JP2013179110A - Liquid injection head, liquid injection apparatus, piezoelectric element, and piezoelectric ceramic - Google Patents

Liquid injection head, liquid injection apparatus, piezoelectric element, and piezoelectric ceramic Download PDF

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貴幸 米村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performances of a non-lead piezoelectric ceramic, and a piezoelectric element, a liquid injection head and liquid injection apparatus which include the piezoelectric ceramic.SOLUTION: A piezoelectric layer (piezoelectric ceramic) 30 includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti, has a residual dielectric polarization Pof 24 μC/cmor more, and is preferentially oriented in (110). A piezoelectric element 3 has the piezoelectric layer 30 and an electrode. A liquid injection head (1) includes: a pressure generation chamber 12 communicating with a nozzle opening 71; and the piezoelectric element 3. A liquid injection apparatus (200) includes the liquid injection head (1).

Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、及び、圧電セラミックスに関する。   The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, and a piezoelectric ceramic.

圧電素子として、結晶化した誘電材料といった電気−機械変換機能を呈する圧電薄膜を電極で挟んで構成されたものがある。圧電素子は、例えば、アクチュエーター装置としてインクジェット式記録ヘッドといった液体噴射ヘッド等に用いられる。
圧電材料として使用されているPZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zrx,Ti1-x)O3)は、大きな圧電歪を示す(特許文献1参照。)。この理由の一つに、比誘電率ε33 Tが1000〜2000と高いことが挙げられる。
As a piezoelectric element, there is one configured by sandwiching a piezoelectric thin film exhibiting an electro-mechanical conversion function, such as a crystallized dielectric material, between electrodes. The piezoelectric element is used, for example, in a liquid ejecting head such as an ink jet recording head as an actuator device.
PZT (lead zirconate titanate, Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ) used as a piezoelectric material exhibits a large piezoelectric strain (see Patent Document 1). One reason for this is that the relative dielectric constant ε 33 T is as high as 1000 to 2000.

圧電歪の大小を表す指標として、一般的に圧電定数d33が使用されている。下付きの数字は方位を表し、前記33であれば、圧力と電圧方位が同一方向であることを示す。圧電定数d33は、電気機械結合係数k33、比誘電率ε33 T、及び、ヤング率Eを用いて以下の関係式で表されることが知られている。

Figure 2013179110
式(1)によると、圧電定数は比誘電率の平方根に比例する。このため、比誘電率が大きいPZTは高い圧電定数を示す。 In general, the piezoelectric constant d 33 is used as an index representing the magnitude of piezoelectric strain. A subscript number represents an azimuth. If the number is 33, the pressure and voltage azimuth indicate the same direction. It is known that the piezoelectric constant d 33 is expressed by the following relational expression using an electromechanical coupling coefficient k 33 , a relative dielectric constant ε 33 T , and a Young's modulus E.
Figure 2013179110
According to equation (1), the piezoelectric constant is proportional to the square root of the dielectric constant. For this reason, PZT with a large relative dielectric constant shows a high piezoelectric constant.

一方、PZTはPb(鉛)が含まれているため、環境負荷の観点から非鉛系圧電材料の研究開発が行われている(特許文献2,3及び非特許文献1参照。)。BF−BT系、すなわち、(Bi,Ba)(Fe,Ti)O3系の圧電材料は、非鉛系圧電材料の中では高い圧電性を示す。しかし、BF−BT系圧電材料の比誘電率ε33 Tは、PZTの半分程度以下である。BF−BT系圧電材料の電気機械結合係数及びヤング率がPZTと同等であると仮定した場合、BF−BT系圧電材料の圧電定数d33はPZTの約70%にとどまる。従って、いわゆる圧電効果/逆圧電効果、すなわち、真性(intrinsic)圧電歪の場合、BF−BT系圧電材料の圧電歪量は、PZTの約70%にとどまることになる。 On the other hand, since PZT contains Pb (lead), research and development of lead-free piezoelectric materials are being performed from the viewpoint of environmental load (see Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Document 1). The BF-BT, that is, (Bi, Ba) (Fe, Ti) O 3 -based piezoelectric materials exhibit high piezoelectricity among the lead-free piezoelectric materials. However, the relative dielectric constant ε 33 T of the BF-BT piezoelectric material is about half or less of PZT. Assuming that the electromechanical coupling coefficient and Young's modulus of the BF-BT piezoelectric material are equivalent to those of PZT, the piezoelectric constant d 33 of the BF-BT piezoelectric material is only about 70% of PZT. Therefore, in the case of the so-called piezoelectric effect / inverse piezoelectric effect, that is, intrinsic piezoelectric strain, the amount of piezoelectric strain of the BF-BT piezoelectric material is only about 70% of PZT.

低い比誘電率であっても大きな圧電歪を示す圧電素子として、強誘電体−反強誘電体相転移を利用した圧電素子(特許文献4参照。)が報告されている。この現象は、真性圧電歪とは異なる外因性(extrinsic)圧電歪と呼ばれ、上記式(1)が成り立たない。   A piezoelectric element using a ferroelectric-antiferroelectric phase transition (see Patent Document 4) has been reported as a piezoelectric element exhibiting large piezoelectric strain even with a low relative dielectric constant. This phenomenon is called extrinsic piezoelectric strain different from intrinsic piezoelectric strain, and the above formula (1) does not hold.

特開2001−223404号公報JP 2001-223404 A 特開2009−242229号公報JP 2009-242229 A 特開2009−252789号公報JP 2009-252789 A 特開2011−097002号公報JP 2011-097002 A

Tsutomu Sasaki et al., Japanese Journal of Applied Physics 50, 09NA08 (2011)Tsutomu Sasaki et al., Japanese Journal of Applied Physics 50, 09NA08 (2011)

しかし、強誘電体−反強誘電体相転移を利用するためには、BF−BT系圧電材料とは異なる(Bi,La)(Fe,Mn)O3を圧電材料に使用する必要がある。従って、この技術はBF−BT系圧電材料に適用することができない。
なお、特許文献2の技術は、パルス・レーザー・デポジション(PLD)等の気相蒸着法で(100)に優先配向したBF−BT系圧電材料を作製するものである。試験を行ったところ、(100)に優先配向したBF−BT系圧電材料は、上記式(1)から期待されるPZTの約70%の圧電歪を示さないことが分かった。
However, in order to use the ferroelectric-antiferroelectric phase transition, it is necessary to use (Bi, La) (Fe, Mn) O 3 different from the BF-BT piezoelectric material for the piezoelectric material. Therefore, this technique cannot be applied to the BF-BT piezoelectric material.
The technique of Patent Document 2 is to produce a BF-BT piezoelectric material preferentially oriented to (100) by vapor deposition such as pulsed laser deposition (PLD). As a result of testing, it was found that the BF-BT piezoelectric material preferentially oriented to (100) does not exhibit a piezoelectric strain of about 70% of PZT expected from the above formula (1).

上述したような問題は、液体噴射ヘッドに限らず、圧電アクチュエーターやセンサー等の圧電素子や、圧電セラミックスにおいても同様に存在する。   The above-described problem is not limited to the liquid ejecting head, and similarly exists in piezoelectric elements such as piezoelectric actuators and sensors, and piezoelectric ceramics.

以上を鑑み、本発明の目的の一つは、非鉛化した圧電セラミックス、並びに、該圧電セラミックスを用いた圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させることにある。   In view of the above, one of the objects of the present invention is to improve the performance of lead-free piezoelectric ceramics and piezoelectric elements, liquid jet heads, and liquid jet devices using the piezoelectric ceramics.

上記目的の一つを達成するため、本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、
圧電体層及び電極を有する圧電素子と、を備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、態様を有する。
また、本発明は、上記液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置の態様を有する。
In order to achieve one of the above objects, the present invention comprises a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening,
A liquid ejecting head comprising a piezoelectric layer and a piezoelectric element having an electrode,
The piezoelectric layer includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti,
The residual polarization is 24 μC / cm 2 or more, and (110) is preferentially oriented.
In addition, the invention includes an aspect of a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head.

さらに、本発明は、圧電体層及び電極を有する圧電素子であって、
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、態様を有する。
また、本発明の圧電セラミックスは、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、態様を有する。
Furthermore, the present invention is a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode,
The piezoelectric layer includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti,
The residual polarization is 24 μC / cm 2 or more, and (110) is preferentially oriented.
The piezoelectric ceramic of the present invention includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti,
The residual polarization is 24 μC / cm 2 or more, and (110) is preferentially oriented.

少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含む圧電材料は、残留分極24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している場合において、新規の外因性圧電歪によると推測される大きな圧電歪が生じることが分かった。従って、本態様は、大きな圧電歪を示す圧電セラミックス、大きな圧電歪を示す圧電体層を有する圧電素子、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することができる。 A piezoelectric material including a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti has a remanent polarization of 24 μC / cm 2 or more, and a novel exogenous piezoelectric strain when it is preferentially oriented to (110). It was found that a large piezoelectric strain presumed to occur. Therefore, this aspect can provide a piezoelectric ceramic having a large piezoelectric strain, a piezoelectric element having a piezoelectric layer exhibiting a large piezoelectric strain, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus.

ここで、前記ペロブスカイト型酸化物は、リーク電流を抑制する等の特性改善も目的としてMn(マンガン)などBi、Ba、Fe及びTi以外の添加金属が含まれてもよいし、ペロブスカイト構造をとり得る限り不純物が含まれていてもよい。
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を焼成して得られたものでもよい。
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む前駆体膜を750〜800℃で焼成して得られたものでもよい。
Here, the perovskite oxide may contain an additive metal other than Bi, Ba, Fe and Ti, such as Mn (manganese), for the purpose of improving characteristics such as suppressing leakage current, and has a perovskite structure. Impurities may be contained as much as possible.
The piezoelectric layer may be obtained by forming a coating film of a precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti, and firing the coating film.
The piezoelectric layer may be obtained by firing a precursor film containing at least Bi, Ba, Fe and Ti at 750 to 800 ° C.

前記ペロブスカイト型酸化物にMnが含まれていると、圧電体層の絶縁性を高く(リーク特性を改善)する効果が得られる。   When Mn is contained in the perovskite oxide, an effect of increasing the insulation of the piezoelectric layer (improving leakage characteristics) can be obtained.

記録ヘッド(液体噴射ヘッド)1を模式的に例示する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a recording head (liquid ejecting head) 1. 圧電素子3の製造工程を例示する流れ図。3 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the piezoelectric element 3. 記録ヘッド1の構成の概略を例示する便宜上の分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view for convenience illustrating the outline of the configuration of the recording head 1. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を例示するための断面図。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views for illustrating a manufacturing process of the recording head 1. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を例示するための断面図。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views for illustrating a manufacturing process of the recording head 1. 記録装置(液体噴射装置)200の構成の概略を例示する図。2 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200. FIG. 模式的な分極−電圧ヒステリシスを例示する図。The figure which illustrates typical polarization-voltage hysteresis. (a)は比較例2の電界誘起歪−電圧の関係を示すグラフ、(b)は比較例4の電界誘起歪−電圧の関係を示すグラフ、(c)は実施例2の電界誘起歪−電圧の関係を示すグラフ。(A) is a graph showing the electric field induced strain-voltage relationship of Comparative Example 2, (b) is a graph showing the electric field induced strain-voltage relationship of Comparative Example 4, and (c) is the electric field induced strain of Example 2— The graph which shows the relationship of a voltage. 到達歪から逆到達歪までの電界誘起歪−電圧プロットの極所微分(δD)/(δV)を電圧に対してプロットしたグラフ。The graph which plotted the local derivative ((delta) D) / ((delta) V) of the electric field induction distortion-voltage plot from ultimate strain to reverse arrival strain with respect to the voltage. 各例の残留分極Pr、配向、及び、最大歪量の測定結果を示す図。Residual polarization P r of each example, the orientation, and a diagram showing the measurement results of the maximum amount of strain. 各例の最大歪量−残留分極Prの関係を示すグラフ。Maximum strain of each example - a graph showing the relationship between the residual polarization P r. (a)は(110)に優先配向した菱面体晶の分極軸の向きを模式的に例示する図、(b)は(100)に優先配向した菱面体晶の分極軸の向きを模式的に例示する図。(A) is a figure which illustrates typically the direction of the polarization axis of the rhombohedral crystal preferentially oriented to (110), (b) is the direction of the polarization axis of the rhombohedral crystal preferentially oriented to (100). FIG.

