite oxide having a perovskite structure, which is bismuth iron manganate / potassium bismuth titanate, ie Bi (Fe 0. A piezoelectric element having a piezoelectric layer of 97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 in a molar ratio of 1.50 was formed. In addition, as above-mentioned, the molar ratio of BF-BKT and BM is BF-BKT: BM = 100: 3.

(実施例2)
前駆体溶液が、有機金属化合物の金属の総量1molに対してポリビニルピロリドンを単分子量換算で0.25molとなるようにした以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて実施例2の圧電素子を形成した。
(Example 2)
Example 2 is the same material and production method as Example 1 described above except that the precursor solution is 0.25 mol in terms of monomolecular weight of polyvinylpyrrolidone with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound. The piezoelectric element was formed.

(実施例3)
前駆体溶液が、有機金属化合物の金属の総量1molに対してポリビニルピロリドンを単分子量換算で0.50molとなるようにした以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて実施例3の圧電素子を形成した。
(Example 3)
Example 3 is the same material and production method as Example 1 described above, except that the precursor solution is 0.50 mol in terms of monomolecular weight of polyvinylpyrrolidone with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound. The piezoelectric element was formed.

(比較例1)
前駆体溶液にポリビニルピロリドンを添加しなかった以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて比較例1の圧電素子を形成した。
(Comparative Example 1)
A piezoelectric element of Comparative Example 1 was formed by the same material and manufacturing method as in Example 1 except that polyvinylpyrrolidone was not added to the precursor solution.

(比較例2)
ポリビニルピロリドンの代わりに、ポリアルキレングリコール(PAG)(エマルゲン709:花王社製)を用い、有機金属化合物の金属の総量1molに対して、ポリアルキレングリコールを単分子量換算で0.25molとなるようにした以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて比較例2の圧電素子を形成した。
(Comparative Example 2)
Instead of polyvinylpyrrolidone, polyalkylene glycol (PAG) (Emulgen 709: manufactured by Kao Corporation) is used so that polyalkylene glycol becomes 0.25 mol in terms of single molecular weight with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound. Except for the above, the piezoelectric element of Comparative Example 2 was formed using the same material and manufacturing method as in Example 1 described above.

(比較例3)
ポリビニルピロリドンの代わりに、ポリエチレングリコール(PEG)(#400:関東化学社製)を用い、有機金属化合物の金属の総量1molに対して、ポリエチレングリコールを単分子量換算で0.25molとなるようにした以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて比較例3の圧電素子を形成した。
(Comparative Example 3)
Polyethylene glycol (PEG) (# 400: manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used instead of polyvinyl pyrrolidone, and polyethylene glycol was adjusted to 0.25 mol in terms of single molecular weight with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound. Except for the above, the piezoelectric element of Comparative Example 3 was formed using the same material and manufacturing method as in Example 1 described above.

(試験例1)
実施例2〜3及び比較例1の圧電素子について、ブルカーAKS社製の「D8 DISCOVER」を用い、X線源にCuKα線を使用したX線回折広角法(XRD)により、室温で圧電体層のX線回折パターンを求めた。この結果を図9に示す。
(Test Example 1)
For the piezoelectric elements of Examples 2 to 3 and Comparative Example 1, a piezoelectric layer was used at room temperature by X-ray diffraction wide angle method (XRD) using “D8 DISCOVER” manufactured by Bruker AKS and using CuKα rays as an X-ray source. The X-ray diffraction pattern of was obtained. The result is shown in FIG.

図9に示すように、いずれもペロブスカイト型構造に起因する回折強度のピーク(2θ)、具体的には、23°、32°及び47°が検出された。他のピークは、それぞれ、電極である白金(Pt)、基板であるシリコン(Si)等に起因するものであり、他の結晶構造に由来する回折強度のピークはほとんど検出されなかった。これより、実施例2〜3及び比較例1の圧電体層は、いずれもペロブスカイト型構造単層であることが確認された。   As shown in FIG. 9, the diffraction intensity peaks (2θ) due to the perovskite structure, specifically 23 °, 32 ° and 47 °, were detected. The other peaks are attributed to platinum (Pt) as an electrode, silicon (Si) as a substrate, and the like, and almost no diffraction intensity peaks derived from other crystal structures were detected. From this, it was confirmed that each of the piezoelectric layers of Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 was a perovskite structure single layer.

また、上述した実施例1及び2では、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O/(Bi0.5,K0.5)TiOがモル比で1.50の圧電体層を例示したが、これ以外のモル比の圧電体層であっても同様に、表面モホロジーの向上した圧電体層を形成することができ、リーク電流の発生を抑制したものとすることができる。 In Examples 1 and 2 described above, a piezoelectric layer in which Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 is 1.50 in molar ratio. In the same manner, a piezoelectric layer having an improved surface morphology can be formed even if the piezoelectric layer has a molar ratio other than this, and the generation of leakage current can be suppressed.

(試験例2)
実施例2、比較例1〜3において、第2電極を形成する前に、圧電体層の表面を5000倍の走査電子顕微鏡(SEM)により観察した。結果を図10〜13に示す。
(Test Example 2)
In Example 2 and Comparative Examples 1 to 3, before forming the second electrode, the surface of the piezoelectric layer was observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 5000 times. The results are shown in FIGS.

