JP2013091228A - Liquid jet head, liquid jetting apparatus, and piezoelectric element - Google Patents

Liquid jet head, liquid jetting apparatus, and piezoelectric element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid jet head having a reduced environmental load and a large strain amount.SOLUTION: There is provided a liquid jet head for ejecting a liquid from a nozzle opening, which has a piezoelectric element equipped with a piezoelectric layer and an electrode installed to the piezoelectric element. The piezoelectric layer consists of a composite oxide containing bismuth, iron, barium, titanium and having a perovskite structure. A Pr2/Pr1 ratio is 0.39-0.70, wherein Pr1 is a remnant polarization value at an application end time when 30V 1 kHz triangle wave for one period is applied, and Pr2 is the remnant polarization value at a time point of 1.0 sec. after the application end time.

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、液体噴射装置及び圧電素子に関する。   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.

液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル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からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層(圧電体膜)を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。   As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to add ink in the pressure generation chamber. There is an ink jet recording head that presses and ejects ink droplets from a nozzle. A piezoelectric element used in an ink jet recording head is configured by sandwiching a piezoelectric material (electromagnetic film) made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function, for example, a crystallized dielectric material, between two electrodes. There is something.

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BiFeO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).

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A 特開2007−287745号公報JP 2007-287745 A

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、液体噴射装置及び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、30V 1kHzの三角波1周期分を印加した際の印加終了時の残留分極量Pr1と、この印加終了時から1.0秒経過した時の残留分極量Pr2との比であるPr2/Pr1が、0.39以上0.70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、圧電体層に所定の電圧を印加した時の残留分極量Pr1と、その後所定時間経過した時の残留分極量Pr2との比を、所定範囲とすることにより、歪量、すなわち、変位量が著しく向上する。さらに、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, and a residual polarization amount Pr1 at the end of application when a 30 V 1 kHz triangular wave is applied, and 1 from the end of the application. In the liquid jet head, Pr2 / Pr1, which is a ratio to the residual polarization amount Pr2 when 0.0 second has elapsed, is 0.39 or more and 0.70 or less.
In this aspect, by setting the ratio of the residual polarization amount Pr1 when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric layer and the residual polarization amount Pr2 when a predetermined time has passed thereafter to a predetermined range, the strain amount, that is, The amount of displacement is significantly improved. Furthermore, 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(変位量)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 amount is provided, a liquid ejecting apparatus having excellent piezoelectric characteristics (displacement amount) 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具備する圧電素子であって、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、30V 1kHzの三角波1周期分を印加した際の印加終了時の残留分極量Pr1と、この印加終了時から1.0秒経過した時の残留分極量Pr2との比であるPr2/Pr1が、0.39以上0.70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、圧電体層に所定の電圧を印加した時の残留分極量Pr1と、その後所定時間経過した時の残留分極量Pr2との比を、所定範囲とすることにより、歪量、すなわち、変位量が著しく向上した圧電素子となる。さらに、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 comprising 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. This is the ratio between the residual polarization amount Pr1 at the end of application when a period of 30 V 1 kHz triangular wave is applied, and the residual polarization amount Pr2 when 1.0 second has elapsed from the end of application. In the piezoelectric element, Pr2 / Pr1 is 0.39 or more and 0.70 or less.
In this aspect, by setting the ratio of the residual polarization amount Pr1 when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric layer and the residual polarization amount Pr2 when a predetermined time has passed thereafter to a predetermined range, the strain amount, that is, The piezoelectric element has a significantly improved displacement. Furthermore, since the content of non-lead or lead 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. 圧電体層のP−V曲線例を示す図及び圧電体層に印加する三角波を示す図。The figure which shows the PV curve example of a piezoelectric material layer, and the figure which shows the triangular wave applied to a piezoelectric material layer. 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. 実施例及び比較例のPr2/Pr1と変位量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between Pr2 / Pr1 and a displacement amount of an Example and a comparative example. 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、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 elastic film 50 is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 as described above. On the elastic film 50, for example, titanium oxide having a thickness of about 30 to 50 nm or the like. An adhesion layer 56 for improving adhesion between the first electrode 60 such as the elastic film 50 and the like is provided. Note that an insulator film made of zirconium oxide or the like may be provided on the elastic film 50 as necessary.

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 adhesion layer 56, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 which is a thin film having a thickness of 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm, and a second electrode 80 are laminated. Thus, a piezoelectric element 300 is configured as pressure generating means for causing a pressure change in the pressure generating chamber 12. 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. Also, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the adhesion layer 56, the first electrode 60, and the insulator film provided as necessary function as a vibration plate. However, the present invention is not limited to this. 50 and the adhesion layer 56 may not be provided. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

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、ABO型構造のAサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。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 piezoelectric layer 70 is a complex oxide having a perovskite structure including bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba), and titanium (Ti). In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and in the B site, oxygen is 6-coordinated to form an octahedron. Bi and Ba are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site.