以下、本発明の実施形態を説明する。むろん、以下に説明する実施形態は、本発明を例示するものに過ぎない。   Embodiments of the present invention will be described below. Of course, the embodiments described below are merely illustrative of the present invention.

(1)液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び圧電セラミックスの概要:
まず、図1〜6を参照して、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び圧電セラミックスの例を説明する。図1,3に例示する圧電素子3は、圧電体層(圧電セラミックス)30及び電極(20,40)を有する。記録ヘッド(液体噴射ヘッド)1は、圧電素子3、及び、ノズル開口71に連通し圧電素子3により圧力変化が生じる圧力発生室12、を備える。液体噴射ヘッドの製造方法は、圧電素子を形成する工程と、圧力発生室を形成する工程と、を備えることになる。圧力発生室12は、流路形成基板10のシリコン基板15に形成されている。ノズル開口71は、ノズルプレート70に形成されている。流路形成基板10の弾性膜(振動板)16上に下電極(第1電極)20、圧電体層30及び上電極(第2電極)40が順に積層され、圧力発生室12が形成されたシリコン基板15にノズルプレート70が固着されている。図6に例示する記録装置(液体噴射装置)200は、前述のような液体噴射ヘッドを備える。
なお、本明細書で説明する位置関係は、発明を説明するための例示に過ぎず、発明を限定するものではない。従って、第1電極の上以外の位置、例えば、下、左、右、等に第2電極が配置されることも、本発明に含まれる。
(1) Overview of liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, piezoelectric element and piezoelectric ceramic:
First, an example of a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, and piezoelectric ceramic will be described with reference to FIGS. 1 and 3 includes a piezoelectric layer (piezoelectric ceramic) 30 and electrodes (20, 40). The recording head (liquid ejecting head) 1 includes a piezoelectric element 3 and a pressure generation chamber 12 that communicates with the nozzle opening 71 and in which a pressure change is caused by the piezoelectric element 3. The method for manufacturing a liquid ejecting head includes a step of forming a piezoelectric element and a step of forming a pressure generation chamber. The pressure generating chamber 12 is formed on the silicon substrate 15 of the flow path forming substrate 10. The nozzle opening 71 is formed in the nozzle plate 70. A lower electrode (first electrode) 20, a piezoelectric layer 30, and an upper electrode (second electrode) 40 are sequentially laminated on the elastic film (vibrating plate) 16 of the flow path forming substrate 10 to form the pressure generating chamber 12. A nozzle plate 70 is fixed to the silicon substrate 15. A recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200 illustrated in FIG. 6 includes the liquid ejecting head as described above.
In addition, the positional relationship demonstrated in this specification is only the illustration for demonstrating invention, and does not limit invention. Accordingly, the present invention also includes the second electrode disposed at a position other than the top of the first electrode, for example, below, left, right, and the like.

圧電体層30は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している。ペロブスカイト型酸化物には、Bi、Ba、Fe及びTiを主要成分としてモル比で少ない別の金属(例えばMn)が含まれてもよい。ここで、主要成分は、モル比合計が他の含有成分のモル比よりも多いような一以上の対象成分とする。圧電体層30には、ペロブスカイト型酸化物以外の物質(例えば金属酸化物)が含まれてもよい。むろん、Pbを含めて不純物が含まれた圧電体層も、本技術の圧電セラミックスに含まれる。 The piezoelectric layer 30 contains a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti, has a remanent polarization of 24 μC / cm 2 or more, and is preferentially oriented to (110). The perovskite oxide may contain another metal (for example, Mn) having a small molar ratio with Bi, Ba, Fe and Ti as main components. Here, the main component is one or more target components whose total molar ratio is larger than the molar ratio of the other contained components. The piezoelectric layer 30 may contain a substance (for example, a metal oxide) other than the perovskite oxide. Of course, the piezoelectric layer containing impurities including Pb is also included in the piezoelectric ceramic of the present technology.

圧電体層30のペロブスカイト型酸化物に含まれる各金属は、ペロブスカイト構造の中で原子半径に応じたサイトに配置される。圧電体層30のペロブスカイト型酸化物は、AサイトにBiとBaを少なくとも含み、BサイトにFeとTiを少なくとも含む。このようなペロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表される組成の非鉛系ペロブスカイト型酸化物が含まれる。
(Bi,Ba)(Fe,Ti)Oz …(2)
(Bi,Ba,MA)(Fe,Ti)Oz …(3)
(Bi,Ba)(Fe,Ti,MB)Oz …(4)
(Bi,Ba,MA)(Fe,Ti,MB)Oz …(5)
ここで、式(3),(5)におけるMAはBi、Ba及びPbを除く1種以上の金属元素であり、式(4),(5)におけるMBはFe、Ti及びPbを除く1種以上の金属元素である。zは、3が標準であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で3からずれてもよい。Aサイト元素とBサイト元素との比は、1:1が標準であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で1:1からずれてもよい。
Each metal contained in the perovskite oxide of the piezoelectric layer 30 is arranged at a site corresponding to the atomic radius in the perovskite structure. The perovskite oxide of the piezoelectric layer 30 includes at least Bi and Ba at the A site and at least Fe and Ti at the B site. Such a perovskite oxide includes a lead-free perovskite oxide having a composition represented by the following general formula.
(Bi, Ba) (Fe, Ti) O z (2)
(Bi, Ba, MA) (Fe, Ti) O z (3)
(Bi, Ba) (Fe, Ti, MB) O z (4)
(Bi, Ba, MA) (Fe, Ti, MB) O z (5)
Here, MA in the formulas (3) and (5) is one or more metal elements excluding Bi, Ba and Pb, and MB in the formulas (4) and (5) is one kind except for Fe, Ti and Pb. These are the above metal elements. As for z, 3 is a standard, but may deviate from 3 within a range in which a perovskite structure can be taken. The ratio of the A site element to the B site element is 1: 1 as a standard, but may be deviated from 1: 1 within a range where a perovskite structure can be taken.

Bi,Ba,MAのモル数合計に対するBiのモル数比は、例えば50〜99.9%程度とすることができ、圧電体層の比誘電率を大きくする観点から70〜80%程度が好ましい。Bi,Ba,MAのモル数合計に対するBaのモル数比は、例えば0.1〜50%程度とすることができ、圧電体層の比誘電率を大きくする観点から20〜30%程度が好ましい。Bi,Ba,MAのモル数合計に対するMAのモル数比は、例えば0.1〜33%程度とすることができる。
Fe,Ti,MBのモル数合計に対するFeのモル数比は、例えば50〜99.9%程度とすることができる。Fe,Ti,MBのモル数合計に対するTiのモル数比は、例えば0.1〜50%程度とすることができる。Fe,Ti,MBのモル数合計に対するMBのモル数比は、例えば0.1〜33%程度とすることができる。
The molar ratio of Bi to the total molar number of Bi, Ba, MA can be, for example, about 50 to 99.9%, and is preferably about 70 to 80% from the viewpoint of increasing the relative dielectric constant of the piezoelectric layer. . The molar ratio of Ba to the total molar number of Bi, Ba, MA can be, for example, about 0.1 to 50%, and is preferably about 20 to 30% from the viewpoint of increasing the relative dielectric constant of the piezoelectric layer. . The molar ratio of MA to the total molar number of Bi, Ba, MA can be, for example, about 0.1 to 33%.
The ratio of the number of moles of Fe to the total number of moles of Fe, Ti, MB can be, for example, about 50 to 99.9%. The mole number ratio of Ti with respect to the total mole number of Fe, Ti, and MB can be, for example, about 0.1 to 50%. The ratio of the number of moles of MB to the total number of moles of Fe, Ti, MB can be, for example, about 0.1 to 33%.

MB元素には、Mn等が含まれる。Bサイト構成金属中のMnのモル濃度比は、Bサイト構成金属の全モル濃度比を100%として、例えば、0.1〜10%程度とすることができる。Mnを添加すると圧電体層の絶縁性を高く(リーク特性を改善)する効果が期待されるが、Mnが無くても圧電性能を有する圧電素子を形成することができる。
なお、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を総称して、BF−BTと呼ぶことにする。
The MB element includes Mn and the like. The molar concentration ratio of Mn in the B site constituent metal can be, for example, about 0.1 to 10%, with the total molar concentration ratio of the B site constituent metal being 100%. When Mn is added, an effect of increasing the insulating property of the piezoelectric layer (improving leakage characteristics) is expected, but a piezoelectric element having piezoelectric performance can be formed without Mn.
Note that perovskite oxides containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti are collectively referred to as BF-BT.

圧電体層30のペロブスカイト型酸化物には、鉄酸マンガン酸ビスマス(BFM)とチタン酸バリウム(BT)の混晶(BFM−BT)が含まれる。この混晶には、下記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物が含まれる。
xBi(Fe1-y,Mny)Oz−(1−x)BaTiOz …(6)
ここで、xは、0<x<1である。xを0.7〜0.8程度にすると、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムが相境界を形成し、圧電性が向上するので、好ましい。yは、0<y<1であり、0.001〜0.1程度が好ましい。
The perovskite oxide of the piezoelectric layer 30 includes a mixed crystal (BFM-BT) of bismuth iron manganate (BFM) and barium titanate (BT). This mixed crystal includes a perovskite oxide represented by the following general formula.
xBi (Fe 1-y, Mn y) O z - (1-x) BaTiO z ... (6)
Here, x is 0 <x <1. When x is about 0.7 to 0.8, bismuth manganate ferrate and barium titanate form a phase boundary, which is preferable because piezoelectricity is improved. y is 0 <y <1 and is preferably about 0.001 to 0.1.

本技術の圧電体層30は、(110)に優先配向している。例えば、X線回折広角法(XRD)によるX線回折チャートに圧電体層のペロブスカイト構造に由来する回折ピークが(110)のみ観測されるとき、圧電体層は(110)に優先配向していると言える。なお、圧電体層のペロブスカイト構造に由来する回折ピークが(100)のみ観測されるとき、圧電体層は(100)に優先配向していると言える。むろん、観測の際には、圧電体層の下に形成されている電極の材料による回折ピークを除く。例えば、電極にPt(白金)を用いる場合、観測の際に(111)の回折ピークを除けばよい。
また、(110)に優先配向しているとは、X線回折チャートから求められる(110)配向面の反射強度比P(110)又はP* (110)が所定値Pth(例えば0.5)以上であると定義することができる。さらに、ロットゲーリング・ファクターF(110)又はF* (110)が所定値Fth(例えば0.5)以上の場合に(110)に優先配向していると定義することもできる。
The piezoelectric layer 30 of the present technology is preferentially oriented to (110). For example, when only a diffraction peak (110) derived from the perovskite structure of the piezoelectric layer is observed on the X-ray diffraction chart by the X-ray diffraction wide angle method (XRD), the piezoelectric layer is preferentially oriented to (110). It can be said. When only the diffraction peak (100) derived from the perovskite structure of the piezoelectric layer is observed, it can be said that the piezoelectric layer is preferentially oriented to (100). Of course, when observing, the diffraction peak due to the material of the electrode formed under the piezoelectric layer is excluded. For example, when Pt (platinum) is used for the electrode, the diffraction peak of (111) may be removed at the time of observation.
In addition, (110) being preferentially oriented means that the reflection intensity ratio P (110) or P * (110) of the (110) orientation plane obtained from the X-ray diffraction chart is a predetermined value P th (for example 0.5 ) Can be defined as above. Furthermore, when the Lotgering factor F (110) or F * (110) is equal to or greater than a predetermined value F th (for example, 0.5), it can be defined as preferentially oriented to (110).

圧電体層の結晶構造は、X線回折装置の分解能においては擬立方晶と推定される。ここで言う擬立方晶とは、a≠cとみなせるほど回折ピークが分離していないという意味であり、必ずしもa=b=cが成立することを意味しない。ただし、下記に述べる配向度は、立方晶として解析して問題ない。   The crystal structure of the piezoelectric layer is presumed to be pseudo-cubic in the resolution of the X-ray diffractometer. The term “pseudocubic crystal” as used herein means that the diffraction peaks are not separated enough to be regarded as a ≠ c, and does not necessarily mean that a = b = c is established. However, the degree of orientation described below has no problem when analyzed as cubic crystals.

