JP2013080801A - Liquid jet head, liquid jet apparatus and piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、圧電材料からなる圧電体層及び電極を有する圧電素子を具備しノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element that include a piezoelectric element having a piezoelectric layer made of a piezoelectric material and an electrode and eject liquid droplets from nozzle openings.
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。ここで、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. Here, as a typical example of the liquid ejecting head, for example, a part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to thereby form the pressure generation chamber. There is an ink jet recording head that pressurizes the ink and discharges it as ink droplets from a nozzle opening.
このような圧電素子を構成する圧電体層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、圧電材料の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる(特許文献1参照)。しかしながら、環境問題の観点から、非鉛又は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、Bi及びFeを含有するBiFeO3系の圧電材料がある(例えば、特許文献2参照)。 A piezoelectric material used as a piezoelectric layer constituting such a piezoelectric element is required to have high piezoelectric characteristics, and a typical example of the piezoelectric material is lead zirconate titanate (PZT) (see Patent Document 1). ). However, from the viewpoint of environmental problems, there is a demand for a piezoelectric material with reduced lead or lead content. As a piezoelectric material not containing lead, for example, there is a BiFeO 3 -based piezoelectric material containing Bi and Fe (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、このような非鉛又は鉛の含有量を抑えた複合酸化物からなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)と比較すると歪量が十分ではないので、歪量の向上が求められている。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。 However, the piezoelectric layer made of a composite oxide with a reduced content of non-lead or lead does not have a sufficient amount of strain compared to lead zirconate titanate (PZT). It has been. 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、環境負荷が小さく且つ歪量が大きい液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element that have a small environmental load and a large amount of distortion.
上記課題を解決する本発明の態様は、ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドであって、圧電体層と前記圧電体層に設けられた電極とを具備する圧電素子を備え、前記圧電体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、前記圧電体層に駆動電圧を印加したときの変位量をZmax、その後印加電圧を0Vにしたときの変位量をZ0、さらにその後に前記駆動電圧と逆極性の電圧を印加したときの、変位量の最小値をZminとしたときに、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下を満たす圧電体層とすることにより、歪量、すなわち、変位量が著しく向上した圧電素子を有する液体噴射ヘッドとなる。また、非鉛又は鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problem is a liquid ejecting head that discharges liquid from a nozzle opening, and includes a piezoelectric element that includes a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer, and the piezoelectric body The layer is made of a complex oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, barium, and titanium. The displacement amount when the driving voltage is applied to the piezoelectric layer is Z max , and the displacement when the applied voltage is 0 V thereafter. the amount of Z 0, further followed upon application of a voltage of the drive voltage and reverse polarity, the minimum value of the displacement amount is taken as Z min, (Z 0 -Z min ) / (Z max -Z 0) The liquid ejecting head is characterized in that the ratio is 0.08 or more and 0.45 or less.
In such an embodiment, a piezoelectric layer in which (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) satisfies 0.08 or more and 0.45 or less can be used to significantly increase the amount of strain, that is, the amount of displacement. A liquid ejecting head having elements is obtained. In addition, since the content of non-lead or lead can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.
本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、環境への負荷を低減し且つ変位量の向上した圧電素子を具備するため、圧電特性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head.
In this aspect, since the piezoelectric element having a reduced environmental load and an improved displacement is provided, a liquid ejecting apparatus having excellent piezoelectric characteristics can be realized.
本発明の他の態様は、圧電体層と前記圧電体層に設けられた電極とを備えた圧電素子であって、前記圧電体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、前記圧電体層に駆動電圧を印加したときの変位量をZmax、その後印加電圧を0Vにしたときの変位量をZ0、さらにその後に前記駆動電圧と逆極性の電圧を印加したときの、変位量の最小値をZminとしたときに、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)を0.08以上0.45以下を満たす圧電体層とすることにより、歪量、すなわち、変位量が著しく向上した圧電素子を有する液体噴射ヘッドとなる。また、非鉛又は鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減することができる。
Another aspect of the present invention is a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer includes bismuth, iron, barium, and titanium and has a perovskite structure. It is made of a complex oxide, and the displacement amount when a driving voltage is applied to the piezoelectric layer is Z max , the displacement amount when the applied voltage is subsequently 0 V is Z 0 , and then the voltage having the opposite polarity to the driving voltage (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) is 0.08 or more and 0.45 or less, where Z min is the minimum value of displacement when applying It is in the piezoelectric element.