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も表される。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 also 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、BiFeOやBaTiO以外に、元素(Bi、Fe、Ba、TiやO)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。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。 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 or barium titanate, in addition to BiFeO 3 or BaTiO 3 , some elements (Bi, Fe, Ba, Ti, O) are partially lost or excessive, or some of the elements are other elements However, 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 Those in which some of the elements are substituted with other elements are also included in the ranges of bismuth ferrate and barium titanate. The ratio of bismuth ferrate to barium titanate can also be changed variously.

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。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。   The composition of the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having such a perovskite structure is represented, for example, as a mixed crystal represented by the following general formula (1). Further, the formula (1) can also be expressed by the following general formula (1 ′). Here, the description of the general formula (1) and the general formula (1 ′) is a composition notation based on the stoichiometry. Of course, a partial substitution of elements is allowed as well as a slight compositional deviation. For example, if the stoichiometric ratio is 1, the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.

(1−x)[BiFeO]−x[BaTiO] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBa)(Fe1−xTi)O (1’)
(0<x<0.40)
(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以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Mn、Co、Crなどが挙げられる。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 piezoelectric layer 70 may further contain an element other than Bi, Fe, Ba, and Ti. Examples of other elements include Mn, Co, and Cr. Of course, even a complex oxide containing other elements needs to have a perovskite structure.

圧電体層70が、Mn、CoやCrを含む場合、Mn、CoやCrはBサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Mn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で置換された構造、又は、鉄酸マンガン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ことがわかっている。また、CoやCrを含む場合も、Mnと同様に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、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Mn、CoおよびCrを例として説明したが、その他遷移金属元素の2元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層70とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。   When the piezoelectric layer 70 includes Mn, Co, and Cr, Mn, Co, and Cr are complex oxides having a structure located at the B site. For example, when Mn is included, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a structure in which part of Fe in a solid solution in which bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved, is substituted with Mn, or ferric acid It is expressed as a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth manganate and barium titanate, and the basic characteristics are the same as those of a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth ferrate and barium titanate. However, it has been found that the leakage characteristics are improved. Further, when Co or Cr is included, the leakage characteristics are improved in the same manner as Mn. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate, barium titanate, bismuth iron manganate, bismuth iron cobaltate, and bismuth iron chromate are not detected alone. Further, although Mn, Co and Cr have been described as examples, it has been found that leakage characteristics are similarly improved when two other transition metal elements are included at the same time. In addition, other known additives may be included to improve the properties.

このようなBi、Fe、Ba及びTiに加えてMn、CoやCr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、CoまたはCr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。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。   The piezoelectric layer 70 made of a composite oxide having a perovskite structure including Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti is, for example, a mixed crystal represented by the following general formula (2). is there. Further, the formula (2) can also be expressed by the following general formula (2 ′). In general formula (2) and general formula (2 '), M is Mn, Co, or Cr. Here, the description of the general formula (2) and the general formula (2 ′) is a composition notation based on the stoichiometry, and as described above, as long as the perovskite structure can be taken, it is unavoidable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Such a composition deviation is allowed. For example, if the stoichiometry is 1, one in the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.

(1−x)[Bi(Fe1−y)O]−x[BaTiO] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBa)((Fe1−y1−xTi)O (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(1-x) [Bi (Fe 1-y M y ) 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)

ここで、圧電材料に三角波の電圧を印加すると、分極量Pと電圧Vとの関係を示すP−V曲線は、ヒステリシスとなる。そして、本発明においては、圧電材料である圧電体層70は、30V 1kHzの三角波1周期分を印加した際の印加終了時の残留分極量Pr1と、この印加終了時から1.0秒経過した時の残留分極量Pr2との比であるPr2/Pr1が、0.39以上0.70以下であるものである。以下に、本発明における圧電体層70について、図4を例として説明する。図4(a)は圧電体層のP−V曲線を示す模式図であり、図4(b)は圧電体層に印加する三角波を示す図である。   Here, when a triangular wave voltage is applied to the piezoelectric material, the PV curve indicating the relationship between the polarization amount P and the voltage V becomes hysteresis. In the present invention, the piezoelectric layer 70, which is a piezoelectric material, has a residual polarization amount Pr1 at the end of application when applying one period of a 30V 1kHz triangular wave, and 1.0 second has elapsed from the end of the application. The ratio Pr2 / Pr1, which is a ratio with the residual polarization amount Pr2, is 0.39 or more and 0.70 or less. Hereinafter, the piezoelectric layer 70 according to the present invention will be described with reference to FIG. 4A is a schematic diagram showing a PV curve of the piezoelectric layer, and FIG. 4B is a diagram showing a triangular wave applied to the piezoelectric layer.