X線回折チャートに異相が見られない場合、下記の計算式で求められる反射強度比P又はロットゲーリング・ファクターFで立方晶構造の配向度を表すことができる。
(100)=A(100)/(A(100)+A(110)+A(111)) …(7)
(110)=A(110)/(A(100)+A(110)+A(111)) …(8)
(100)=(P(100)−P0(100))/(1−P0(100)) …(9)
(110)=(P(110)−P0(110))/(1−P0(110)) …(10)
ここで、A(100)は(100)配向面からの反射強度、A(110)は(110)配向面からの反射強度、A(111)は(111)配向面からの反射強度、である。従って、P(100)は全反射強度に対する(100)配向面からの反射強度の比、P(110)は全反射強度に対する(110)配向面からの反射強度の比、である。また、P0(100)は結晶が無配向であるときの全反射強度に対するA(100)の比、P0(110)は結晶が無配向であるときの全反射強度に対するA(110)の比、である。
When no heterogeneous phase is observed in the X-ray diffraction chart, the degree of orientation of the cubic structure can be expressed by the reflection intensity ratio P or the Lotgering factor F obtained by the following calculation formula.
P (100) = A (100) / (A (100) + A (110) + A (111) ) (7)
P (110) = A (110) / (A (100) + A (110) + A (111) ) (8)
F (100) = (P (100) -P0 (100) ) / (1-P0 (100) ) (9)
F (110) = (P (110) -P0 (110) ) / (1-P0 (110) ) (10)
Here, A (100) is the reflection intensity from the (100) orientation plane, A (110) is the reflection intensity from the (110) orientation plane, and A (111) is the reflection intensity from the (111) orientation plane. . Therefore, P (100) is the ratio of the reflection intensity from the (100) orientation plane to the total reflection intensity, and P (110) is the ratio of the reflection intensity from the (110) orientation plane to the total reflection intensity. P 0 (100) is the ratio of A (100) to the total reflection intensity when the crystal is non-oriented, and P 0 (110) is the ratio of A (110) to the total reflection intensity when the crystal is non-oriented. Ratio.

電極(20)にPt(白金)を用いる場合、結晶の(111)ピークがPtのピークと近接しているため、十分な精度で(111)ピークを分離することできない。このため、代わりに下記の計算式で配向度の計算を行うことにする。
* (100)=A(100)/(A(100)+A(110)) …(11)
* (110)=A(110)/(A(100)+A(110)) …(12)
* (100)=(P* (100)−P* 0(100))/(1−P* 0(100)) …(13)
* (110)=(P* (110)−P* 0(110))/(1−P* 0(110)) …(14)
ここで、P* 0(100)は結晶が無配向であるときの(A(100)+A(110))に対するA(100)の比、P* 0(110)は結晶が無配向であるときの(A(100)+A(110))に対するA(110)の比、である。P* (100),P* (110)は、例えば、BFM−BTのバルクを用いて求めたP* 0(100)=0.24,P* 0(110)=0.76を使用することができる。
When Pt (platinum) is used for the electrode (20), since the (111) peak of the crystal is close to the Pt peak, the (111) peak cannot be separated with sufficient accuracy. For this reason, the orientation degree is calculated by the following formula instead.
P * (100) = A (100) / (A (100) + A (110) ) (11)
P * (110) = A (110) / (A (100) + A (110) ) (12)
F * (100) = (P * (100) -P * 0 (100) ) / (1-P * 0 (100) ) (13)
F * (110) = (P * (110) −P * 0 (110) ) / (1-P * 0 (110) ) (14)
Here, when P * 0 (100) is the ratio of A (100) with respect to when crystals are not aligned (A (100) + A ( 110)), P * 0 (110) crystal is a non-oriented the ratio of (a (100) + a ( 110)) a (110) with respect to a. For P * (100) and P * (110) , for example, P * 0 (100) = 0.24, P * 0 (110) = 0.76 obtained using the bulk of BFM-BT should be used. Can do.

* (110)≧Pth、又は、F* (110)≧Fthのように圧電体層が(110)に優先配向していると、残留分極Prが24μC/cm2以上であるときに、図10,11に例示するような大きい圧電歪を示す。 P * (110) ≧ P th, or, when the piezoelectric layer as F * (110) ≧ F th are preferentially oriented in the (110), when the residual polarization P r is 24μC / cm 2 or more Fig. 10 shows a large piezoelectric strain as exemplified in Figs.

また、本技術の圧電体層30は、残留分極Prが24μC/cm2以上である。Pr≧24であると、圧電体層が(110)に優先配向しているときに、図10,11に例示するような大きい圧電歪を示す。 Moreover, the piezoelectric layer 30 of this technique is the residual polarization P r is 24μC / cm 2 or more. When P r ≧ 24, a large piezoelectric strain as illustrated in FIGS. 10 and 11 is exhibited when the piezoelectric layer is preferentially oriented to (110).

上述した圧電定数d33の関係式(1)から、圧電定数d33は比誘電率ε33 Tの平方根に比例する。例えば、鉛を含有しない圧電材料であるBiFeOz(BF)は、比誘電率が約100と低いため、圧電定数も低い。BFとBaTiOz(BT)の混晶であるxBiFeOz−(1−x)BaTiOz(BF−BT)は、x=0.7〜0.8で比誘電率が極大となり、前記組成領域で高い圧電性を示す。しかしながら、鋭意開発した結果、前記組成範囲では、BFM−BTを含むBF−BTの比誘電率はPZTの比誘電率の約50%にとどまる。BF−BTの電気機械結合係数及びヤング率がPZTと同等であると仮定した場合、上記式(1)より、BF−BTの圧電定数はPZTの約70%にとどまる。 From the relational expression (1) of the piezoelectric constant d 33 described above, the piezoelectric constant d 33 is proportional to the square root of the relative dielectric constant ε 33 T. For example, BiFeO z (BF), which is a piezoelectric material that does not contain lead, has a low dielectric constant of about 100, and therefore has a low piezoelectric constant. Mixed at a XBiFeO z of BF and BaTiO z (BT) - (1 -x) BaTiO z (BF-BT) is, x = 0.7 to 0.8 in the relative dielectric constant becomes maximum, in the composition region High piezoelectricity. However, as a result of earnest development, in the composition range, the relative dielectric constant of BF-BT including BFM-BT is only about 50% of that of PZT. Assuming that the electromechanical coupling coefficient and Young's modulus of BF-BT are equivalent to PZT, from the above formula (1), the piezoelectric constant of BF-BT is only about 70% of PZT.

圧電定数d33は、単位電圧当たりの変位を示す。従って、圧電素子に一定電圧を加えたときの変位は、圧電定数d33に比例する。圧電定数d33がPZTの70%であるということは、真性圧電歪による変位がPZTの70%にとどまることを意味する。本技術の圧電体層30は、PZTの70%以上と外因性圧電歪と推測される大きな圧電歪を示す。特に、図8(a)〜(c)に電界誘起歪−電圧の関係を比較して示すように、本技術の圧電体層(図8(c)に例示)は、電圧−10V〜+10Vという分極が切り替わる低電圧領域においてマイナス側の変位が大きくなっている。これは、以下の理由によると推測される。 The piezoelectric constant d 33 indicates the displacement per unit voltage. Therefore, displacement when applying a constant voltage to the piezoelectric element is proportional to the piezoelectric constant d 33. That the piezoelectric constant d 33 is 70% of PZT means that the displacement due to intrinsic piezoelectric strain remains at 70% of PZT. The piezoelectric layer 30 of the present technology exhibits 70% or more of PZT and a large piezoelectric strain estimated to be an extrinsic piezoelectric strain. In particular, as shown in FIGS. 8A to 8C by comparing the electric field induced strain-voltage relationship, the piezoelectric layer (illustrated in FIG. 8C) of the present technology has a voltage of −10 V to +10 V. In the low voltage region where the polarization is switched, the displacement on the negative side is large. This is presumed to be due to the following reason.

図12(a)に模式的に示すように、(110)に優先配向したBF−BTは、菱面体晶(rhombohedral crystal)の分極軸の向きが電圧印加方向に対して45°と90°の2方向に傾いたものがある。電圧−10V〜+10Vの低電圧領域において、分極軸の向きが45°と90°とで切り替わることが考えられる。残留分極Prが24μC/cm2未満と小さい場合には、分極軸の向きの切り替わりによる外因性圧電歪が顕著には現れないと推測される。一方、残留分極Prが24μC/cm2以上と大きい場合には、分極軸の向きの切り替わりによる外因性圧電歪が顕著に表れてPZTの70%以上と大きな圧電歪が生じると推測される。 As schematically shown in FIG. 12A, the BF-BT preferentially oriented to (110) has rhombohedral crystal polarization axes whose orientations are 45 ° and 90 ° with respect to the voltage application direction. Some are tilted in two directions. It is conceivable that the direction of the polarization axis is switched between 45 ° and 90 ° in a low voltage region of voltage −10 V to +10 V. If residual polarization P r is as small as less than 24μC / cm 2, the extrinsic piezoelectric strain due to switching of the direction of the polarization axis is presumed that it does not appear significantly. On the other hand, the residual polarization P r is the greater the 24μC / cm 2 or more is estimated extrinsic piezoelectric strain due to switching of the direction of the polarization axis and remarkably appear in more than 70% of PZT with large piezoelectric distortion occurs.

一方、図12(b)に模式的に示すように、(100)に優先配向したBF−BTは、菱面体晶の分極軸の向きが電圧印加方向に対して45°しかない。分極軸の向きが45°から変わらないため、(100)に優先配向したBF−BTは、外因性圧電歪が生じないと考えられる。従って、残留分極Prが24μC/cm2以上と大きくても、圧電歪がPZTの70%未満にとどまると推測される。 On the other hand, as schematically shown in FIG. 12B, BF-BT preferentially oriented to (100) has a rhombohedral crystal polarization axis direction of only 45 ° with respect to the voltage application direction. Since the direction of the polarization axis does not change from 45 °, the BF-BT preferentially oriented to (100) is considered to cause no exogenous piezoelectric strain. Therefore, the residual polarization P r is also large as 24μC / cm 2 or more, the piezoelectric strain is estimated to remain below 70% of the PZT.

なお、(100)に優先配向したBF−BTを記載した特開2009-242229号公報(特許文献2)記載の技術は、同公報の図2に示されるように、電界強度を0<E1<E2<EmaxとしたときにE1〜E2が相転移領域となる。すなわち、相転移領域は、分極が切り替わらない正の電圧の領域内にあり、分極が切り替わる低電圧領域にある訳ではない。従って、本技術の外因性圧電歪は、特開2009-242229号公報記載の外因性圧電歪とは原理が異なる。このことから、本技術の外因性圧電歪は、新規な外因性圧電歪であると推測される。   Note that the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-242229 (Patent Document 2) describing BF-BT preferentially oriented to (100) has an electric field strength of 0 <E1 <as shown in FIG. When E2 <Emax, E1 to E2 are phase transition regions. That is, the phase transition region is in a positive voltage region where the polarization is not switched, and is not in a low voltage region where the polarization is switched. Therefore, the principle of the extrinsic piezoelectric strain of the present technology is different from that of the extrinsic piezoelectric strain described in JP-A-2009-242229. From this, it is estimated that the extrinsic piezoelectric strain of the present technology is a novel exogenous piezoelectric strain.