In such an embodiment, a piezoelectric layer in which (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) satisfies 0.08 or more and 0.45 or less can be used to significantly increase the amount of strain, that is, the amount of displacement. A liquid ejecting head having elements is obtained. In addition, since the content of non-lead or lead can be suppressed, the burden on the environment can be reduced.
(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
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
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
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、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、例えば厚さ30〜50nm程度の酸化チタン等からなり、弾性膜50等の第1電極60の下地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。なお、弾性膜50上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
On the other hand, the
さらに、この密着層56上には、第1電極60と、厚さが3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子300を構成している。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、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて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、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。
Further, on the
そして、本実施形態においては、圧電体層70を構成する圧電材料は、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ABO3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)をつくっている。このAサイトにBi及びBaが、BサイトにFe及びTiが位置している。
In this embodiment, the piezoelectric material constituting the
このようなBi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体として表される。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。 Such a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti and having a perovskite structure is a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate. Is expressed as a solid solution in which the solid solution is uniformly dissolved. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone.
ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、BiFeO3やBaTiO3以外に、元素が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。 Here, bismuth ferrate and barium titanate are known piezoelectric materials each having a perovskite structure, and those having various compositions are known. For example, as bismuth ferrate and barium titanate, in addition to BiFeO 3 and BaTiO 3 , some elements are missing or excessive, or some elements are replaced with other elements. In the present invention, when expressed as bismuth ferrate or barium titanate, as long as the basic characteristics are not changed, those that deviate from the stoichiometric composition due to deficiency or excess, or some of the elements are replaced with other elements. Shall also be included in the ranges of bismuth ferrate and barium titanate.
このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70の組成は、例えば、下記一般式(1)で表される混晶として表される。また、この式(1)は、下記一般式(1’)で表すこともできる。ここで、一般式(1)及び一般式(1’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が1とすると、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。
(1−x)[BiFeO3]−x[BaTiO3] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBax)(Fe1−xTix)O3 (1’)
(0<x<0.40)
The composition of the
(1-x) [BiFeO 3 ] -x [BaTiO 3 ] (1)
(0 <x <0.40)
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(0 <x <0.40)
また、圧電体層70を構成する複合酸化物は、Bi、Fe、Ba及びTi以外の元素を含んでいてもよい。他の元素としては、Mn及びCoからなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。勿論、他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有する必要がある。
Further, the complex oxide constituting the
圧電体層70が、MnやCoを含む場合、Mn、CoはBサイトに位置し、Mn、Coが上記Bサイトに存在するFeの一部を置換した構造の複合酸化物であると推測される。例えば、Mn乃至Coを含む場合、圧電体層70を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のFeの一部がMn乃至Coで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマス乃至鉄酸コバルト酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上するものである。なお、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマスは、単独では検出されないものである。
When the
このようなBi、Fe、Ba及びTiに加えてMn、Coも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70は、例えば、下記一般式(2)で表される混晶である。また、この式(2)は、下記一般式(2’)で表すこともできる。なお一般式(2)及び一般式(2’)において、Mは、Mn乃至Coである。ここで、一般式(2)及び一般式(2’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が1であれば、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。
(1−x)[Bi(Fe1−yMy)O3]−x[BaTiO3] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBax)((Fe1−yMy)1−xTix)O3 (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
The
(1-x) [Bi (Fe 1- y My ) O 3 ] -x [BaTiO 3 ] (2)
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
(Bi 1-x Ba x) ((Fe 1-y M y) 1-x Ti x) O 3 (2 ')
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
そして、本発明においては、圧電体層70は、圧電体層70に駆動電圧を印加したときの変位量をZmax、その後印加電圧を0Vにしたときの変位量をZ0、さらにその後に駆動電圧と逆極性の電圧を印加したときの、変位量の最小値をZminとしたときに、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下である。
In the present invention, the
具体的には、圧電体に駆動電圧(図4においては正の電圧Va)を印加すると、変位量と電圧の関係を示す一例である図4で示されるように、変位量は一旦小さくなった後に再び大きくなりZmaxまで到達する。その後、印加する電圧を0Vにすると変位量がZ0(図4においては原点がZ0)となる。その後、さらに上記駆動電圧と逆極性の電圧(図4においては負の電圧−Va)を印加すると、変位量は一旦小さくなった後に再び大きくなるが、この時の変位量の最小値をZminとする。そして、本発明においては、これらZmax、Z0及びZminは、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下を満たすものである。なお、本明細書において、「Zmax−Z0」を「Dm+」と、また、「Z0−Zmin」を「Dmin−」とも記載する。 Specifically, when a drive voltage ( a positive voltage V a in FIG. 4) is applied to the piezoelectric body, the displacement amount temporarily decreases as shown in FIG. 4, which is an example showing the relationship between the displacement amount and the voltage. After that, it increases again and reaches Z max . Thereafter, when the applied voltage is set to 0 V, the displacement amount becomes Z 0 (the origin is Z 0 in FIG. 4). Thereafter, when a voltage having a polarity opposite to that of the drive voltage ( a negative voltage −V a in FIG. 4) is further applied, the displacement amount once decreases and then increases again. The minimum displacement amount at this time is expressed as Z Let it be min . In the present invention, these Z max , Z 0 and Z min are such that (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) satisfies 0.08 or more and 0.45 or less. In this specification, “Z max −Z 0 ” is also referred to as “Dm +”, and “Z 0 −Z min ” is also referred to as “Dmin−”.