圧電体層70、ひいては圧電素子に、30V 1kHzの三角波を1周期分、すなわち、例えば図4(b)に示す三角波形状の電圧を印加すると、まず、図4(a)の実線で示すように、印加電圧の増加に従い分極量は増加して印加電圧が+30Vの時にプラス側の飽和分極量Pm+に達する。次に、印加電圧の減少に従い分極量は減少するが、印加電圧が0Vになった時がプラス側の残留分極量Pr+である。続いて、印加電圧の減少に従い分極量は減少し続け印加電圧が−30Vの時にマイナス側の飽和分極量Pm−に達する。次いで、印加電圧の増加と共に分極量は再び増加するが、印加電圧が再び0Vになった時の分極量、すなわち、1周期分の三角波の印加が終了した時の分極量が、マイナス側の残留分極量Pr1である。そして、この1周期分の三角波の印加が終了した後に、電圧を印加しない状態で放置すると、電荷が放出されて分極量の絶対値が減少する。この放置する時間を1.0秒間とした場合の放置後の残留分極量、すなわち、1周期分の三角波の印加が終了した後1.0秒経過した時の残留分極量をPr2とする。Pr2は最初の三角波1周期分を印加して、その後、1.0秒経過した後で、再度、三角波1周期分を印加して得られたP−V曲線(ヒステリシス)より求める。このようなPr1とPr2との比Pr2/Pr1を所定範囲としたのが、本発明である。なお、分極していない状態、すなわち分極量が0である圧電体層70に、上記三角波を印加した場合、0Vから+30Vまでの分極量は、図4に示す点線のようになり、印加電圧が+30VになってPm+に達した後は、上述した実線と同じ挙動になる。   When a voltage of 30 V 1 kHz triangular wave for one period, that is, for example, a triangular wave-shaped voltage shown in FIG. 4B is applied to the piezoelectric layer 70 and thus the piezoelectric element, first, as shown by the solid line in FIG. The amount of polarization increases as the applied voltage increases, and reaches the saturation saturation amount Pm + on the positive side when the applied voltage is + 30V. Next, although the polarization amount decreases as the applied voltage decreases, the plus side residual polarization amount Pr + is when the applied voltage becomes 0V. Subsequently, the amount of polarization continues to decrease as the applied voltage decreases, and reaches the negative saturation polarization amount Pm− when the applied voltage is −30V. Next, the amount of polarization increases again as the applied voltage increases. However, the amount of polarization when the applied voltage becomes 0 V again, that is, the amount of polarization when the application of the triangular wave for one cycle is completed, remains on the negative side. The amount of polarization Pr1. Then, if the voltage is not applied after the application of the triangular wave for one period is completed, the charge is released and the absolute value of the polarization amount decreases. The residual polarization amount after being left when the standing time is set to 1.0 second, that is, the residual polarization amount when 1.0 second has elapsed after the application of the triangular wave for one period is finished is Pr2. Pr2 is obtained from a PV curve (hysteresis) obtained by applying one period of the first triangular wave and then applying one period of the triangular wave again after 1.0 second has elapsed. In the present invention, the ratio Pr2 / Pr1 between Pr1 and Pr2 is set within a predetermined range. When the triangular wave is applied to the piezoelectric layer 70 that is not polarized, that is, the polarization amount is 0, the polarization amount from 0 V to +30 V is as shown by the dotted line in FIG. After reaching + 30V and reaching Pm +, the behavior is the same as the solid line described above.

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。本発明においては、このようなBi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物からなり、所定の三角波を印加した時の所定の残留分極量Pr1、Pr2の比Pr2/Pr1が、0.39以上0.70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、Pr2/Pr1が0.39未満や0.70超のものと比較して、顕著に変位量を向上させることができる。また、圧電体層について、30V 1kHzの三角波1周期分を印加して得られたP−V曲線(ヒステリシス)より上記残留分極量Pr1を求め、その後1.0秒放置した後、再度30V 1kHzの三角波1周期分を印加して、得られたP−V曲線(ヒステリシス)より上記残留分極量Pr2を求めてPr1とPr2との比であるPr2/Pr1を算出し、このPr2/Pr1が0.39以上0.70以下の範囲内に入るか否かを見ることで、圧電体層を用いた圧電素子が大きな変位量を生じるものかどうかを容易に評価することもできる。   Here, as described in Patent Document 2 and the like, a composite oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti is known as a piezoelectric material. In the present invention, the ratio Pr2 / Pr1 of the predetermined remanent polarization amounts Pr1 and Pr2 when a predetermined triangular wave is applied is made of such a complex oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti is 0.39 or more. By using the piezoelectric layer 70 of 0.70 or less, as shown in Examples and Comparative Examples described later, the Pr2 / Pr1 is significantly displaced as compared with those of less than 0.39 or more than 0.70. The amount can be improved. Further, the piezoelectric layer obtained from the PV curve (hysteresis) obtained by applying one period of a triangular wave of 30 V 1 kHz was determined for the residual polarization amount Pr1, then left for 1.0 second, and then again at 30 V 1 kHz. One period of the triangular wave is applied, the residual polarization amount Pr2 is obtained from the obtained PV curve (hysteresis), and the ratio Pr2 / Pr1, which is the ratio of Pr1 to Pr2, is calculated. Whether or not the piezoelectric element using the piezoelectric layer generates a large amount of displacement can be easily evaluated by checking whether or not it falls within the range of 39 to 0.70.