図2は、本技術の圧電体層(圧電セラミックス)30の製造に好適な工程S1〜S3を備える製造方法を例示している。
塗布工程S1では、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む前駆体溶液、すなわち、圧電体層30の前駆体を下電極(第1電極)20の表面に対して膜状に塗布して塗布膜31を形成する。下電極20の材料は、圧電体層30が(110)に優先配向するものであれば、特に限定されない。スピンコート法やディップコート法やインクジェット法といった液相法でBF−BTの圧電体層を形成する場合、BF−BTは(110)に自然配向するため、多くの下地で(110)に優先配向した圧電体層を形成することができる。前駆体溶液には、Bi、Ba、Fe及びTiを主要成分としてモル比で少ない別の金属(例えば0.1〜10%程度のMn)が含まれてもよい。前駆体溶液に含まれる金属塩には、2−エチルヘキサン酸塩や酢酸塩といった有機酸塩等を用いることができる。前駆体溶液には、前記金属塩を溶媒に溶解させた溶液、前記金属塩を分散媒に分散させたゾル、等が含まれる。溶媒や分散媒には、オクタン、キシレン、これらの組合せ、といった有機溶媒を含むもの等を用いることができる。前駆体溶液の塗布は、スピンコート法やディップコート法やインクジェット法といった液相法で行うことができる。塗布膜の厚みは、特に限定されないが、例えば0.1μm程度とすることができる。
FIG. 2 illustrates a manufacturing method including steps S1 to S3 suitable for manufacturing the piezoelectric layer (piezoelectric ceramics) 30 of the present technology.
In the coating step S1, a precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti, that is, a precursor of the piezoelectric layer 30 is applied to the surface of the lower electrode (first electrode) 20 in a film shape to apply a coating film. 31 is formed. The material of the lower electrode 20 is not particularly limited as long as the piezoelectric layer 30 is preferentially oriented to (110). When a BF-BT piezoelectric layer is formed by a liquid phase method such as a spin coating method, a dip coating method, or an ink jet method, the BF-BT naturally aligns to (110), so that it is preferentially oriented to (110) on many substrates. Thus, a piezoelectric layer can be formed. The precursor solution may contain Bi, Ba, Fe, and Ti as main components and another metal (for example, about 0.1 to 10% Mn) with a small molar ratio. As the metal salt contained in the precursor solution, an organic acid salt such as 2-ethylhexanoate or acetate can be used. The precursor solution includes a solution in which the metal salt is dissolved in a solvent, a sol in which the metal salt is dispersed in a dispersion medium, and the like. As the solvent and the dispersion medium, those containing an organic solvent such as octane, xylene, or a combination thereof can be used. The precursor solution can be applied by a liquid phase method such as a spin coating method, a dip coating method, or an ink jet method. Although the thickness of a coating film is not specifically limited, For example, it can be set as about 0.1 micrometer.

脱脂工程S2では、下電極20上の塗布膜31を脱脂して脱脂膜32を形成する。脱脂膜32も、圧電体層30の前駆体の一種である。例えば、塗布膜31をペロブスカイト型酸化物の結晶化温度未満の脱脂温度で加熱すると、塗布膜31が脱脂されて少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むアモルファス酸化物を有する脱脂膜32が形成される。脱脂には、乾燥が含まれる。むろん、乾燥温度<脱脂温度<結晶化温度として、塗布膜31を乾燥温度で加熱した後、乾燥処理後に塗布膜を脱脂温度で加熱してもよい。また、塗布膜を結晶化温度未満で加熱してアモルファス酸化物を形成した後、該酸化物上に前駆体を塗布し、形成される塗布膜を脱脂してアモルファス酸化物を積層した脱脂膜32を形成してもよい。   In the degreasing step S2, the coating film 31 on the lower electrode 20 is degreased to form a degreasing film 32. The degreasing film 32 is also a kind of precursor of the piezoelectric layer 30. For example, when the coating film 31 is heated at a degreasing temperature lower than the crystallization temperature of the perovskite oxide, the coating film 31 is degreased to form a degreasing film 32 having an amorphous oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti. The Degreasing includes drying. Of course, it is also possible to heat the coating film 31 at the drying temperature after the drying process after the coating film 31 is heated at the drying temperature, with the drying temperature <the degreasing temperature <the crystallization temperature. Further, after the coating film is heated below the crystallization temperature to form an amorphous oxide, a precursor is coated on the oxide, and the coating film to be formed is degreased to delaminate the amorphous oxide 32. May be formed.

焼成工程S3では、下電極20上の脱脂膜32を焼成して結晶化させ、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有し、残留分極Prが24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向した圧電体層30を形成する。圧電体層30の残留分極Prは、焼成温度に応じて調整することができる。例えば、750〜800℃と比較的高温で脱脂膜(前駆体)を焼成すると、Pr≧24のBF−BTの圧電体層を形成することができる。なお、脱脂膜を焼成した後、形成されたペロブスカイト型酸化物を有する層の表面に前駆体を塗布し、形成される塗布膜を脱脂し、必要に応じて塗布及び脱脂を繰り返し、形成される脱脂膜を焼成してペロブスカイト型酸化物を有する層を積層した圧電体層を形成してもよい。 In firing step S3, and crystallized by firing the degreased film 32 on the lower electrode 20, at least Bi, Ba, having a perovskite oxide containing Fe and Ti, the residual polarization P r is 24μC / cm 2 or more And the piezoelectric layer 30 preferentially oriented to (110) is formed. Residual polarization P r of the piezoelectric layer 30 can be adjusted depending on the sintering temperature. For example, when the degreasing film (precursor) is fired at a relatively high temperature of 750 to 800 ° C., a BF-BT piezoelectric layer of P r ≧ 24 can be formed. In addition, after baking a degreasing film, a precursor is apply | coated to the surface of the layer which has the formed perovskite type oxide, the formed coating film is degreased, and application and degreasing are repeated as necessary. The degreasing film may be fired to form a piezoelectric layer in which layers having a perovskite oxide are stacked.

形成される圧電体層30の厚みは、電気機械変換作用を示す範囲で特に限定されないが、例えば0.2〜5μm程度とすることができる。好ましくは、製造工程でクラックが発生しない程度に圧電体層30の厚さを抑え、十分な変位特性を示す程度に圧電体層30を厚くするとよい。   The thickness of the formed piezoelectric layer 30 is not particularly limited as long as it exhibits an electromechanical conversion effect, but can be, for example, about 0.2 to 5 μm. Preferably, the thickness of the piezoelectric layer 30 is suppressed to such an extent that cracks do not occur in the manufacturing process, and the piezoelectric layer 30 is made thick enough to exhibit sufficient displacement characteristics.

上述した加熱には種々の装置を用いることができるが、RTA(Rapid Thermal Annealing)法を使用することのできる赤外線ランプアニール装置を結晶化温度以上の加熱に用いると、圧電体層30を良好に形成することができる。
なお、BF−BTの圧電体層は、Pr≧24、且つ(110)に優先配向していればよい。従って、このような圧電体層が形成される限り、スパッタ法やパルスレーザデポジション(PLD)法や有機金属気相成長(MOCVD)法といった気相法等で圧電体層を形成してもよい。
Various devices can be used for the heating described above. If an infrared lamp annealing device that can use the RTA (Rapid Thermal Annealing) method is used for heating above the crystallization temperature, the piezoelectric layer 30 can be satisfactorily formed. Can be formed.
Note that the BF-BT piezoelectric layer only needs to have a preferential orientation of P r ≧ 24 and (110). Therefore, as long as such a piezoelectric layer is formed, the piezoelectric layer may be formed by a vapor phase method such as a sputtering method, a pulse laser deposition (PLD) method, or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. .

圧電体層形成後には、図4(b)に例示されるように、圧電体層30の表面に上電極(第2電極)40を形成する第2電極形成工程がある。
電極(20,40)の構成金属には、Pt(白金)、Au(金)、Ir(イリジウム)、Ti、等の1種以上を用いることができる。構成金属は、酸化物といった化合物の状態でもよいし、化合していない状態でもよく、合金の状態でもよいし、単独の金属の状態でもよく、これらの金属を主成分としてモル比で少ない別の金属が含まれてもよい。電極(20,40)の厚みは、特に限定されないが、例えば10〜500nm程度とすることができる。
After the formation of the piezoelectric layer, there is a second electrode forming step of forming the upper electrode (second electrode) 40 on the surface of the piezoelectric layer 30 as illustrated in FIG.
As a constituent metal of the electrodes (20, 40), one or more of Pt (platinum), Au (gold), Ir (iridium), Ti, and the like can be used. The constituent metal may be in the state of a compound such as an oxide, in an uncombined state, in an alloy state, or in a single metal state. Metals may be included. Although the thickness of an electrode (20, 40) is not specifically limited, For example, it can be set as about 10-500 nm.

形成される圧電体層30を有する液体噴射ヘッド1の構成は、特に限定されないが、例えば、シリコン基板15上に圧電体層30の積層構造を有し、下電極20及び配線に使用する金属層が存在する。下電極とシリコン基板の間に絶縁性酸化膜の弾性膜層があると、アクチュエーターのコンプライアンスを調整し、所望の剛性を持つアクチュエーターとすることができるので、好ましい。   The configuration of the liquid jet head 1 having the piezoelectric layer 30 to be formed is not particularly limited. For example, the liquid jet head 1 has a laminated structure of the piezoelectric layer 30 on the silicon substrate 15 and is a metal layer used for the lower electrode 20 and the wiring. Exists. It is preferable to provide an elastic film layer of an insulating oxide film between the lower electrode and the silicon substrate, because the actuator compliance can be adjusted and the actuator can have a desired rigidity.

圧電体層30の残留分極Prは、図7に例示するように、圧電素子の分極P−電圧Vのヒステリシス曲線から求めることができる。図7中、飽和分極Pmは、200〜1000kV/cm程度の十分高い電圧Vmのもとでの分極量である。残留分極Prは、印加電圧を下げ0Vにしたときの分極である。電圧Vcは、抗電界(Ec)となる電圧である。 Residual polarization P r of the piezoelectric layer 30, as illustrated in FIG. 7 can be obtained from the hysteresis curve of polarization P- voltage V of the piezoelectric element. In FIG. 7, the saturation polarization P m is the amount of polarization under a sufficiently high voltage V m of about 200 to 1000 kV / cm. The residual polarization Pr is the polarization when the applied voltage is reduced to 0V. The voltage V c is a voltage that becomes a coercive electric field (E c ).

(2)圧電素子を含む電圧液体噴射ヘッドの製造方法の例:
図3は、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1を便宜上、分解した分解斜視図である。図4,5は、記録ヘッドの製造方法を例示するための断面図であり、圧力発生室12の長手方向D2に沿った垂直断面図である。記録ヘッド1を構成する各層は、接合されて積層されてもよいし、分離されない材料の表面を変性する等して一体に形成されてもよい。
(2) Example of manufacturing method of voltage liquid jet head including piezoelectric element:
FIG. 3 is an exploded perspective view in which an ink jet recording head 1 which is an example of a liquid ejecting head is disassembled for convenience. 4 and 5 are cross-sectional views for illustrating the method of manufacturing the recording head, and are vertical cross-sectional views along the longitudinal direction D2 of the pressure generating chamber 12. FIG. The layers constituting the recording head 1 may be bonded and laminated, or may be integrally formed by modifying the surface of a material that is not separated.

流路形成基板10は、シリコン単結晶基板等から形成することができる。弾性膜16は、膜厚が例えば500〜800μm程度と比較的厚く剛性の高いシリコン基板15の一方の面を約1100℃の拡散炉で熱酸化する等によってシリコン基板15と一体に形成することができ、二酸化シリコン(SiO2)等で構成することができる。弾性膜16の厚みは、弾性を示す限り特に限定されないが、例えば0.5〜2μm程度とすることができる。 The flow path forming substrate 10 can be formed from a silicon single crystal substrate or the like. The elastic film 16 can be formed integrally with the silicon substrate 15 by, for example, thermally oxidizing one surface of the relatively thick and rigid silicon substrate 15 having a film thickness of about 500 to 800 μm in a diffusion furnace at about 1100 ° C. It can be made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like. The thickness of the elastic film 16 is not particularly limited as long as it exhibits elasticity, but can be, for example, about 0.5 to 2 μm.

次いで、図4(a)に示すように、圧電体層30を(110)に優先配向させる下電極(第1電極)20をスパッタ法等によって弾性膜16上に形成する。図4(b)に示す例では、下電極20を形成した後にパターニングしている。下電極20の厚みは、特に限定されないが、例えば50〜500nm程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、酸化チタン(TiOx)、窒化チタンアルミ(TiAlN)膜、Ir膜、酸化イリジウム(IrO)膜、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜、等の層を弾性膜16上に形成したうえで、当該層上に下電極20を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 4A, a lower electrode (first electrode) 20 for preferentially orienting the piezoelectric layer 30 to (110) is formed on the elastic film 16 by sputtering or the like. In the example shown in FIG. 4B, patterning is performed after the lower electrode 20 is formed. Although the thickness of the lower electrode 20 is not specifically limited, For example, it can be set as about 50-500 nm. As the adhesion layer or the diffusion prevention layer, a layer such as a titanium oxide (TiO x ), a titanium nitride aluminum (TiAlN) film, an Ir film, an iridium oxide (IrO) film, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film or the like is used as the elastic film 16. After forming the upper electrode, the lower electrode 20 may be formed on the layer.