ここで、特許文献2等に記載されるように、圧電材料として、Bi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物が知られている。本実施形態においては、このようなBi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物からなり、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下である圧電体層70とすることにより、後述する実施例及び比較例に示すように、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下の範囲外のものと比較して、顕著に変位量を向上させることができる。従って、圧電特性に優れたインクジェット式記録ヘッドとなる。
Here, as described in
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、弾性膜50上や必要に応じて設ける絶縁体膜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
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、弾性膜50や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極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、必要に応じて設ける絶縁体膜等)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。
At least a part of the manifold 100 is formed on the flow
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
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
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
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
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
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、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
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5〜図9を参照して説明する。なお、図5〜図9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. 5 to 9 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
まず、図5(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5(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜)上に、酸化チタン等からなる密着層56を、スパッタリング法や熱酸化等で形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a silicon dioxide film made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like constituting the
次に、図6(a)に示すように、密着層56の上に、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第1電極60をスパッタリング法や蒸着法等により全面に形成する。次に、図6(b)に示すように、第1電極60上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして、密着層56及び第1電極60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, a
次いで、レジストを剥離した後、この第1電極60上に、圧電体層70を積層する。圧電体層70の製造方法は特に限定されないが、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層(圧電体膜)を得る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を製造できる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法など、液相法でも固相法でも圧電体層70を製造することができる。
Next, after peeling off the resist, the
圧電体層70を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、図6(c)に示すように、第1電極60上に、金属錯体、具体的には、Bi、Fe、Ba及びTiを含有する金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなる圧電体膜形成用組成物(前駆体溶液)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)。
As a specific example of the formation procedure when the
塗布する前駆体溶液は、焼成によりBi、Fe、Ba及びTiを含む複合酸化物を形成しうる金属錯体を混合し、該混合物を有機溶媒に溶解または分散させたものである。また、MnやCoを含む複合酸化物からなる圧電体層70を形成する場合は、さらに、MnやCoを有する金属錯体を含有する前駆体溶液を用いる。Bi、Fe、Ba、Tiをそれぞれ含む金属錯体や、必要に応じて混合するMnやCoを有する金属錯体の混合割合は、各金属が所望のモル比となるように混合すればよい。Bi、Fe、Ba、Ti、Mn、Coをそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、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を含む金属錯体としては、例えばオクチル酸ビスマス、酢酸ビスマスなどが挙げられる。Feを含む金属錯体としては、例えばオクチル酸鉄、酢酸鉄、トリス(アセチルアセトナト)鉄などが挙げられる。Baを含む金属錯体としては、例えばバリウムイソプロポキシド、オクチル酸バリウム、バリウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。Tiを含有する金属錯体としては、例えばチタニウムイソプロポキシド、オクチル酸チタン、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。Mnを含む金属錯体としては、例えばオクチル酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。Coを含む有機金属化合物としては、例えばオクチル酸コバルト、コバルト(III)アセチルアセトナートなどが挙げられる。勿論、Bi、Fe、Ba、Tiや、必要に応じて含有させるMn、Coを二種以上含む金属錯体を用いてもよい。また、前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。
The precursor solution to be applied is obtained by mixing a metal complex capable of forming a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti by firing, and dissolving or dispersing the mixture in an organic solvent. When forming the
次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば、150〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(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保持することによって脱脂する(脱脂工程)。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、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。なお、塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を複数回行ってもよい。
Next, the
次に、図7(a)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば600〜850℃程度に加熱して、一定時間、例えば、1〜10分間保持することによって結晶化させ、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体膜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、酸素雰囲気中や、不活性ガス中でもよい。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。
Next, as shown in FIG. 7A, the
次いで、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7(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。
Next, the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and firing process are repeated a plurality of times in accordance with a desired film thickness and the like, and the
このように圧電体層70を形成した後は、図8(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、例えば、600〜850℃の温度域で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