なお、圧電材料の残留分極量の絶対値、例えばPr1やPr2の絶対値と変位量との関係は、残留分極量Pr1やPr2が大きいと変位量が大きくなるという単純な関係ではない。Bi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物からなる圧電材料の場合は、Pr2/Pr1が0.39以上0.70以下であると、Pr2/Pr1が0.39未満や0.70超のものと比較して、変位量が顕著に大きいことを本発明において知見した。   The relationship between the absolute value of the residual polarization amount of the piezoelectric material, for example, the absolute value of Pr1 and Pr2, and the displacement amount is not a simple relationship that the displacement amount increases when the residual polarization amount Pr1 or Pr2 is large. In the case of a piezoelectric material made of a composite oxide containing Bi, Ba, Fe and Ti, if Pr2 / Pr1 is 0.39 or more and 0.70 or less, Pr2 / Pr1 is less than 0.39 or more than 0.70. It has been found in the present invention that the amount of displacement is significantly larger than that of the present invention.

圧電体層70を構成するBi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物の元素欠陥を多くすると上記Pr2/Pr1は小さくなる傾向があり、該複合酸化物に圧電性に寄与しない不純物質を多く含ませると上記Pr2/Pr1は小さくなる傾向があり、また、該複合酸化物の結晶性を高くすると上記Pr2/Pr1は大きくなる傾向がある。   Increasing the number of element defects in the composite oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti constituting the piezoelectric layer 70 tends to decrease the Pr2 / Pr1, and the composite oxide has a large amount of impurities that do not contribute to piezoelectricity. When included, the Pr2 / Pr1 tends to decrease, and when the crystallinity of the composite oxide is increased, the Pr2 / Pr1 tends to increase.

また、Bi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物からなる圧電体層70は、その膜厚が厚いとPr1が大きくなる傾向がある。なお、膜厚によりPr1が大きくなるという傾向は、Bi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物特有の特性であり、例えば、チタン酸バリウム系の圧電材料には見られない傾向である。   In addition, the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti tends to have a large Pr1 when the film thickness is large. The tendency for Pr1 to increase with the film thickness is a characteristic peculiar to a composite oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti, and for example, tends not to be found in barium titanate-based piezoelectric materials.

そして、後述するが、第1電極60上に圧電体層70の最下層として圧電材料等からなるバッファー層を設けることや、Bi、Ba、Fe及びTiを含む複合酸化物を製造する際の焼成温度等の焼成条件を変化させること等により、上記Pr2/Pr1の値を調整することもできる。   As will be described later, a buffer layer made of a piezoelectric material or the like is provided on the first electrode 60 as the lowermost layer of the piezoelectric layer 70, or firing when producing a composite oxide containing Bi, Ba, Fe, and Ti. The value of Pr2 / Pr1 can also be adjusted by changing firing conditions such as temperature.

また、圧電体層70の最下層としてペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるバッファー層を設けてもよい。バッファー層を構成するペロブスカイト構造を有する複合酸化物としては、例えば、Bi、Fe、Ti及びCoを含有する複合酸化物等の圧電材料が挙げられる。このようなバッファー層を圧電体層70の最下層として設けることにより、上記Pr2/Pr1の値を所定の値に調整することができる。バッファー層は、圧電体層70と比較して非常に薄いことが好ましく、例えば10〜100nm程度であることが好ましい。   Further, a buffer layer made of a complex oxide having a perovskite structure may be provided as the lowermost layer of the piezoelectric layer 70. Examples of the composite oxide having a perovskite structure constituting the buffer layer include piezoelectric materials such as composite oxides containing Bi, Fe, Ti, and Co. By providing such a buffer layer as the lowermost layer of the piezoelectric layer 70, the value of Pr2 / Pr1 can be adjusted to a predetermined value. The buffer layer is preferably very thin compared to the piezoelectric layer 70, and is preferably about 10 to 100 nm, for example.

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 second electrode 80, which 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 extends to the elastic film 50 or an insulator film provided as necessary. For example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like 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、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 path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the elastic film 50, the insulator film provided as necessary, and the lead electrode 90. A protective substrate 30 having a manifold portion 31 constituting the above is joined 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 a member (for example, an elastic film 50, an insulator film provided as necessary, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 is provided. ) May be provided with an ink supply path 14 for communicating the manifold 100 and each pressure generating chamber 12.

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 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、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 adhesion layer 56, the first electrode 60, and the piezoelectric body. By bending and deforming the layer 70, the pressure in each pressure generation 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(SiO)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 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. 5B, an adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film) by sputtering or thermal oxidation.