次いで、図2に示すように、上述した少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む前駆体溶液を下電極20の表面に塗布する(塗布工程S1)。前駆体溶液中の金属のモル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができる。次いで、塗布膜31を脱脂温度で加熱してアモルファス酸化物を含む薄膜状の脱脂膜32を形成する(広義の脱脂工程S2)。好ましくは、例えば140〜190℃程度に加熱して乾燥し(乾燥工程)、その後、例えば300〜500℃程度に加熱して脱脂する(狭義の脱脂工程)。次いで、脱脂膜を結晶化温度以上の例えば750〜800℃程度で加熱してペロブスカイト型酸化物を含む薄膜状の圧電体層(圧電セラミックス)30を形成する(焼成工程S3)。なお、圧電体層30を厚くするため、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程と焼成工程の組合せを複数回行ってもよい。焼成工程を減らすために、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを複数回行った後に焼成工程を行ってもよい。さらに、これらの工程の組合せを複数回行ってもよい。   Next, as shown in FIG. 2, the above precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti is applied to the surface of the lower electrode 20 (application step S1). The molar concentration ratio of the metal in the precursor solution can be determined according to the composition of the perovskite oxide to be formed. Next, the coating film 31 is heated at a degreasing temperature to form a thin degreasing film 32 containing an amorphous oxide (degreasing process S2 in a broad sense). Preferably, for example, it is heated to about 140 to 190 ° C. and dried (drying step), and then degreased by heating to about 300 to 500 ° C. (a degreasing step in a narrow sense). Next, the degreasing film is heated at, for example, about 750 to 800 ° C. above the crystallization temperature to form a thin film piezoelectric layer (piezoelectric ceramic) 30 containing a perovskite oxide (firing step S3). In addition, in order to thicken the piezoelectric layer 30, the combination of the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process may be performed a plurality of times. In order to reduce the firing process, the firing process may be performed after the combination of the coating process, the drying process, and the degreasing process is performed a plurality of times. Further, a combination of these steps may be performed a plurality of times.

上述した乾燥工程及び脱脂工程を行うための加熱装置には、ホットプレート、赤外線ランプの照射により加熱する赤外線ランプアニール装置、等を用いることができる。上記焼成工程を行うための加熱装置には、赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。好ましくは、RTA法等を用いて昇温レートを比較的速くするとよい。
以上により、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有し、Pr≧24μC/cm2であり、且つ、(110)に優先配向している圧電体層30が形成される。
As a heating apparatus for performing the above-described drying process and degreasing process, a hot plate, an infrared lamp annealing apparatus for heating by irradiation with an infrared lamp, or the like can be used. An infrared lamp annealing device or the like can be used as a heating device for performing the firing step. Preferably, the temperature rising rate is made relatively fast by using an RTA method or the like.
Thus, the piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti, P r ≧ 24 μC / cm 2 and preferentially oriented in (110) is formed. .

圧電体層30を形成した後、図4(b)に示すように、スパッタ法等によって上電極40を圧電体層30上に形成する。なお、図4(c)に示す例では、上電極40を形成した後に、圧電体層30及び上電極40を各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子3を形成している。
一般的には、圧電素子3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30を圧力発生室12毎にパターニングして圧電素子3を構成する。図3,5に示す圧電素子3は、下電極20を共通電極とし、上電極40を個別電極としている。
After the piezoelectric layer 30 is formed, as shown in FIG. 4B, the upper electrode 40 is formed on the piezoelectric layer 30 by sputtering or the like. In the example shown in FIG. 4C, after the upper electrode 40 is formed, the piezoelectric layer 30 and the upper electrode 40 are patterned in regions facing the pressure generation chambers 12 to form the piezoelectric element 3. .
In general, one of the electrodes of the piezoelectric element 3 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 30 are patterned for each pressure generating chamber 12 to configure the piezoelectric element 3. The piezoelectric element 3 shown in FIGS. 3 and 5 uses the lower electrode 20 as a common electrode and the upper electrode 40 as an individual electrode.

以上により、圧電体層30及び電極(20,40)を有する圧電素子3が形成され、この圧電素子3及び弾性膜16を備えた圧電アクチュエーター2が形成される。   Thus, the piezoelectric element 3 having the piezoelectric layer 30 and the electrodes (20, 40) is formed, and the piezoelectric actuator 2 including the piezoelectric element 3 and the elastic film 16 is formed.

次いで、図4(c)に示すように、リード電極45を形成する。例えば、流路形成基板10の全面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子3毎にパターニングすることにより、リード電極45が設けられる。図3に示す各上電極40には、インク供給路14側の端部近傍から弾性膜16上に延びたリード電極45が接続されている。   Next, as shown in FIG. 4C, lead electrodes 45 are formed. For example, after forming a gold layer over the entire surface of the flow path forming substrate 10, the lead electrode 45 is provided by patterning for each piezoelectric element 3 through a mask pattern made of a resist or the like. Connected to each upper electrode 40 shown in FIG. 3 is a lead electrode 45 extending on the elastic film 16 from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side.

なお、電極(20,40)やリード電極45は、DC(直流)マグネトロンスパッタリング法といったスパッタ法等によって形成することができる。各層の厚みは、スパッタ装置の印加電圧やスパッタ処理時間を変えることにより調整することができる。   The electrodes (20, 40) and the lead electrode 45 can be formed by a sputtering method such as a DC (direct current) magnetron sputtering method. The thickness of each layer can be adjusted by changing the voltage applied to the sputtering apparatus and the sputtering processing time.

次いで、図5(a)に示すように、圧電素子保持部52等を予め形成した保護基板50を流路形成基板10上に例えば接着剤によって接合する。保護基板50には、例えば、シリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料、等を用いることができる。保護基板50の厚みは、特に限定されないが、例えば300〜500μm程度とすることができる。保護基板50の厚み方向に貫通したリザーバ部51は、連通部13とともに、共通のインク室(液体室)となるリザーバ9を構成する。圧電素子3に対向する領域に設けられた圧電素子保持部52は、圧電素子3の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板50の貫通孔53内には、各圧電素子3から引き出されたリード電極45の端部近傍が露出する。   Next, as illustrated in FIG. 5A, the protective substrate 50 on which the piezoelectric element holding portion 52 and the like are formed in advance is bonded onto the flow path forming substrate 10 with an adhesive, for example. As the protective substrate 50, for example, a silicon single crystal substrate, glass, a ceramic material, or the like can be used. Although the thickness of the protective substrate 50 is not specifically limited, For example, it can be about 300-500 micrometers. The reservoir portion 51 penetrating in the thickness direction of the protective substrate 50 and the communication portion 13 constitute a reservoir 9 serving as a common ink chamber (liquid chamber). The piezoelectric element holding portion 52 provided in the region facing the piezoelectric element 3 has a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 3. In the through hole 53 of the protective substrate 50, the vicinity of the end portion of the lead electrode 45 drawn from each piezoelectric element 3 is exposed.

次いで、シリコン基板15をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板15を所定の厚み(例えば60〜80μm程度)にする。次いで、図5(b)に示すように、シリコン基板15上にマスク膜17を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜17には、窒化シリコン(SiN)等を用いることができる。次いで、KOH等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板15を異方性エッチング(ウェットエッチング)する。これにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12と細幅のインク供給路14を備えた複数の液体流路と、各インク供給路14に繋がる共通の液体流路である連通部13とが形成される。液体流路(12,14)は、圧力発生室12の短手方向である幅方向D1へ並べられている。
なお、圧力発生室12は、圧電素子3の形成前に形成されてもよい。
Next, after the silicon substrate 15 is polished to a certain thickness, the silicon substrate 15 is further etched to a predetermined thickness (for example, about 60 to 80 μm) by wet etching with hydrofluoric acid. Next, as shown in FIG. 5B, a mask film 17 is newly formed on the silicon substrate 15 and patterned into a predetermined shape. Silicon nitride (SiN) or the like can be used for the mask film 17. Next, the silicon substrate 15 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH. As a result, a plurality of liquid flow paths including the pressure generating chambers 12 defined by the plurality of partition walls 11 and the narrow ink supply paths 14, and a communication portion 13 that is a common liquid flow path connected to each ink supply path 14. And are formed. The liquid flow paths (12, 14) are arranged in the width direction D1, which is the short direction of the pressure generating chamber 12.
The pressure generation chamber 12 may be formed before the piezoelectric element 3 is formed.

次いで、流路形成基板10及び保護基板50の周縁部の不要部分を例えばダイシングにより切断して除去する。次いで、図5(c)に示すように、シリコン基板15の保護基板50とは反対側の面にノズルプレート70を接合する。ノズルプレート70は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼、等を用いることができ、流路形成基板10の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート70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71が穿設されている。従って、圧力発生室12は、液体を吐出するノズル開口71に連通している。   Next, unnecessary portions at the peripheral portions of the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 50 are removed by cutting, for example, by dicing. Next, as shown in FIG. 5C, the nozzle plate 70 is bonded to the surface of the silicon substrate 15 opposite to the protective substrate 50. The nozzle plate 70 can be made of glass ceramics, silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like, and is fixed to the opening surface side of the flow path forming substrate 10. For this fixation, an adhesive, a heat welding film, or the like can be used. The nozzle plate 70 is formed with nozzle openings 71 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14. Therefore, the pressure generation chamber 12 communicates with the nozzle opening 71 that discharges the liquid.

次いで、封止膜61及び固定板62を有するコンプライアンス基板60を保護基板50上に接合し、所定のチップサイズに分割する。封止膜61は、例えば厚み4〜8μm程度のポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)といった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、リザーバ部51の一方の面を封止する。固定板62は、例えば厚み20〜40μm程度のステンレス鋼(SUS)といった金属等の硬質の材料が用いられ、リザーバ9に対向する領域が開口部63とされている。   Next, the compliance substrate 60 having the sealing film 61 and the fixing plate 62 is bonded onto the protective substrate 50 and divided into a predetermined chip size. The sealing film 61 is made of, for example, a material having low rigidity such as a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of about 4 to 8 μm, and the like, and seals one surface of the reservoir unit 51. The fixing plate 62 is made of a hard material such as a metal such as stainless steel (SUS) having a thickness of about 20 to 40 μm, for example, and an area facing the reservoir 9 is an opening 63.

また、保護基板50上には、並設された圧電素子3を駆動するための駆動回路65が固定される。駆動回路65には、回路基板、半導体集積回路(IC)、等を用いることができる。駆動回路65とリード電極45とは、接続配線66を介して電気的に接続される。接続配線66には、ボンディングワイヤといった導電性ワイヤ等を用いることができる。
以上により、記録ヘッド1が製造される。
A driving circuit 65 for driving the piezoelectric elements 3 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 50. For the drive circuit 65, a circuit board, a semiconductor integrated circuit (IC), or the like can be used. The drive circuit 65 and the lead electrode 45 are electrically connected via the connection wiring 66. As the connection wiring 66, a conductive wire such as a bonding wire can be used.
Thus, the recording head 1 is manufactured.

本記録ヘッド1は、図示しない外部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、リザーバ9からノズル開口71に至るまで内部をインクで満たす。駆動回路65からの記録信号に従い、圧力発生室12毎に下電極20と上電極40との間に電圧を印加すると、圧電体層30、下電極20及び弾性膜16の変形によりノズル開口71からインク滴が吐出する。
なお、記録ヘッドは、下電極を共通電極とし上電極を個別電極とした共通下電極構造とされてもよいし、上電極を共通電極とし下電極を個別電極とした共通上電極構造とされてもよいし、下電極及び上電極を共通電極とし両電極間に個別電極を設けた構造とされてもよい。
The recording head 1 takes in ink from an ink introduction port connected to an external ink supply unit (not shown), and fills the interior from the reservoir 9 to the nozzle opening 71 with ink. When a voltage is applied between the lower electrode 20 and the upper electrode 40 for each pressure generation chamber 12 in accordance with a recording signal from the drive circuit 65, the deformation of the piezoelectric layer 30, the lower electrode 20, and the elastic film 16 causes deformation from the nozzle opening 71. Ink droplets are ejected.
The recording head may have a common lower electrode structure in which the lower electrode is a common electrode and the upper electrode is an individual electrode, or a common upper electrode structure in which the upper electrode is a common electrode and the lower electrode is an individual electrode. Alternatively, the lower electrode and the upper electrode may be a common electrode, and an individual electrode may be provided between the two electrodes.