このように圧電体層70を製造する際の、前駆体溶液の組成、焼成温度、結晶性、膜厚、圧電体層70の下地(第1電極60、密着層56、絶縁体膜、弾性膜50や流路形成基板10)の種類等、製造条件を調整することにより、圧電体層70を(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下の範囲内となるようにすることができる。例えば、前駆体溶液のBa及びTiの含有率を多くすると(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)は小さくなる傾向があり、圧電体層70の焼成温度を高くすると(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)は大きくなる傾向があり、圧電体層70の膜厚を薄くすると(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)は小さくなる傾向があり、圧電体層70の結晶性を上げると(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)は大きくなる傾向があり、また、圧電体層70の下地を酸化物とすると(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)は大きくなる傾向がある。
Thus, the composition of the precursor solution, the firing temperature, the crystallinity, the film thickness, the underlying layer of the piezoelectric layer 70 (the
次に、図8(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. 8B, a
次に、図8(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. 8C, a
次に、図9(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. 9A, a
そして、図9(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. 9B, the flow path forming
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
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)
まず、(110)単結晶シリコン(Si)基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの酸化シリコン(SiO2)膜を形成した。次に、SiO2膜上にRFマグネトロンスパッタ法により膜厚20nmのチタン膜を作製し、700℃で熱酸化することで膜厚40nmの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、(111)面に配向し膜厚130nmの白金膜(第1電極60)を形成した。
Example 1
First, a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 1070 nm was formed on the surface of a (110) single crystal silicon (Si) substrate by thermal oxidation. Next, a titanium film having a thickness of 20 nm was formed on the SiO 2 film by RF magnetron sputtering, and a titanium oxide film having a thickness of 40 nm was formed by thermal oxidation at 700 ° C. Next, a platinum film (first electrode 60) having a thickness of 130 nm and oriented in the (111) plane was formed on the titanium oxide film by DC sputtering.
次いで、第1電極60上に圧電体層70をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、オクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンのn−オクタン溶液を、所定の割合で混合して、前駆体溶液を調製した。そしてこの前駆体溶液を、酸化チタン膜及び白金膜が形成された上記基板上に滴下し、2500rpm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、180℃で2分間乾燥した(乾燥工程)。次いで、400℃で2分間脱脂を行った(脱脂工程)。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程からなる工程を2回繰り返し行った後に、酸素雰囲気中で、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置で、650℃、5分間焼成を行った(焼成工程)。次いで、ここまでで記載した塗布工程〜乾燥工程〜脱脂工程〜焼成工程、の一連の工程を4回繰り返し、計8回の塗布により圧電体層70を形成した。
Next, the
その後、圧電体層70上に、第2電極80としてスパッタ法により厚さ100nmの白金膜(第2電極80)を形成した後、酸素雰囲気中で、RTA装置を用いて650℃、5分間焼成を行うことで、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ740nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
Thereafter, a platinum film (second electrode 80) having a thickness of 100 nm is formed as a
(実施例2)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンの混合比を変更し、また、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度(焼成温度)を800℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.70Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.30BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ650nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 2)
The mixing ratio of bismuth octylate, iron octylate, manganese octylate, barium octylate and titanium octylate in the precursor solution was changed, and the firing temperature and the firing temperature after the
(実施例3)
前駆体溶液の塗布回数を10回に変更し、また、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度(焼成温度)を750℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ835nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 3)
The number of times of application of the precursor solution was changed to 10 times, and the same as in Example 1 except that the temperature of the firing step and the temperature of firing after firing the second electrode 80 (firing temperature) were 750 ° C. The piezoelectric material having a
(実施例4)
焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度(焼成温度)を800℃とした以外は、実施例3と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ840nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
Example 4
The same operation as in Example 3 was performed except that the temperature of the firing step and the firing temperature (baking temperature) after manufacturing the
(実施例5)
焼成時の昇温条件を変更して結晶配向方向を(110)優先配向(すなわち、60%以上の結晶が(110)に配向している)から無配向に変更した以外は、実施例4と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ820nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 5)
Example 4 and Example 4 except that the temperature raising condition during firing was changed and the crystal orientation direction was changed from (110) preferential orientation (that is, 60% or more of the crystals were oriented to (110)) to no orientation. By performing the same operation, a
(実施例6)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンの混合比を変更し、前駆体溶液の塗布回数を12回に変更した以外は、実施例5と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ950nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 6)