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 first electrode 60 made of platinum, iridium, iridium oxide, or a laminated structure thereof is formed on the entire surface of the adhesion layer 56 by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. . Next, as shown in FIG. 6B, patterning is performed simultaneously on the first electrode 60 so that the side surfaces of the adhesion layer 56 and the first electrode 60 are inclined using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask.

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、気相法、液相法や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 piezoelectric layer 70 is laminated on the first electrode 60. The method for manufacturing the piezoelectric layer 70 is not particularly limited. For example, a MOD (Metal film) that obtains a piezoelectric layer (piezoelectric film) made of a metal oxide by coating and drying a solution containing a metal complex and firing at a high temperature. The piezoelectric layer 70 can be manufactured by using a chemical solution method such as an —Organic Decomposition ”method or a sol-gel method. In addition, the piezoelectric layer 70 is manufactured by a vapor phase method, a liquid phase method, or a solid phase method such as a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like. be able to.

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 piezoelectric layer 70 is formed by the chemical solution method, first, as shown in FIG. 6C, a metal complex, specifically Bi, is formed on the first electrode 60. The piezoelectric precursor film 71 is formed by applying a piezoelectric film forming composition (precursor solution) made of a MOD solution or a sol containing a metal complex containing Fe, Ba and Ti using a spin coating method or the like. Form (application process).

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、CoやCr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、CoやCr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、CoやCr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、Cr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2−エチルヘキサン酸ビスマス、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2−エチルヘキサン酸鉄、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、2−エチルヘキサン酸バリウム、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、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。Mnを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガン、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2−エチルヘキサン酸コバルト、コバルト(III)アセチルアセトナートなどが挙げられる。Crを含む有機金属化合物としては、2−エチルヘキサン酸クロムなどが挙げられる。勿論、Bi、Fe、Ba、Tiや、必要に応じて含有させるMn、Co、Cr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 piezoelectric layer 70 made of a complex oxide containing Mn, Co, and Cr, a precursor solution containing a metal complex containing Mn, Co, and Cr is further used. What is necessary is just to mix the mixing ratio of the metal complex which each contains Bi, Fe, Ba, and Ti, and the metal complex which has Mn, Co, and Cr mixed as needed so that each metal may become a desired molar ratio. As the metal complex containing Bi, Fe, Ba, Ti, Mn, Co, and Cr, for example, alkoxide, organic acid salt, β diketone complex, and the like can be used. Examples of the metal complex containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate and bismuth acetate. Examples of the metal complex containing Fe include iron 2-ethylhexanoate, iron acetate, and tris (acetylacetonato) iron. Examples of the metal complex containing Ba include barium isopropoxide, barium 2-ethylhexanoate, barium acetylacetonate, and the like. Examples of the metal complex containing Ti include titanium isopropoxide, titanium 2-ethylhexanoate, titanium (di-i-propoxide) bis (acetylacetonate), and the like. Examples of the metal complex containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate and manganese acetate. Examples of the organometallic compound containing Co include cobalt 2-ethylhexanoate and cobalt (III) acetylacetonate. Examples of the organometallic compound containing Cr include chromium 2-ethylhexanoate. Of course, you may use Bi, Fe, Ba, Ti, and the metal complex containing 2 or more types of Mn, Co, and Cr contained as needed. Examples of the solvent for the precursor solution include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octylic acid, and the like.

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、NO、CO、HO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 piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature (for example, 150 to 200 ° C.) and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.) and holding it for a certain time (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 of the drying step or the degreasing step is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas. In addition, you may perform an application | coating process, a drying process, and a degreasing process in multiple times.

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 piezoelectric precursor film 71 is crystallized by heating to a predetermined temperature, for example, about 600 to 850 ° C., and holding it for a certain time, for example, 1 to 10 minutes. Then, a piezoelectric film 72 made of a composite oxide containing bismuth, iron, barium and titanium and having a perovskite structure is formed (firing step). Also in this firing step, the atmosphere is not limited, and may be in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert gas. Examples of the heating device used in the drying step, the degreasing step, and the firing step include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp, a hot plate, and the like.

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 piezoelectric layer 70 composed of a plurality of piezoelectric films 72. As shown in FIG. 7B, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed. 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.

圧電体層70の最下層にバッファー層を設ける場合は、第1電極60上にバッファー層を設け、このバッファー層上に圧電体膜を積層すればよい。バッファー層の製造方法は特に限定されず、上記の圧電体層70と同様の方法で製造することができ、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バッファー層を得るMOD法やゾル−ゲル法等の化学溶液法、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、気相法、液相法や固相法でも製造できる。なお、バッファー層を化学溶液法で形成する場合の原料である金属錯体は、圧電体層70の製造方法において記載したものと同様の化合物が挙げられる。   When a buffer layer is provided in the lowermost layer of the piezoelectric layer 70, a buffer layer may be provided on the first electrode 60 and a piezoelectric film may be laminated on the buffer layer. The method for producing the buffer layer is not particularly limited, and can be produced by the same method as that for the piezoelectric layer 70 described above. For example, a metal oxide is obtained by applying and drying a solution containing a metal complex and firing at a high temperature. Chemical solution methods such as MOD method and sol-gel method to obtain a buffer layer consisting of, laser ablation method, sputtering method, pulse laser deposition method (PLD method), CVD method, aerosol deposition method, etc. It can also be produced by a gas phase method, a liquid phase method or a solid phase method. Examples of the metal complex that is a raw material when the buffer layer is formed by the chemical solution method include the same compounds as those described in the method for manufacturing the piezoelectric layer 70.