(3)液体噴射装置:
図6は、上述した記録ヘッド1を有する記録装置(液体噴射装置)200の外観を示している。記録ヘッド1を記録ヘッドユニット211,212に組み込むと、記録装置200を製造することができる。図6に示す記録装置200は、記録ヘッドユニット211,212のそれぞれに、記録ヘッド1が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ221,222が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット211,212を搭載したキャリッジ203は、装置本体204に取り付けられたキャリッジ軸205に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター206の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト207を介してキャリッジ203に伝達されると、キャリッジ203がキャリッジ軸205に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録シート290は、プラテン208上に搬送され、インクカートリッジ221,222から供給され記録ヘッド1から吐出するインクにより印刷がなされる。
(3) Liquid ejecting apparatus:
FIG. 6 shows an appearance of a recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200 having the recording head 1 described above. When the recording head 1 is incorporated in the recording head units 211 and 212, the recording apparatus 200 can be manufactured. In the recording apparatus 200 shown in FIG. 6, the recording head 1 is provided in each of the recording head units 211 and 212, and ink cartridges 221 and 222 as external ink supply means are detachably provided. A carriage 203 on which the recording head units 211 and 212 are mounted is provided so as to be able to reciprocate along a carriage shaft 205 attached to the apparatus main body 204. When the driving force of the driving motor 206 is transmitted to the carriage 203 via a plurality of gears and a timing belt 207 (not shown), the carriage 203 moves along the carriage shaft 205. A recording sheet 290 fed by a sheet feeding roller (not shown) is conveyed onto the platen 208 and printed by ink supplied from the ink cartridges 221 and 222 and ejected from the recording head 1.

(4)実施例:
以下、実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
(4) Example:
Hereinafter, although an example is shown, the present invention is not limited by the following examples.

[BFM−BT前駆体溶液作製]
いずれも2−エチルヘキサン酸を配位子に持つビスマス、鉄、マンガン、バリウム、及び、チタンの液体原料を、溶解する金属のモル比でBi:Fe:Mn=100:95:5、Ba:Ti=100:100、且つ、BFM:BT=75:25になるよう混合して、ビスマス、鉄、マンガン、バリウム、及び、チタンを金属種とする2−エチルヘキサン酸錯体溶液であるBFM−BT前駆体溶液を作製した。ここで、BFM−BTは一般式(Bi,Ba)(Fe,Ti,Mn)Ozで表され、Bi:Fe:Mn:Ba:Ti=75:71.25:3.75:25:25となる。また、BFMはBiのモル数、すなわち、FeとMnのモル数の合計、BTはBaのモル数、すなわち、Tiのモル数、を表している。
[Preparation of BFM-BT precursor solution]
In either case, the liquid raw materials of bismuth, iron, manganese, barium, and titanium having 2-ethylhexanoic acid as a ligand are dissolved in a molar ratio of metals: Bi: Fe: Mn = 100: 95: 5, Ba: BFM-BT, which is a 2-ethylhexanoic acid complex solution mixed with Ti = 100: 100 and BFM: BT = 75: 25 and containing bismuth, iron, manganese, barium, and titanium as metal species A precursor solution was prepared. Here, BFM-BT is the general formula (Bi, Ba) (Fe, Ti, Mn) is represented by O z, Bi: Fe: Mn : Ba: Ti = 75: 71.25: 3.75: 25: 25 It becomes. BFM represents the number of moles of Bi, that is, the total number of moles of Fe and Mn, and BT represents the number of moles of Ba, that is, the number of moles of Ti.

[実施例の圧電薄膜作製]
基板には、サイズが一辺2.5cmでプラチナ被覆シリコン基板、具体的には、Pt/TiOx/SiOx/Siの各層を有する基板を使用した。この基板上にスピンコート法でBFM−BT膜を形成することにした。
[Preparation of piezoelectric thin film of Example]
As the substrate, a platinum-coated silicon substrate having a size of 2.5 cm on a side and specifically, a substrate having layers of Pt / TiO x / SiO x / Si was used. A BFM-BT film was formed on this substrate by spin coating.

まず、上記基板上に上記BFM−BT前駆体溶液を滴下し、3000rpmで30秒間基板を回転させてBFM−BT前駆体溶液膜を形成した(塗布工程)。このBFM−BT前駆体溶液膜を180℃のホットプレート上で2分間加熱した後、350℃のホットプレート上で3分間加熱することで、脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを3回繰り返してから脱脂後の基板を赤外線ランプアニール装置で酸素雰囲気下のRTA法により、750℃、3分間加熱した(焼成工程)。「塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せを4回繰り返すことにより、スピンコートプロセスの層数を12とした実施例1のBFM−BT圧電薄膜(圧電体層)サンプルを下電極上に形成した。形成されたPr≧24、且つ、(110)に優先配向したBFM−BT膜を薄膜1とする。
同様に、焼成工程の加熱条件を800℃、3分間に変えて実施例2のBFM−BT圧電薄膜サンプル(薄膜2)を作製した。また、薄膜1の工程後にRTA法にて800℃、5分間加熱することで、実施例3のBFM−BT圧電薄膜サンプル(薄膜3)を作製した。
First, the BFM-BT precursor solution was dropped on the substrate, and the substrate was rotated at 3000 rpm for 30 seconds to form a BFM-BT precursor solution film (coating process). This BFM-BT precursor solution film was heated on a hot plate at 180 ° C. for 2 minutes, and then degreased by heating on a hot plate at 350 ° C. for 3 minutes (drying and degreasing step). The combination of the coating process, the drying process, and the degreasing process was repeated three times, and then the degreased substrate was heated at 750 ° C. for 3 minutes by an RTA method in an oxygen atmosphere using an infrared lamp annealing apparatus (baking process). The BFM-BT piezoelectric thin film (piezoelectric material) of Example 1 in which the number of layers in the spin coating process was set to 12 by repeating the combination of “coating process, drying process and degreasing process 3 times” and “firing process” 4 times. Layer) A sample was formed on the lower electrode. The formed BFM-BT film preferentially oriented to (110) with P r ≧ 24 is defined as the thin film 1.
Similarly, the BFM-BT piezoelectric thin film sample (thin film 2) of Example 2 was produced by changing the heating conditions of the firing process to 800 ° C. for 3 minutes. Moreover, the BFM-BT piezoelectric thin film sample (thin film 3) of Example 3 was produced by heating at 800 ° C. for 5 minutes by the RTA method after the thin film 1 step.

[上電極作製]
前記薄膜1上に、メタルマスクを使用し、DCスパッタにて厚さ100nmの白金パターンを作製した。次に、赤外線ランプアニール装置で酸素雰囲気下のRTA法により、薄膜に対して650℃で5分間焼付けを行い、Pt/BFM−BTの各層を有する圧電素子(素子1)を作製した(上電極形成工程)。
同様に、前記薄膜2,3を用いて、それぞれ素子2,3を作製した。
[Upper electrode production]
A platinum pattern having a thickness of 100 nm was formed on the thin film 1 by DC sputtering using a metal mask. Next, the thin film was baked at 650 ° C. for 5 minutes by an RTA method in an oxygen atmosphere with an infrared lamp annealing apparatus to produce a piezoelectric element (element 1) having each layer of Pt / BFM-BT (upper electrode) Forming step).
Similarly, elements 2 and 3 were produced using the thin films 2 and 3, respectively.

[比較例1]
酢酸鉛、ジルコニウムアセチルアセトナート、及びチタニウムイソプロポキシドをジエタノールアミン、2−メトキシエタノール、及びポリエチレングリコールの混合溶媒に溶かしたPZT前駆体溶液を作製した。基板には、サイズが一辺2.5cmでTi/Ir/Pt/Ti/ZrOx/SiOx/Siの各層を有する基板を使用した。焼成工程の加熱条件を750℃、3分間、上電極を厚さ50nmのIrとした以外は実施例1と同様にして比較薄膜1を作製し、比較素子1を作製した。
[Comparative Example 1]
A PZT precursor solution was prepared by dissolving lead acetate, zirconium acetylacetonate, and titanium isopropoxide in a mixed solvent of diethanolamine, 2-methoxyethanol, and polyethylene glycol. A substrate having a size of 2.5 cm on a side and having each layer of Ti / Ir / Pt / Ti / ZrO x / SiO x / Si was used as the substrate. A comparative thin film 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the heating condition in the firing step was 750 ° C. for 3 minutes and the upper electrode was Ir with a thickness of 50 nm, and a comparative element 1 was produced.

[比較例2,3]
焼成工程の加熱条件を650℃、3分間とした以外は実施例1と同様にしてPr<24の比較薄膜2を作製し、比較素子2を作製した。また、焼成工程の加熱条件を700℃、3分間とした以外は実施例1と同様にしてPr<24の比較薄膜3を作製し、比較素子3を作製した。
[Comparative Examples 2 and 3]
A comparative thin film 2 with P r <24 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heating condition in the firing step was 650 ° C. for 3 minutes, and Comparative element 2 was prepared. In addition, a comparative thin film 3 of P r <24 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heating condition of the firing step was 700 ° C. for 3 minutes, and Comparative element 3 was prepared.

[比較例4,5]
基板には、サイズが一辺2.5cmでニッケル酸ランタン(LaNiOz、LNO)/プラチナ被覆シリコン基板、具体的には、LNO/Pt/TiOx/SiOx/Siの各層を有する基板を使用した。焼成工程の加熱条件を750℃、5分間とした以外は実施例1と同様にして比較薄膜4を作製し、比較素子4を作製した。また、焼成工程の加熱条件を実施例3と同じ800℃、5分間として、実施例3と同様にして比較薄膜5を作製し、比較素子5を作製した。
なお、薄膜1〜3及び比較薄膜1〜5の圧電体層の厚みは、ほぼ同じであった。
[Comparative Examples 4 and 5]
As the substrate, a lanthanum nickelate (LaNiO z , LNO) / platinum-coated silicon substrate having a side of 2.5 cm, specifically, a substrate having each layer of LNO / Pt / TiO x / SiO x / Si was used. . A comparative thin film 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the heating conditions in the firing step were 750 ° C. and 5 minutes, and a comparative element 4 was produced. Moreover, the heating conditions of the baking process were set to 800 ° C. for 5 minutes, which is the same as in Example 3, and the comparative thin film 5 was manufactured in the same manner as in Example 3, thereby manufacturing the comparative element 5.
In addition, the thickness of the piezoelectric material layer of the thin films 1-3 and the comparative thin films 1-5 was substantially the same.

[試験例1]
薄膜1〜3及び比較薄膜1〜5について、Bruker製「D8 Discover」を用い、X線源にCuKαを使用したX線回折広角法(XRD)により、室温でX線回折チャートを求めた。結果を、図10に示す。
薄膜1〜3及び比較薄膜2,3は、Pt(下電極)及び(110)配向のペロブスカイト構造に由来する回折ピークのみ観測され、異相は観測されなかった。また、図10に示すように、薄膜1〜3及び比較薄膜2,3のF* (110)は、いずれも0.5以上であった。従って、薄膜1〜3及び比較薄膜2,3は、(110)に優先配向していることが確認された。
[Test Example 1]
For the thin films 1 to 3 and the comparative thin films 1 to 5, X-ray diffraction charts were obtained at room temperature by X-ray diffraction wide angle method (XRD) using “D8 Discover” manufactured by Bruker and using CuKα as an X-ray source. The results are shown in FIG.
In the thin films 1 to 3 and the comparative thin films 2 and 3, only diffraction peaks derived from the Pt (lower electrode) and (110) -oriented perovskite structures were observed, and no heterogeneous phase was observed. Moreover, as shown in FIG. 10, F * (110) of each of the thin films 1 to 3 and the comparative thin films 2 and 3 was 0.5 or more. Therefore, it was confirmed that the thin films 1 to 3 and the comparative thin films 2 and 3 are preferentially oriented to (110).

PZTの圧電体層を形成した比較薄膜1は、同様に、下電極及び(100)配向のペロブスカイト構造に由来する回折ピークのみ観測された。従って、比較薄膜1は、(100)に優先配向していることが確認された。
LNO/プラチナ被覆シリコン基板を用いた比較薄膜4,5は、同様に、Pt(下電極)及び(100)配向のペロブスカイト構造に由来する回折ピークのみ観測された。また、図10に示すように、比較薄膜4,5のF* (100)は、いずれも0.5以上であった。従って、比較薄膜4,5は、(100)に優先配向していることが確認された。
Similarly, in the comparative thin film 1 on which the PZT piezoelectric layer was formed, only diffraction peaks derived from the lower electrode and the (100) -oriented perovskite structure were observed. Therefore, it was confirmed that the comparative thin film 1 is preferentially oriented to (100).
Similarly, in the comparative thin films 4 and 5 using the LNO / platinum-coated silicon substrate, only diffraction peaks derived from Pt (lower electrode) and (100) -oriented perovskite structures were observed. Moreover, as shown in FIG. 10, F * (100) of the comparative thin films 4 and 5 were all 0.5 or more. Therefore, it was confirmed that the comparative thin films 4 and 5 are preferentially oriented to (100).

