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JP6932966B2 - Piezoelectric element and piezoelectric element application device - Google Patents
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JP6932966B2 - Piezoelectric element and piezoelectric element application device - Google Patents

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Description

本発明は、圧電素子及び圧電素子応用デバイスに関する。 The present invention relates to piezoelectric elements and piezoelectric element application devices.

一般に圧電素子は、電気機械変換特性を有する圧電体層と、圧電体層を挟持する2つの電極とを有している。このような圧電素子を駆動源として用いたデバイス(圧電素子応用デバイス)の開発が、近年、盛んに行われている。圧電素子応用デバイスの一つとして、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッド、圧電MEMS素子に代表されるMEMS要素、超音波センサー等に代表される超音波測定装置、更には圧電アクチュエーター装置等がある。 Generally, a piezoelectric element has a piezoelectric layer having electromechanical conversion characteristics and two electrodes sandwiching the piezoelectric layer. In recent years, the development of devices using such piezoelectric elements as drive sources (piezoelectric element application devices) has been actively carried out. As one of the piezoelectric element application devices, a liquid injection head represented by an inkjet recording head, a MEMS element represented by a piezoelectric MEMS element, an ultrasonic measuring device represented by an ultrasonic sensor, a piezoelectric actuator device, etc. There is.

圧電素子の圧電体層の材料(圧電材料)として、例えばニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)NbO、以下「KNN」と称する)が提案されている。KNNは比較的高い圧電特性を示すことから、非鉛圧電材料の有力な候補と考えられている。多結晶のKNNからなる圧電体では、所定の面方位に配向させることで、耐久性の向上(例えば特許文献1参照)や変位量の向上が試みられている。 As a material (piezoelectric material) for the piezoelectric layer of the piezoelectric element, for example, sodium potassium niobate ((K, Na) NbO 3 , hereinafter referred to as “KNN”) has been proposed. Since KNN exhibits relatively high piezoelectric properties, it is considered to be a promising candidate for lead-free piezoelectric materials. In a piezoelectric body made of polycrystalline KNN, attempts have been made to improve durability (see, for example, Patent Document 1) and the amount of displacement by orienting the piezoelectric material in a predetermined plane orientation.

また、バッファー層(配向制御層ともいう)として多結晶のランタン酸ニッケル(LaNiO、以下「LNO」と称する)を用いることや、ニオブ(Nb)をドープしたチタン酸ストロンチウム(Nb:SrTiO)の単結晶基板を使用すること等で、圧電体であるKNNを所定の面方位に配向させることが試みられている(例えば特許文献2参照)。 In addition, polycrystalline nickel lanthanate (LaNiO 3 , hereinafter referred to as "LNO") is used as a buffer layer (also referred to as an orientation control layer ), and strontium titanate (Nb: SrTIO 3 ) doped with niobium (Nb) is used. Attempts have been made to orient KNN, which is a piezoelectric material, in a predetermined plane orientation by using the single crystal substrate of (see, for example, Patent Document 2).

特開2012−124233号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-124233 特許第5716799号公報Japanese Patent No. 5716799

しかしながら、LNOは高温での焼成時に圧電体中に拡散しやすく、圧電体の組成変動の要因となりやすい。また、LNOからなるバッファー層の誘電率が低い場合には、圧電体層に電圧が印加し難くなるといった種々の問題が生じる虞がある。一方、Nb:SrTiO単結晶基板は、コストの面から実用が難しい。 However, LNO tends to diffuse into the piezoelectric body during firing at a high temperature, and tends to cause a change in the composition of the piezoelectric body. Further, when the dielectric constant of the buffer layer made of LNO is low, various problems such as difficulty in applying a voltage to the piezoelectric layer may occur. On the other hand, Nb: SrTiO 3 single crystal substrate, it is difficult practical in terms of cost.

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載された圧電素子に限らず、他の圧電素子応用デバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。 It should be noted that such a problem exists not only in the piezoelectric element mounted on the liquid injection head represented by the inkjet recording head but also in the piezoelectric element used in other piezoelectric element application devices.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層を有する圧電素子及び圧電素子応用デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a piezoelectric element and a piezoelectric element application having a piezoelectric layer containing a perovskite-type composite oxide which is preferentially oriented to the (100) plane and has excellent crystallinity. The purpose is to provide a device.