このように圧電体層70を製造する際に、前駆体溶液の元素比や不純物量、圧電体層70の最下層としてのバッファー層の有無、圧電体層70の膜厚や、圧電体層70の焼成工程の焼成温度等の焼成条件等を調整することにより、上記Pr2/Pr1の値を調整することができる。これら前駆体溶液の元素比や不純物量、バッファー層の有無、圧電体層70の膜厚や、圧電体層70の焼成条件それぞれによりPr2/Pr1の値が変化するため、各条件のバランスを調整する必要がある。   When the piezoelectric layer 70 is manufactured as described above, the element ratio and impurity amount of the precursor solution, the presence or absence of the buffer layer as the lowermost layer of the piezoelectric layer 70, the thickness of the piezoelectric layer 70, the piezoelectric layer 70, and the like. The value of Pr2 / Pr1 can be adjusted by adjusting the firing conditions such as the firing temperature of the firing step. The Pr2 / Pr1 value varies depending on the element ratio and the amount of impurities in the precursor solution, the presence or absence of the buffer layer, the thickness of the piezoelectric layer 70, and the firing conditions of the piezoelectric layer 70, so the balance of each condition is adjusted. There is a need to.

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の結晶性を高くすることができる。   After the piezoelectric layer 70 is formed in this way, as shown in FIG. 8A, the second electrode 80 made of platinum or the like is formed on the piezoelectric layer 70 by a sputtering method 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. Then, you may anneal in the temperature range of 600-850 degreeC as needed, for example. 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 increased.

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 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 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 with an adhesive 35 interposed therebetween. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

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 mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.

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 substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52, thereby forming 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.

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、(100)単結晶シリコン(Si)基板の表面に熱酸化により膜厚1200nmの酸化シリコン(SiO)膜を形成した。次に、SiO膜上にRFマグネトロンスパッタ法により膜厚40nmのチタン膜を作製し、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RFマグネトロンスパッタ法により、(111)面に配向し厚さ100nmの白金膜(第1電極60)を形成した。
Example 1
First, a 1200 nm-thickness silicon oxide (SiO 2 ) film was formed on the surface of a (100) single crystal silicon (Si) substrate by thermal oxidation. Next, a titanium film having a thickness of 40 nm was formed on the SiO 2 film by RF magnetron sputtering, and a titanium oxide film was formed by thermal oxidation. Next, a platinum film (first electrode 60) having a thickness of 100 nm and oriented in the (111) plane was formed on the titanium oxide film by RF magnetron sputtering.

次いで、第1電極60上に圧電体層70の最下層としてペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるバッファー層を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、2−エチルヘキサン酸ビスマス、2−エチルヘキサン酸鉄、2−エチルヘキサン酸チタン及び2−エチルヘキサン酸コバルトのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Fe:Ti:Co=100:80:10:10となるように混合して、バッファー層の前駆体溶液を調製した。   Next, a buffer layer made of a complex oxide having a perovskite structure was formed on the first electrode 60 as the lowermost layer of the piezoelectric layer 70. The method is as follows. First, an n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, titanium 2-ethylhexanoate and cobalt 2-ethylhexanoate has a molar concentration ratio of Bi: Fe: Ti: Co = 100: A buffer layer precursor solution was prepared by mixing at 80:10:10.

次いで、バッファー層の前駆体溶液を、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、3000rpmで基板を回転させてスピンコート法により圧電体前駆体膜を形成した(バッファー層塗布工程)。次に、ホットプレート上で、180℃で2分間乾燥した(バッファー層乾燥工程)。次いで、450℃で2分間脱脂を行った(バッファー層脱脂工程)。その後に、酸素雰囲気中で、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置で750℃2分間の焼成を行った(バッファー層焼成工程)。   Next, the buffer layer precursor solution was dropped on the substrate on which the titanium oxide film and the platinum film were formed, and the substrate was rotated at 3000 rpm to form a piezoelectric precursor film by spin coating (buffer layer coating). Process). Next, it was dried at 180 ° C. for 2 minutes on a hot plate (buffer layer drying step). Subsequently, degreasing was performed at 450 ° C. for 2 minutes (buffer layer degreasing step). Thereafter, firing was performed at 750 ° C. for 2 minutes in an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus in an oxygen atmosphere (buffer layer firing step).