[試験例2]
素子1〜3及び比較素子1〜5について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=400μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波を印加して、分極量P[μC/cm2]と印加電圧Vの関係を表すヒステリシス曲線を得た。素子1〜3及び比較素子1〜5は、いずれも良好なP−Vヒステリシスを示し、配向性に依らず良好な圧電特性を示した。±30Vの三角波を印加したときの残留分極Prの結果を、図10に示す。
[Test Example 2]
For elements 1 to 3 and comparative elements 1 to 5, “FCE-1A” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., using an electrode pattern of φ = 400 μm and applying a triangular wave with a frequency of 1 kHz at room temperature, the polarization amount P [μC / cm 2 ] and an applied voltage V were obtained as a hysteresis curve. All of the elements 1 to 3 and the comparative elements 1 to 5 showed good PV hysteresis, and showed good piezoelectric characteristics regardless of orientation. The results of the residual polarization P r at the time of applying a triangular wave of ± 30 V, shown in Figure 10.

図10に示すように、実施例1〜3の残留分極Prは、24〜36μC/cm2であった。ヒステリシス曲線から求められる電圧Vcの一例として、実施例2のVcは、8Vであった。一方、比較例2〜5の残留分極Prは、13〜15μC/cm2であった。ヒステリシス曲線から求められる電圧Vcの一例として、比較例2のVcは、6Vであった。なお、PZTの圧電体層を形成した比較例1の残留分極Prは、18μC/cm2であった。 As shown in FIG. 10, the residual polarization P r of Examples 1 to 3 was 24~36μC / cm 2. As an example of the voltage V c obtained from the hysteresis curve, V c in Example 2 was 8V. On the other hand, the residual polarization P r of Comparative Example 2-5 was 13~15μC / cm 2. As an example of the voltage V c obtained from the hysteresis curve, V c of Comparative Example 2 was 6V. The residual polarization P r of Comparative Example 1 formed with the piezoelectric layer of PZT was 18μC / cm 2.

[試験例3]
素子1〜3及び比較素子1〜5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の三角波を印加して、電界誘起歪(変位量D)と電圧(V)との関係(バタフライカーブ)を求めた。このバタフライカーブから、圧電薄膜の最大歪量Dpp2を求めた。結果を、図10に示す。
[Test Example 3]
For the elements 1 to 3 and the comparative elements 1 to 5, the displacement measurement device (DBLI) manufactured by Axact Corporation was used, an electrode pattern of φ = 500 μm was used at room temperature, a triangular wave with a frequency of 1 kHz was applied, and an electric field induced strain The relationship (butterfly curve) between (displacement amount D) and voltage (V) was determined. From this butterfly curve, the maximum strain amount D pp2 of the piezoelectric thin film was obtained. The results are shown in FIG.

結果の例として、図8(a)に比較例2の電界誘起歪(変位量D)−電圧(V)の関係、図8(b)に比較例4の電界誘起歪(変位量D)−電圧(V)の関係、図8(c)に実施例2の電界誘起歪(変位量D)−電圧(V)の関係、を示している。比較例2は最大歪量Dpp2=2.3nmであり、PZTの圧電体層を形成した比較例1の最大歪量の64%であった。比較例4は最大歪量Dpp2=1.9nmであり、比較例1の最大歪量の53%であった。一方、実施例2は最大歪量Dpp2=3.6nmであり、PZTの圧電体層を形成した比較例1の最大歪量と同等という非常に大きな圧電歪を示した。 As an example of the result, FIG. 8A shows the relationship of electric field induced strain (displacement amount D) −voltage (V) in Comparative Example 2, and FIG. 8B shows the electric field induced strain (displacement amount D) in Comparative Example 4. FIG. 8C shows the relationship between the voltage (V) and FIG. 8C shows the relationship between the electric field induced strain (displacement amount D) and the voltage (V) in Example 2. In Comparative Example 2, the maximum strain amount D pp2 = 2.3 nm, which was 64% of the maximum strain amount of Comparative Example 1 in which the PZT piezoelectric layer was formed. In Comparative Example 4, the maximum strain amount D pp2 = 1.9 nm, which is 53% of the maximum strain amount of Comparative Example 1. On the other hand, in Example 2, the maximum strain amount D pp2 = 3.6 nm, indicating a very large piezoelectric strain equivalent to the maximum strain amount of Comparative Example 1 in which the PZT piezoelectric layer was formed.

BFM−BTを含むBF−BTの比誘電率がPZTの比誘電率の約50%にとどまることを上述した圧電定数d33の関係式(1)に当てはめると、BF−BTの電気機械結合係数及びヤング率がPZTと同等であると仮定した場合、BF−BTの圧電定数はPZTの約70%にとどまる。このことは、真性圧電歪によるBF−BTの変位がPZTの70%にとどまることを意味する。従って、比較例1の最大歪量3.6nmの70%である2.52nmを超える実施例1〜3の最大歪量Dpp2は、真性圧電歪では説明することができないほど大きい圧電歪が生じていることを示していると推測される。 When the fact that the relative permittivity of BF-BT including BFM-BT is only about 50% of the relative permittivity of PZT is applied to the relational expression (1) of the piezoelectric constant d 33 described above, the electromechanical coupling coefficient of BF-BT Assuming that the Young's modulus is equivalent to PZT, the piezoelectric constant of BF-BT is only about 70% of PZT. This means that the displacement of BF-BT due to intrinsic piezoelectric strain remains at 70% of PZT. Therefore, the maximum strain amount D pp2 of Examples 1 to 3 exceeding 2.52 nm, which is 70% of the maximum strain amount of 3.6 nm of Comparative Example 1, causes a large piezoelectric strain that cannot be explained by intrinsic piezoelectric strain. It is presumed that it shows.

ここで、前述の圧電歪の差について考察する。上述した関係式(1)に圧電定数d33で表される圧電歪は、真性圧電歪、すなわち十分に分極された状態で電圧に対し線形応答する圧電歪である。強誘電体では、抗電界Ecとなる電圧Vcの2倍程度の電圧を印加すれば十分に分極される。比較例2のVcは6V、実施例2のVcは8Vであるため、少なくとも16V以上の電圧を印加すれば、両者とも十分分極されているとみなすことができる。一方、真性圧電歪以外の電界誘起歪として、非180°分極回転等に起因する外因性圧電歪が考えられる。この外因性圧電歪は、前述の真性圧電歪の線形性から外れた非線形性の電界誘起歪として観測される。 Here, the difference in the piezoelectric strain described above will be considered. The piezoelectric strain represented by the piezoelectric constant d 33 in the relational expression (1) described above is an intrinsic piezoelectric strain, that is, a piezoelectric strain that linearly responds to a voltage in a sufficiently polarized state. The ferroelectric is well polarized by applying a 2 times the voltage of the voltage V c to be the coercive field E c. V c of Comparative Example 2 is 6V, since V c of Example 2 is 8V, by applying at least 16V or more voltage, both can be regarded as being sufficiently polarized. On the other hand, as an electric field induced strain other than the intrinsic piezoelectric strain, an exogenous piezoelectric strain caused by non-180 ° polarization rotation or the like can be considered. This extrinsic piezoelectric strain is observed as non-linear electric field induced strain deviating from the linearity of the above-described intrinsic piezoelectric strain.

図9に、到達歪(Dmax)から逆到達歪(Dmin)まで変位量Dを電圧Vで微分した極所微分(δD)/(δV)[pm/V]を電圧(V)に対してプロットしたグラフを示している。図9中、実線は実施例2、破線は比較例2、を示している。極所微分(δD)/(δV)は、極所的な圧電定数d33とみなすことができる。図9より、十分に分極された状態、すなわち16V以上の領域では、比較例2と実施例2とで極所微分(δD)/(δV)がほぼ同一の値となっている。一方、16V以下という低電圧領域では、比較例2と実施例2とで大きな差が見られる。比較例4の極所微分(δD)/(δV)も、十分に分極された状態で実施例2とほぼ同一の値となった一方、低電圧領域で実施例2と大きな差が見られた。 FIG. 9 is a plot of the local differential (δD) / (δV) [pm / V] obtained by differentiating the displacement D from the ultimate strain (Dmax) to the reverse ultimate strain (Dmin) with respect to the voltage (V). The graph is shown. In FIG. 9, the solid line indicates Example 2 and the broken line indicates Comparative Example 2. The local differential (δD) / (δV) can be regarded as the local piezoelectric constant d 33 . From FIG. 9, in the sufficiently polarized state, that is, in the region of 16 V or more, the local differential (δD) / (δV) is almost the same in Comparative Example 2 and Example 2. On the other hand, in the low voltage region of 16 V or less, there is a large difference between Comparative Example 2 and Example 2. The local differential (δD) / (δV) of Comparative Example 4 was also almost the same value as Example 2 in a sufficiently polarized state, but a large difference from Example 2 was seen in the low voltage region. .

図8(a),(b),(c)の電界誘起歪−電圧バタフライカーブを比較すると、電圧−10V〜+10Vという分極が切り替わる低電圧領域において、実施例2の変位は比較例2,4の変位と比べてマイナス側に大きく変位していることが分かる。残留分極Prが24μC/cm2以上と大きい実施例2は、図12(a)に示すように、菱面体晶の分極軸の向きが電圧印加方位に対して45°と90°の2種類があり、その両者が可逆的に切り替わる外因性圧電歪が顕著に表れたと推測される。一方、(100)に優先配向した比較例4は、図12(b)に示すように分極軸が電圧印加方位に対して45°方位のみであり、分極軸の向きの切り替わりによる外因性圧電歪が現れないと推測される。 Comparing the electric field induced strain-voltage butterfly curves of FIGS. 8A, 8B, and 8C, the displacement of Example 2 is compared with Comparative Examples 2 and 4 in the low voltage region where the polarization of voltage −10 V to +10 V is switched. It can be seen that there is a large displacement on the negative side compared to the displacement of. Residual exemplary polarization P r is as large as 24μC / cm 2 or more Example 2, as shown in FIG. 12 (a), 2 types of 45 ° and 90 ° orientation of the polarization axis of the rhombohedral is the voltage applied orientation It is presumed that exogenous piezoelectric strain in which both of them switched reversibly appeared remarkably. On the other hand, in Comparative Example 4 preferentially oriented to (100), the polarization axis is only 45 ° with respect to the voltage application orientation as shown in FIG. Is not expected to appear.

なお、本出願人による出願の公開公報である特開2009-252789号公報(特許文献3)の図7には、0.8Bi(Fe0.95,Mn0.05)O3−0.2BaTiO3サンプルの圧電定数d33が64.8pm/Vであることが示されている。このサンプルは、図10に示すように、残留分極Prが16μC/cm2であり、(110)に優先配向していた。また、図10,11に示す最大歪量Dpp2は、下記の30V換算変位を用いた。
(30V換算変位)=(d33/1000)×30 [nm] …(15)
ここで、d33の単位は、pm/Vである。30V換算変位は、圧電体層に30Vの電圧を印加したときの最大歪に相当する。d33=64.8の30V換算変位は、1.9nmとなり、比較例1の最大歪量の70%である2.52nmよりも小さい。これは、Pr<24であるため、分極軸の向きの切り替わりによる外因性圧電歪が顕著には現れなかったためと推測される。
Note that FIG. 7 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-252789 (Patent Document 3), which is a publication of an application by the present applicant, shows a piezoelectric of 0.8 Bi (Fe 0.95 , Mn 0.05 ) O 3 -0.2BaTiO 3 sample. The constant d 33 is shown to be 64.8 pm / V. This sample, as shown in FIG. 10, the residual polarization P r is 16μC / cm 2, were preferentially oriented in the (110). Moreover, the following 30V conversion displacement was used for the maximum distortion amount D pp2 shown in FIGS.
(30 V in terms of displacement) = (d 33/1000) × 30 [nm] ... (15)
Here, the unit of d 33 is pm / V. The 30V equivalent displacement corresponds to the maximum strain when a voltage of 30V is applied to the piezoelectric layer. The 30V equivalent displacement of d 33 = 64.8 is 1.9 nm, which is smaller than 2.52 nm which is 70% of the maximum strain amount of Comparative Example 1. This is presumed to be because exogenous piezoelectric strain due to switching of the direction of the polarization axis did not appear remarkably because P r <24.