Example 5 except that the mixing ratio of bismuth octylate, iron octylate, manganese octylate, barium octylate and titanium octylate in the precursor solution was changed and the number of coatings of the precursor solution was changed to 12. And a
(実施例7)
前駆体溶液の原料としてオクチル酸チタンのかわりにチタニウムテトライソプロポキシドを用い、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度を800℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ980nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 7)
Similar to Example 1 except that titanium tetraisopropoxide is used in place of titanium octylate as a raw material for the precursor solution, and the temperature of the firing step and the firing temperature after producing the
(実施例8)
前駆体溶液の塗布回数を12回に変更した以外は、実施例4と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ1300nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Example 8)
Except for changing the number of times of application of the precursor solution to 12, the same operation as in Example 4 was performed, and the composition ratio was 0.75 Bi (Fe 0.95 Mn 0.05 ) O 3 -0.25BaTiO 3 . A
(比較例1)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス量を多くし、また、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度を750℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.75Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.25BaTiO3−0.025Bi2O3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ600nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the amount of bismuth octylate in the precursor solution was increased, and the temperature of the firing step and the firing temperature after producing the
(比較例2)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンの混合比を変更し、また、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度を750℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.85Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.15BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ750nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Comparative Example 2)
The mixing ratio of bismuth octylate, iron octylate, manganese octylate, barium octylate and titanium octylate in the precursor solution was changed, and the temperature of the firing step and the firing temperature after producing the
(比較例3)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンの混合比を変更した以外は、実施例4と同様の操作を行って、組成比が0.60Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.40BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ970nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Comparative Example 3)
Except that the mixing ratio of bismuth octylate, iron octylate, manganese octylate, barium octylate and titanium octylate in the precursor solution was changed, the same operation as in Example 4 was performed, and the composition ratio was 0.60 Bi ( A
(比較例4)
前駆体溶液のオクチル酸ビスマス、オクチル酸鉄、オクチル酸マンガン、オクチル酸バリウム及びオクチル酸チタンの混合比を変更し、前駆体溶液の塗布回数を12回に変更し、結晶配向方向を(110)優先配向(すなわち、60%以上の結晶が(110)に配向している)から(111)優先配向(すなわち、60%以上の結晶が(111)に配向している)に変更し、また、焼成工程の温度及び第2電極80を製造した後の焼成の温度を700℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行って、組成比が0.80Bi(Fe0.95Mn0.05)O3−0.20BaTiO3のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、厚さ1000nmの圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。
(Comparative Example 4)
Changing the mixing ratio of bismuth octylate, iron octylate, manganese octylate, barium octylate and titanium octylate in the precursor solution, changing the number of coatings of the precursor solution to 12, and changing the crystal orientation direction to (110) Change from preferred orientation (ie, 60% or more of the crystals are oriented to (110)) to (111) preferred orientation (ie, 60% or more of the crystals are oriented to (111)), and The composition ratio is 0.80 Bi (Fe 0.95 Mn 0 .0) by performing the same operation as in Example 1 except that the temperature of the firing step and the firing temperature after manufacturing the
(試験例1)
実施例1〜8及び比較例1〜4の各圧電素子について、アグザクト社製の変位測定装置(DBLI)を用い室温で、φ=500μmの電極パターンを使用し、周波数1kHzで±30Vの電圧を印加して、S(電界誘起歪(変位量))とV(電圧)との関係(S−V曲線)を求めた。実施例1〜8及び比較例1〜4の結果を、順に図10〜図21に示す。そして、このS−V曲線から、それぞれZmax、Z0及びZminを求め、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)とZmax−Z0との関係を求めた。結果を図22及び表1に示す。なお、図22及び表1において、Z0−ZminをDmin−と表記し、Zmax−Z0をDm+と表記する。
(Test Example 1)
For each of the piezoelectric elements of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4, an electrode pattern of φ = 500 μm was used at room temperature using a displacement measuring device (DBLI) manufactured by Axact, and a voltage of ± 30 V was applied at a frequency of 1 kHz. The relationship (SV curve) between S (electric field induced strain (displacement amount)) and V (voltage) was determined. The result of Examples 1-8 and Comparative Examples 1-4 is shown in FIGS. 10-21 in order. From this S-V curve, determine the Z max, Z 0 and Z min, respectively, to determine the relationship between the (Z 0 -Z min) / ( Z max -Z 0) and Z max -Z 0. The results are shown in FIG. In FIG. 22 and Table 1, Z 0 −Z min is expressed as Dmin−, and Z max −Z 0 is expressed as Dm +.