次いで、このバッファー層上に圧電体膜を形成し、圧電体層70とした。その手法は以下のとおりである。まず、2−エチルヘキサン酸ビスマス、2−エチルヘキサン酸鉄、2−エチルヘキサン酸マンガン、2−エチルヘキサン酸バリウム及び2−エチルヘキサン酸チタンの各n−オクタン溶液を、各元素がモル比でBi:Ba:Fe:Ti:Mn=75:25:71.25:25:3.75となるように混合して、前駆体溶液を調製した。   Next, a piezoelectric film was formed on this buffer layer to obtain a piezoelectric layer 70. The method is as follows. First, each n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, manganese 2-ethylhexanoate, barium 2-ethylhexanoate and titanium 2-ethylhexanoate, each element in molar ratio A precursor solution was prepared by mixing Bi: Ba: Fe: Ti: Mn = 75: 25: 71.25: 25: 3.75.

そしてこの前駆体溶液を、バッファー層上が形成された基板上に滴下し、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、ホットプレート上で、180℃で2分間乾燥した(乾燥工程)。次いで、350℃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、800℃、2分間焼成を行った(焼成工程)。次いで、この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程を2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本実施例では12回繰り返し、1層のバッファー層と、合計24回の塗布による圧電体膜からなる、全体で厚さ1820nmの圧電体層70を形成した。   And this precursor solution was dripped on the board | substrate with which the buffer layer top was formed, the board | substrate was rotated at 3000 rpm, and the piezoelectric precursor film | membrane was formed (application | coating process). Next, it was dried at 180 ° C. for 2 minutes on a hot plate (drying process). Next, degreasing was performed at 350 ° C. for 2 minutes (degreasing step). After repeating this coating step, drying step, and degreasing step twice, firing was performed in an oxygen atmosphere with a RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus at 800 ° C. for 2 minutes (firing step). Next, in this example, the step of performing the baking step of baking all at once after repeating the coating step, the drying step, and the degreasing step twice is repeated in this example, one buffer layer, and a total of 24 piezoelectric steps. A piezoelectric layer 70 having a total thickness of 1820 nm made of a body film was formed.

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750℃、5分間焼成を行うことで、Bi、Fe、Mn、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を圧電体層70とする圧電素子300を形成した。   Thereafter, a platinum film (second electrode 80) having a thickness of 100 nm is formed as a second electrode 80 on the piezoelectric layer 70 by sputtering, and then baked at 750 ° C. for 5 minutes in an oxygen atmosphere using an RTA apparatus. As a result, a piezoelectric element 300 was formed in which the composite oxide containing Bi, Fe, Mn, Ba and Ti and having a perovskite structure was used as the piezoelectric layer 70.

(実施例2)
一括して焼成する焼成工程を行う工程を10回繰り返し、合計20回の塗布による圧電体膜を有し、全体で厚さ1520nmの圧電体層70とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that the step of performing the baking step of collectively baking was repeated 10 times, and the piezoelectric layer was formed by a total of 20 coatings and had a total thickness of 1520 nm. Went.

(実施例3)
一括して焼成する焼成工程を行う工程を8回繰り返し、合計16回の塗布による圧電体膜を有し、全体で厚さ1220nmの圧電体層70とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Example 3)
The same operation as in Example 1 was performed except that the step of performing the baking step of batch baking was repeated 8 times, and the piezoelectric layer was formed by a total of 16 coatings to have a piezoelectric layer 70 with a total thickness of 1220 nm. Went.

(実施例4)
焼成工程の焼成温度を850℃とした以外は、実施例3と同様の操作を行った。
Example 4
The same operation as in Example 3 was performed except that the firing temperature in the firing step was 850 ° C.

(実施例5)
一括して焼成する焼成工程を行う工程を7回繰り返し、合計14回の塗布による圧電体膜を有し、全体で厚さ1070nmの圧電体層70とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Example 5)
The same operation as in Example 1 was repeated except that the step of performing the baking step of baking all at once was repeated seven times, and the piezoelectric film was formed in a total of 14 times, and the piezoelectric layer 70 had a thickness of 1070 nm as a whole. Went.

(実施例6)
焼成工程の焼成温度を750℃とした以外は、実施例5と同様の操作を行った。
(Example 6)
The same operation as in Example 5 was performed except that the firing temperature in the firing step was 750 ° C.

(実施例7)
バッファー層を設けなかった以外は、実施例6と同様の操作を行った。
(Example 7)
The same operation as in Example 6 was performed, except that no buffer layer was provided.

(比較例1)
各元素がモル比でBi:Ba:Fe:Ti:Mn=77.5:22.5:73.625:22.5:3.875となるように混合した前駆体溶液を用いた以外は、実施例5と同様の操作を行った。
(Comparative Example 1)
Except using the precursor solution mixed so that each element might become Bi: Ba: Fe: Ti: Mn = 77.5: 22.5: 73.625: 22.5: 3.875 in molar ratio, The same operation as in Example 5 was performed.