上記課題を解決する本発明の態様は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に挟持され、一般式ABOで表されるペロブスカイト型複合酸化物の結晶を含む複数の圧電体膜の積層体である圧電体層とを有する圧電素子であって、前記複数の圧電体膜のうち、前記第1電極の直上に形成された第1の圧電体膜は、(100)面に優先配向し、カリウム、ナトリウム及びニオブを含んだペロブスカイト型複合酸化物を有し、該ペロブスカイト型複合酸化物のAサイトに含まれるナトリウム量がカリウム量よりも多いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層を有する圧電素子を得ることができる。
An aspect of the present invention for solving the above problems is a perovskite-type composite oxide sandwiched between a first electrode, a second electrode, the first electrode and the second electrode, and represented by the general formula ABO 3. A piezoelectric element having a piezoelectric layer which is a laminate of a plurality of piezoelectric films containing the above crystals, and is a first piezoelectric body formed directly above the first electrode among the plurality of piezoelectric films. The film is preferentially oriented on the (100) plane and has a piezobskite-type composite oxide containing potassium, sodium and niobium, and the amount of sodium contained in the A site of the piezobskite-type composite oxide is larger than the amount of potassium. It is in a piezoelectric element characterized by.
In such an embodiment, it is possible to obtain a piezoelectric element having a piezoelectric layer containing a perovskite-type composite oxide which is preferentially oriented on the (100) plane and has excellent crystallinity.

ここで、前記圧電素子において、前記第1の圧電体膜は、前記ペロブスカイト型複合酸化物のAサイトに含まれるカリウム(K)及びナトリウム(Na)の組成比が下記式(1)で表される関係を有することが好ましい。
0.5<Na/(Na+K)≦0.9 ・・・(1)
これによれば、更に(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層を有する圧電素子を得ることができる。
Here, in the piezoelectric element, the composition ratio of potassium (K) and sodium (Na) contained in the A site of the perovskite-type composite oxide of the first piezoelectric film is represented by the following formula (1). It is preferable to have a relationship with each other.
0.5 <Na / (Na + K) ≤ 0.9 ... (1)
According to this, it is possible to obtain a piezoelectric element having a piezoelectric layer containing a perovskite-type composite oxide which is preferentially oriented toward the (100) plane and has excellent crystallinity.

また、前記圧電素子において、前記第1の圧電体膜は、前記ペロブスカイト型複合酸化物のBサイトに対するAサイトのモル比(A/B)が下記式(2)で表される関係を有することが好ましい。
0.8<A/B≦1.4 ・・・(2)
これによれば、更に(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層を有する圧電素子を得ることができる。
Further, in the piezoelectric element, the first piezoelectric film has a relationship in which the molar ratio (A / B) of A sites to B sites of the perovskite-type composite oxide is represented by the following formula (2). Is preferable.
0.8 <A / B ≦ 1.4 ・ ・ ・ (2)
According to this, it is possible to obtain a piezoelectric element having a piezoelectric layer containing a perovskite-type composite oxide which is preferentially oriented toward the (100) plane and has excellent crystallinity.

また、前記圧電素子において、前記第1の圧電体膜は、X線回折法により測定した前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶における(100)面に由来するピークの半値幅が0.55°以下であることが好ましい。
これによれば、変位特性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層を有する圧電素子を得ることができる。
Further, in the piezoelectric element, in the first piezoelectric film, the half width of the peak derived from the (100) plane in the crystal of the perovskite type composite oxide measured by the X-ray diffraction method is 0.55 ° or less. It is preferable to have.
According to this, it is possible to obtain a piezoelectric element having a piezoelectric layer containing a perovskite type composite oxide having excellent displacement characteristics.