ポリビニルピロリドンを添加して形成した実施例2の圧電体層の表面は(図10参照)、比較例1の圧電体層の表面と比較して(図11参照)、ポアが減少し、表面モホロジーが改善されて、緻密な膜が形成されていることが確認された。   The surface of the piezoelectric layer of Example 2 formed by adding polyvinylpyrrolidone (see FIG. 10) has a reduced pore and surface morphology compared to the surface of the piezoelectric layer of Comparative Example 1 (see FIG. 11). As a result, it was confirmed that a dense film was formed.

また、ポリビニルピロリドン以外の高分子材料を添加した比較例2及び比較例3の圧電体層の表面は(それぞれ図12及び図13)、比較例1よりもポアが拡大し、表面モホロジーが荒れてしまうことが確認された。   Further, the surface of the piezoelectric layer of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 to which a polymer material other than polyvinylpyrrolidone was added (FIGS. 12 and 13 respectively) has a larger pore than that of Comparative Example 1, and the surface morphology is rough. It was confirmed that.

以上より、圧電体層を形成する際に塗布液に、ポリビニルピロリドン以外の高分子材料を添加すると表面モホロジーが低下してしまうが、ポリビニルピロリドンを添加することにより、表面モホロジーが向上することがわかった。   From the above, it can be seen that the surface morphology is lowered when a polymer material other than polyvinylpyrrolidone is added to the coating liquid when forming the piezoelectric layer, but the surface morphology is improved by adding polyvinylpyrrolidone. It was.

(試験例3)
実施例2〜3及び比較例1の各圧電素子について、印加電圧と電流密度との関係を、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、室温で測定した。結果を図14に示す。
(Test Example 3)
About each piezoelectric element of Examples 2-3 and the comparative example 1, the relationship between an applied voltage and a current density was measured at room temperature using "4140B" by a Hewlett-Packard company. The results are shown in FIG.

図14に示すように、ポリビニルピロリドンを添加した塗布液を用いて形成した実施例2〜3は、比較例1よりもリーク電流が小さく、より良好な絶縁性を示した。これより、ポリビニルピロリドンを添加した塗布液を用いて形成した圧電体層は、リーク電流が抑制されることがわかった。   As shown in FIG. 14, Examples 2 to 3 formed using a coating solution to which polyvinyl pyrrolidone was added had smaller leakage current than Comparative Example 1 and exhibited better insulation. From this, it was found that the leakage current was suppressed in the piezoelectric layer formed using the coating liquid to which polyvinylpyrrolidone was added.

また、有機金属化合物の金属の総量1molに対して、ポリビニルピロリドンを単分子量換算で0.50molとなるようにした実施例3は、実施例2よりもさらにリーク電流が小さく、良好な絶縁性を示した。   Further, Example 3 in which polyvinylpyrrolidone is 0.50 mol in terms of single molecular weight with respect to 1 mol of the total amount of metal of the organometallic compound has a smaller leakage current than Example 2, and has good insulation. Indicated.

(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the silicon single crystal substrate is exemplified as the flow path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.

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15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. 15 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図15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I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. 15, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I 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 the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the 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搭載される圧電素子の製造方法に限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の装置に搭載される圧電素子の製造方法にも適用することができる。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子の製造方法にも同様に適用することができる。   In addition, the present invention is not limited to a method of manufacturing a piezoelectric element mounted on a liquid jet head typified by an ink jet recording head, but includes an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a pressure sensor, and a pyroelectric sensor. The present invention can also be applied to a method for manufacturing a piezoelectric element mounted on another device such as the above. The present invention can also be applied to a method for manufacturing a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.

I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 マニホールド部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 56 密着層、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子   I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric element holding portion, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 55 insulator film, 56 adhesion layer, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric element

Claims (5)

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、第1電極と圧電体層と第2電極とを備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上方に、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成する有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を含む塗布液を塗布する工程と、
前記塗布液を焼成し、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に前記第2電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
A method of manufacturing a liquid ejecting head comprising a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and a piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode,
Forming a first electrode;
Applying a coating solution containing polyvinylpyrrolidone and an organometallic compound that forms a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing above the first electrode;
Baking the coating solution to form a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure;
And a step of forming the second electrode above the piezoelectric layer.
前記圧電体層は、ゾル−ゲル法又はMOD法により形成することを特徴とする請求項1に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。   The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is formed by a sol-gel method or a MOD method. 前記ポリビニルピロリドンは、粘度平均分子量が40,000以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。   The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the polyvinyl pyrrolidone has a viscosity average molecular weight of 40,000 or less. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法により製造された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 manufactured by the method of manufacturing a liquid ejecting head according to claim 1. 第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上方に、焼成によりビスマス、鉄、マンガン、カリウム、及びチタンを含む複合酸化物を形成する有機金属化合物と、ポリビニルピロリドンと、を含む塗布液を塗布する工程と、
前記塗布液を焼成し、ペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に前記第2電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
Forming a first electrode;
Applying a coating solution containing polyvinylpyrrolidone and an organometallic compound that forms a composite oxide containing bismuth, iron, manganese, potassium, and titanium by firing above the first electrode;
Baking the coating solution to form a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure;
And a step of forming the second electrode above the piezoelectric layer.
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