この結果、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)、すなわち図22及び表1においてはDmin−/Dm+が0.08以上0.45以下である実施例1〜8では、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下の範囲外である比較例1〜4と比較して、顕著にZmax−Z0(すなわちDm+)が大きかった。なお、圧電素子300は、図4、図10〜図21等においてプラス側で変位する領域で駆動させることが好ましいため、変位量の一部であるZmax−Z0(すなわちDm+)が大きければ、圧電素子300として使用する際の変位量が大きくなるといえる。
As a result, in Examples 1 to 8 where (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ), that is, Dmin− / Dm + in FIG. 22 and Table 1 is 0.08 or more and 0.45 or less, Compared with Comparative Examples 1 to 4 in which Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) is outside the range of 0.08 or more and 0.45 or less, Z max −Z 0 (that is, Dm +) is significantly higher. It was big. In addition, since it is preferable to drive the
(試験例2)
実施例1〜8及び比較例1〜4の各圧電素子について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温(25℃)で、圧電体層70のX線回折パターンを求めた。この結果、実施例1〜8及び比較例1〜4の全てにおいて、ペロブスカイト構造に起因するピークと基板由来のピークが観測された。そして、実施例1〜8及び比較例1〜4の全てにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムや、鉄酸マンガン酸ビスマスは、単独では検出されなかった。また、実施例1〜4、7、8及び比較例1〜3では(110)面に優先配向(すなわち、60%以上の結晶が(110)に配向)していた。
(Test Example 2)
For each of the piezoelectric elements of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4, “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS was used, CuKα rays were used as the X-ray source, and the
(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
さらに、上述した実施形態では、基板(流路形成基板10)上に第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を順次積層した圧電素子300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
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23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. 23 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図23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. 23, the
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
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、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルターなどが挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー(角速度センサー)等が挙げられる。 Further, the piezoelectric element according to the present invention is not limited to the piezoelectric element used in the liquid ejecting head, and can be used in other devices. Other devices include, for example, an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a temperature-electric converter, a pressure-electric converter, a ferroelectric transistor, a piezoelectric transformer, and a filter for blocking harmful rays such as infrared rays. And filters such as an optical filter using a photonic crystal effect by quantum dot formation, an optical filter using optical interference of a thin film, and the like. The present invention can also be applied to a piezoelectric element used as a sensor and a piezoelectric element used as a ferroelectric memory. Examples of the sensor using the piezoelectric element include an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, and a gyro sensor (angular velocity sensor).
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、 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, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric element
Claims (3)
圧電体層と前記圧電体層に設けられた電極とを具備する圧電素子を備え、
前記圧電体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電体層に駆動電圧を印加したときの変位量をZmax、その後印加電圧を0Vにしたときの変位量をZ0、さらにその後に前記駆動電圧と逆極性の電圧を印加したときの、変位量の最小値をZminとしたときに、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。 A liquid ejecting head for discharging liquid from a nozzle opening,
A piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer;
The piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, barium and titanium,
The displacement amount when the driving voltage is applied to the piezoelectric layer is Z max , the displacement amount when the applied voltage is subsequently 0 V is Z 0 , and then the voltage having the opposite polarity to the driving voltage is applied. A liquid ejecting head, wherein (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) is 0.08 or more and 0.45 or less, where Z min is the minimum displacement amount.
前記圧電体層は、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなり、
前記圧電体層に駆動電圧を印加したときの変位量をZmax、その後印加電圧を0Vにしたときの変位量をZ0、さらにその後に前記駆動電圧と逆極性の電圧を印加したときの、変位量の最小値をZminとしたときに、(Z0−Zmin)/(Zmax−Z0)が0.08以上0.45以下であることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, barium and titanium,
The displacement amount when the driving voltage is applied to the piezoelectric layer is Z max , the displacement amount when the applied voltage is subsequently 0 V is Z 0 , and then the voltage having the opposite polarity to the driving voltage is applied. A piezoelectric element, wherein (Z 0 −Z min ) / (Z max −Z 0 ) is 0.08 or more and 0.45 or less, where Z min is the minimum displacement amount.
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