また、本発明の他の態様は、上記何れか1つの圧電素子を具備することを特徴とする圧電素子応用デバイスにある。
かかる態様では、圧電・誘電特性が安定し、外部応力に対する強靭性(機械特性)を実現した圧電素子応用デバイスを提供することができる。
Another aspect of the present invention is a piezoelectric element application device, which comprises any one of the above piezoelectric elements.
In such an embodiment, it is possible to provide a piezoelectric element application device in which the piezoelectric / dielectric characteristics are stable and toughness against external stress (mechanical characteristics) is realized.

インクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows the schematic structure of the inkjet recording apparatus. 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。An exploded perspective view showing a schematic configuration of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す平面図。The plan view which shows the schematic structure of the inkjet recording head. 図3のA−A′線断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA'in FIG. 図4のB−B′線拡大断面図。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view taken along the line BB'in FIG. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head. サンプル1〜9のNa比、半値幅及び強度の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between Na ratio, half width and intensity of samples 1-9. サンプル10〜15のAサイト比、半値幅及び強度の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the A site ratio, the full width at half maximum and the intensity of samples 10 to 15. サンプル16〜21のAサイト比、半値幅及び強度の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the A site ratio, the full width at half maximum and the intensity of samples 16-21.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図面において同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、X,Y及びZは、互いに直交する3つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を、それぞれ第1の方向X(X方向)、第2の方向Y(Y方向)及び第3の方向Z(Z方向)とし、各図の矢印の向かう方向を正(+)方向、矢印の反対方向を負(−)方向として説明する。X方向及びY方向は、板、層及び膜の面内方向を表し、Z方向は、板、層及び膜の厚さ方向又は積層方向を表す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description shows one aspect of the present invention, and can be arbitrarily changed without departing from the gist of the present invention. In each drawing, those having the same reference numerals indicate the same members, and the description thereof is omitted as appropriate. Further, X, Y and Z represent three spatial axes orthogonal to each other. In the present specification, the directions along these axes are defined as the first direction X (X direction), the second direction Y (Y direction), and the third direction Z (Z direction), respectively, and the arrows in each figure. The direction in which the head is headed will be described as the positive (+) direction, and the direction opposite to the arrow will be described as the negative (-) direction. The X direction and the Y direction represent the in-plane direction of the plate, the layer and the film, and the Z direction represents the thickness direction or the stacking direction of the plate, the layer and the film.

また、各図面において示す構成要素、即ち、各部の形状や大きさ、板、層及び膜の厚さ、相対的な位置関係、繰り返し単位等は、本発明を説明する上で誇張して示されている場合がある。更に、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「基板上の第1電極」や「第1電極上の圧電体層」という表現は、基板と第1電極との間や、第1電極と圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。 Further, the components shown in each drawing, that is, the shape and size of each part, the thickness of the plate, the layer and the film, the relative positional relationship, the repeating unit, etc. are exaggerated in explaining the present invention. May be. Further, the term "above" in the present specification does not limit the positional relationship of the components to be "immediately above". For example, the expressions "first electrode on the substrate" and "piezoelectric layer on the first electrode" have other configurations between the substrate and the first electrode and between the first electrode and the piezoelectric layer. Do not exclude those that contain elements.

(実施形態1)
(液体噴射装置)
まず、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置について、図面を参照して説明する。
図1は、インクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図である。図示するように、インクジェット式記録装置(記録装置)Iでは、インクジェット式記録ヘッドユニット(ヘッドユニット)IIが、カートリッジ2A,2Bに着脱可能に設けられている。カートリッジ2A,2Bは、インク供給手段を構成している。ヘッドユニットIIは、複数のインクジェット式記録ヘッド(記録ヘッド)1(図2等参照)を有しており、キャリッジ3に搭載されている。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、軸方向に対して移動自在に設けられている。これらのヘッドユニットIIやキャリッジ3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可能に構成されている。
(Embodiment 1)
(Liquid injection device)
First, an inkjet recording device, which is an example of a liquid injection device, will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an inkjet recording device. As shown in the figure, in the inkjet recording device (recording device) I, the inkjet recording head unit (head unit) II is detachably provided on the cartridges 2A and 2B. The cartridges 2A and 2B form an ink supply means. The head unit II has a plurality of inkjet recording heads (recording heads) 1 (see FIG. 2 and the like), and is mounted on the carriage 3. The carriage 3 is provided on the carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The head unit II and the carriage 3 are configured to be capable of ejecting, for example, 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及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、ヘッドユニットIIを搭載したキャリッジ3が、キャリッジ軸5に沿って移動されるようになっている。一方、装置本体4には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。 Then, the driving force of the drive motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), and the carriage 3 equipped with the head unit II is moved along the carriage shaft 5. ing. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a transport roller 8 as a transport means, and the recording sheet S, which is a recording medium such as paper, is transported by the transport roller 8. The transporting means for transporting the recording sheet S is not limited to the transport roller, and may be a belt, a drum, or the like.