(比較例2)
一括して焼成する焼成工程を行う工程を4回繰り返し、合計8回の塗布による圧電体膜を有し、全体で厚さ620nmの圧電体層70とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Comparative Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that the step of performing the baking step of baking in a lump was repeated four times, and the piezoelectric layer was formed with a total of eight times of application and had a total thickness of 620 nm. Went.

(比較例3)
一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、合計6回の塗布による圧電体膜を有し、全体で厚さ470nmの圧電体層70とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。
(Comparative Example 3)
The same operation as in Example 1 is repeated except that the step of performing the baking step of baking at once is repeated three times, and the piezoelectric layer is formed with a total of six times of coating and has a total thickness of 470 nm. Went.

(試験例1)
実施例1〜7及び比較例1〜3の各圧電素子について、上記Pr1とPr2との比であるPr2/Pr1を求めた。具体的には、まず、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=500μmの電極パターンを使用し、圧電体層70に、室温で、30V 周波数1kHzの三角波を1周期分印加して、得られたP(分極量)−V(電圧)曲線からPr1を求めた。そして、この1周期分の三角波の印加が終了した後1.0秒放置した後に、再度圧電体層70に30V 1kHzの三角波1周期分を印加して、得られたP(分極量)−V(電圧)曲線からPr2を求めた。このPr1及びPr2から算出したPr2/Pr1を表1に示す。
(Test Example 1)
For each of the piezoelectric elements of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, Pr2 / Pr1, which is the ratio of Pr1 and Pr2, was obtained. Specifically, first, using “FCE-1A” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., using an electrode pattern of φ = 500 μm, a triangular wave of 30 V frequency 1 kHz is applied to the piezoelectric layer 70 for one period at room temperature, Pr1 was calculated | required from the obtained P (polarization amount) -V (voltage) curve. Then, after the application of the triangular wave for one period is completed, the triangular wave is left for 1.0 second, and then one period of the triangular wave of 30 V and 1 kHz is applied to the piezoelectric layer 70 again, and the obtained P (polarization amount) −V Pr2 was determined from the (voltage) curve. Table 1 shows Pr2 / Pr1 calculated from Pr1 and Pr2.

(試験例2)
実施例1〜7及び比較例1〜3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))を求めた。試験例1及び試験例2の結果から、Pr2/Pr1と変位量(表1においてDpp2と記載する。)との関係を図10に示す。
(Test Example 2)
About each piezoelectric element of Examples 1-7 and Comparative Examples 1-3, the voltage of 30V is applied at the frequency of 1 kHz using the electrode pattern of (phi) = 500micrometer using the displacement measuring apparatus (DBLI) made from an Axact company at room temperature. S (electric field induced strain (displacement amount)) was obtained. From the results of Test Example 1 and Test Example 2, the relationship between Pr2 / Pr1 and the displacement (denoted as Dpp2 in Table 1) is shown in FIG.

この結果、Pr2/Pr1が、0.39以上0.70以下である実施例1〜7は、Pr2/Pr1が0.39未満や0.70超の各比較例と比べて、顕著に変位量が大きかった。   As a result, in Examples 1 to 7 in which Pr2 / Pr1 is 0.39 or more and 0.70 or less, the amount of displacement is significantly larger than the comparative examples in which Pr2 / Pr1 is less than 0.39 or more than 0.70. Was big.

Figure 2013091228
Figure 2013091228

(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.

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 piezoelectric element 300 in which the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are sequentially stacked on the substrate (the flow path forming substrate 10) is illustrated, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, the present invention can also be applied to a longitudinal vibration type piezoelectric element in which piezoelectric materials and electrode forming materials are alternately stacked to expand and contract in the axial direction.

また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図11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. 11 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図11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. 11, 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)

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、30V 1kHzの三角波1周期分を印加した際の印加終了時の残留分極量Pr1と、この印加終了時から1.0秒経過した時の残留分極量Pr2との比であるPr2/Pr1が、0.39以上0.70以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
A liquid ejecting head that discharges liquid from a nozzle opening, comprising: 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 including bismuth, iron, barium, and titanium, and a residual polarization amount Pr1 at the end of application when a 30 V 1 kHz triangular wave period is applied, and the application end. A liquid ejecting head, wherein Pr2 / Pr1, which is a ratio to a residual polarization amount Pr2 when 1.0 second has elapsed from time, is 0.39 or more and 0.70 or less.
請求項1に記載の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。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 1. 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、30V 1kHzの三角波1周期分を印加した際の印加終了時の残留分極量Pr1と、この印加終了時から1.0秒経過した時の残留分極量Pr2との比であるPr2/Pr1が、0.39以上0.70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, wherein the piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium, and titanium, and is 30 V 1 kHz Pr2 / Pr1, which is the ratio of the residual polarization amount Pr1 at the end of application when applying one period of the triangular wave and the residual polarization amount Pr2 after 1.0 second from the end of the application, is 0.39. A piezoelectric element characterized by being 0.70 or more and 0.70 or less.
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