また、「Tsutomu Sasaki et al., Japanese Journal of Applied Physics 50, 09NA08 (2011)」(非特許文献1)の図6には、「0.85BF0.15BT」の残留分極Prが30μC/cm2であることが示されている。同文献の図1に類似の圧電薄膜のX線回折チャートが示されているように、気相法で形成された「0.85BF0.15BT」は(100)に優先配向している。また、同文献の要約には、「0.85BF0.15BT」の圧電定数d33が58pm/Vであることが示されている。d33=58の30V換算変位は、図10,11に示すように1.7nmとなり、比較例1の最大歪量の70%である2.52nmよりも小さい。これは、圧電薄膜が(100)に優先配向しているため、分極軸の向きの切り替わりが生じず、外因性圧電歪が現れなかったためと推測される。 Further, in FIG. 6 of "Tsutomu Sasaki et al., Japanese Journal of Applied Physics 50, 09NA08 (2011) " (Non-Patent Document 1), the residual polarization P r of "0.85BF0.15BT" is at 30 .mu.C / cm 2 It is shown that there is. As shown in the X-ray diffraction chart of the piezoelectric thin film similar to FIG. 1 of the same document, “0.85BF0.15BT” formed by the vapor phase method is preferentially oriented to (100). Also, the summary of this document shows that the piezoelectric constant d 33 of “0.85BF0.15BT” is 58 pm / V. The 30 V equivalent displacement of d 33 = 58 is 1.7 nm as shown in FIGS. 10 and 11, and is smaller than 2.52 nm which is 70% of the maximum strain amount of Comparative Example 1. This is presumably because the piezoelectric thin film is preferentially oriented to (100), so that the direction of the polarization axis does not change and no exogenous piezoelectric strain appears.

一方、Pr≧24μC/cm2、且つ、(110)に優先配向している実施例1〜3の最大歪量Dpp2は、図10,11に示すように、2.9〜3.6nmと、PZTを用いた比較例1の最大歪量の70%である2.52nmを超えている。これは、電圧−10V〜+10Vという分極が切り替わる低電圧領域において、菱面体晶の分極軸の向きの切り替わりによる外因性圧電歪が顕著に表れ、これにより大きな圧電歪が生じたためと推測される。 On the other hand, P r ≧ 24 μC / cm 2 and the maximum strain amount D pp2 of Examples 1 to 3 preferentially oriented to (110) is 2.9 to 3.6 nm as shown in FIGS. And exceeding 2.52 nm which is 70% of the maximum strain amount of Comparative Example 1 using PZT. This is presumably because in the low voltage region where the polarization of voltage −10 V to +10 V is switched, the extrinsic piezoelectric strain due to the change of the direction of the polarization axis of the rhombohedral crystal appears remarkably, thereby causing a large piezoelectric strain.

図11は、各例の最大歪量Dpp2−残留分極Prの関係を示している。図11のグラフには、実施例1〜3及び比較例2〜5のデータの他、上述した文献に由来するデータもプロットしている。図11に示すように、残留分極Prが大きいだけでは必ずしも大きな圧電歪が生じるとは限らないことが分かる。BF−BTの圧電体層が(100)に優先配向している場合には、Pr≧24でも圧電歪が小さい。 11, the maximum amount of strain D pp2 of each example - shows the relationship between the residual polarization P r. In addition to the data of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 to 5, the graph of FIG. 11 also plots data derived from the above-described literature. As shown in FIG. 11, it can be seen that a large piezoelectric strain does not always occur if the remanent polarization Pr is large. When the BF-BT piezoelectric layer is preferentially oriented to (100), the piezoelectric strain is small even if P r ≧ 24.

以上のことから、Prが24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向しているBF−BTは、電圧−10V〜+10Vという分極が切り替わる低電圧領域において発現する新規の外因性圧電歪によると推測される大きな圧電歪が生じることが分かる。従って、本技術は、大きな圧電歪を示す圧電セラミックス、大きな圧電歪を示す圧電体層を有する圧電素子、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することができる。 From the above, you are P r is 24μC / cm 2 or more, and, BF-BT are preferentially oriented in the (110), a new exogenous expressed in the low voltage region where the polarization of the voltage -10V to + 10V switched It can be seen that a large piezoelectric strain presumed to be caused by the unidirectional piezoelectric strain occurs. Therefore, the present technology can provide a piezoelectric ceramic exhibiting a large piezoelectric strain, a piezoelectric element having a piezoelectric layer exhibiting a large piezoelectric strain, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus.

(5)応用、その他:
本発明は、種々の変形例が考えられる。
上述した実施形態では圧力発生室毎に個別の圧電体を設けているが、複数の圧力発生室に共通の圧電体を設け圧力発生室毎に個別電極を設けることも可能である。
上述した実施形態では流路形成基板にリザーバの一部を形成しているが、流路形成基板とは別の部材にリザーバを形成することも可能である。
上述した実施形態では圧電素子の上側を圧電素子保持部で覆っているが、圧電素子の上側を大気に開放することも可能である。
上述した実施形態では振動板を隔てて圧電素子の反対側に圧力発生室を設けたが、圧電素子側に圧力発生室を設けることも可能である。例えば、固定した板間及び圧電素子間で囲まれた空間を形成すれば、この空間を圧力発生室とすることができる。
(5) Application and others:
Various modifications can be considered for the present invention.
In the above-described embodiment, an individual piezoelectric body is provided for each pressure generation chamber. However, a common piezoelectric body may be provided for a plurality of pressure generation chambers, and an individual electrode may be provided for each pressure generation chamber.
In the above-described embodiment, a part of the reservoir is formed on the flow path forming substrate. However, the reservoir may be formed on a member different from the flow path forming substrate.
In the above-described embodiment, the upper side of the piezoelectric element is covered with the piezoelectric element holding unit, but the upper side of the piezoelectric element can be opened to the atmosphere.
In the embodiment described above, the pressure generating chamber is provided on the opposite side of the piezoelectric element with the diaphragm interposed therebetween, but it is also possible to provide the pressure generating chamber on the piezoelectric element side. For example, if a space surrounded by fixed plates and piezoelectric elements is formed, this space can be used as a pressure generating chamber.

流体噴射ヘッドから吐出される液体は、液体噴射ヘッドから吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル、等の流体が含まれる。このような流体には、インク、液晶、等が含まれる。液体噴射ヘッドには、粉体や気体を吐出するものも含まれる。液体噴射ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置、有機ELディスプレー等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置、等に搭載可能である。   The liquid ejected from the fluid ejecting head may be any material that can be ejected from the liquid ejecting head, such as a solution in which a dye or the like is dissolved in a solvent, or a sol in which solid particles such as pigments or metal particles are dispersed in a dispersion medium. Is included. Such fluids include ink, liquid crystal, and the like. The liquid ejecting head includes one that discharges powder or gas. The liquid ejecting head can be mounted on an image recording apparatus such as a printer, a color filter manufacturing apparatus such as a liquid crystal display, an electrode manufacturing apparatus such as an organic EL display, a biochip manufacturing apparatus, and the like.

上述した製造方法により製造される積層セラミックスは、強誘電体デバイス、焦電体デバイス、圧電体デバイス、及び光学フィルターの強誘電体薄膜を形成するのに好適に用いることができる。強誘電体デバイスとしては、強誘電体メモリー(FeRAM)、強誘電体トランジスタ(FeFET)等が挙げられ、焦電体デバイスとしては、温度センサー、赤外線検出器、温度−電気変換器等が挙げられ、圧電体デバイスとしては、流体吐出装置、超音波モーター、加速度センサー、圧力−電気変換器等が挙げられ、光学フィルターとしては、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が挙げられる。   The laminated ceramics produced by the production method described above can be suitably used to form ferroelectric thin films for ferroelectric devices, pyroelectric devices, piezoelectric devices, and optical filters. Ferroelectric devices include ferroelectric memory (FeRAM), ferroelectric transistors (FeFET), etc., and pyroelectric devices include temperature sensors, infrared detectors, temperature-electric converters, and the like. Examples of piezoelectric devices include fluid ejection devices, ultrasonic motors, acceleration sensors, and pressure-electric converters. Optical filters include blocking filters for harmful rays such as infrared rays, and photonic crystal effects due to quantum dot formation. And an optical filter using optical interference of a thin film.

以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、非鉛化した圧電セラミックス、並びに、該圧電セラミックスを用いた圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる技術等を提供することができる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
As described above, according to the present invention, lead-free piezoelectric ceramics and techniques for improving the performance of piezoelectric elements, liquid ejecting heads, and liquid ejecting apparatuses using the piezoelectric ceramics are provided according to various aspects. can do.
In addition, the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually replaced, the combinations are changed, the known technology, and the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually connected. It is possible to implement a configuration in which replacement or combination is changed. The present invention includes these configurations and the like.

1…記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、2…圧電アクチュエーター、3…圧電素子、10…流路形成基板、11…隔壁、12…圧力発生室、15…シリコン基板、16…弾性膜(振動板)、20…下電極(第1電極)、30…圧電体層、31…塗布膜、32…脱脂膜、40…上電極(第2電極)、45…リード電極、50…保護基板、60…コンプライアンス基板、65…駆動回路、70…ノズルプレート、71…ノズル開口、200…記録装置(液体噴射装置)、S1…塗布工程、S2…脱脂工程、S3…焼成工程。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Recording head (liquid ejecting head), 2 ... Piezoelectric actuator, 3 ... Piezoelectric element, 10 ... Channel formation board | substrate, 11 ... Partition, 12 ... Pressure generating chamber, 15 ... Silicon substrate, 16 ... Elastic film (vibration plate) , 20 ... lower electrode (first electrode), 30 ... piezoelectric layer, 31 ... coating film, 32 ... degreasing film, 40 ... upper electrode (second electrode), 45 ... lead electrode, 50 ... protective substrate, 60 ... compliance Substrate, 65 ... drive circuit, 70 ... nozzle plate, 71 ... nozzle opening, 200 ... recording apparatus (liquid ejecting apparatus), S1 ... coating process, S2 ... degreasing process, S3 ... baking process.

Claims (5)

ノズル開口に連通する圧力発生室と、
圧電体層及び電極を有する圧電素子と、を備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、液体噴射ヘッド。
A pressure generating chamber communicating with the nozzle opening;
A liquid ejecting head comprising a piezoelectric layer and a piezoelectric element having an electrode,
The piezoelectric layer includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti,
A liquid jet head having a remanent polarization of 24 μC / cm 2 or more and preferentially oriented to (110).
前記ペロブスカイト型酸化物にMnが含まれている、請求項1に記載の液体噴射ヘッド。   The liquid jet head according to claim 1, wherein Mn is contained in the perovskite oxide. 請求項1又は請求項2に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 1. 圧電体層及び電極を有する圧電素子であって、
前記圧電体層は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、圧電素子。
A piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode,
The piezoelectric layer includes a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti,
A piezoelectric element having a remanent polarization of 24 μC / cm 2 or more and preferentially oriented to (110).
少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を含み、
残留分極が24μC/cm2以上であり、且つ、(110)に優先配向している、圧電セラミックス。
A perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe and Ti;
Piezoelectric ceramics having a remanent polarization of 24 μC / cm 2 or more and preferentially oriented to (110).
JP2012041036A 2012-02-28 2012-02-28 Liquid injection head, liquid injection apparatus, piezoelectric element, and piezoelectric ceramic Pending JP2013179110A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015164182A (en) * 2014-01-29 2015-09-10 キヤノン株式会社 Piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
KR20220119224A (en) * 2021-02-19 2022-08-29 창원대학교 산학협력단 Lead-free piezoceramics with improved piezoelectric and ferroelectric properties and manufacturing method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015164182A (en) * 2014-01-29 2015-09-10 キヤノン株式会社 Piezoelectric element, manufacturing method thereof, and electronic device
KR20220119224A (en) * 2021-02-19 2022-08-29 창원대학교 산학협력단 Lead-free piezoceramics with improved piezoelectric and ferroelectric properties and manufacturing method thereof
KR102621718B1 (en) 2021-02-19 2024-01-08 창원대학교 산학협력단 Lead-free piezoceramics with improved piezoelectric and ferroelectric properties and manufacturing method thereof

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