記録ヘッド1には、圧電アクチュエーター装置として圧電素子300(図2等参照)が用いられている。圧電素子300を用いることによって、記録装置Iにおける各種特性(耐久性やインク噴射特性等)の低下を回避することができる。 A piezoelectric element 300 (see FIG. 2 and the like) is used as a piezoelectric actuator device in the recording head 1. By using the piezoelectric element 300, it is possible to avoid deterioration of various characteristics (durability, ink ejection characteristics, etc.) in the recording device I.

(液体噴射ヘッド)
次に、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの一例である記録ヘッド1について、図面を参照して説明する。図2は、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る。図3は、インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す平面図である。図4は、図3のA−A′線断面図である。なお、図2から図4は、それぞれ記録ヘッド1の構成の一部を示したものであり適宜省略されている。
(Liquid injection head)
Next, the recording head 1, which is an example of the liquid injection head mounted on the liquid injection device, will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an inkjet recording head. FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of an inkjet recording head. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. Note that FIGS. 2 to 4 show a part of the configuration of the recording head 1, and are omitted as appropriate.

図示するように、流路形成基板(基板)10は、例えばシリコン(Si)単結晶基板からなる。なお、基板10の材料はSiに限らず、SOI(Silicon On Insulator)やガラス等であってもよい。 As shown in the figure, the flow path forming substrate (substrate) 10 is made of, for example, a silicon (Si) single crystal substrate. The material of the substrate 10 is not limited to Si, and may be SOI (Silicon On Insulator), glass, or the like.

基板10には、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が形成されている。圧力発生室12は、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口21が併設される方向(+X方向)に沿って並設されている。 The substrate 10 is formed with a pressure generating chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11. The pressure generating chambers 12 are arranged side by side along the direction (+ X direction) in which a plurality of nozzle openings 21 for ejecting ink of the same color are provided.

基板10のうち、圧力発生室12の一端部側(+Y方向側)には、インク供給路13と連通路14とが形成されている。インク供給路13は、圧力発生室12の一端部側の開口の面積が小さくなるように構成されている。また、連通路14は、+X方向において、圧力発生室12と略同じ幅を有している。連通路14の外側(+Y方向側)には、連通部15が形成されている。連通部15は、マニホールド100の一部を構成する。マニホールド100は、各圧力発生室12の共通のインク室となる。このように、基板10には、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15からなる液体流路が形成されている。 An ink supply path 13 and a communication passage 14 are formed on one end side (+ Y direction side) of the pressure generating chamber 12 in the substrate 10. The ink supply path 13 is configured so that the area of the opening on the one end side of the pressure generating chamber 12 is small. Further, the communication passage 14 has substantially the same width as the pressure generating chamber 12 in the + X direction. A communication portion 15 is formed on the outside (+ Y direction side) of the communication passage 14. The communication portion 15 forms a part of the manifold 100. The manifold 100 serves as a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. As described above, the substrate 10 is formed with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the ink supply path 13, the communication passage 14, and the communication portion 15.

基板10の一方の面(−Z方向側の面)上には、例えばSUS製のノズルプレート20が接合されている。ノズルプレート20には、+X方向に沿ってノズル開口21が並設されている。ノズル開口21は、各圧力発生室12に連通している。ノズルプレート20は、接着剤や熱溶着フィルム等によって基板10に接合することができる。 For example, a nozzle plate 20 made of SUS is joined on one surface (the surface on the −Z direction side) of the substrate 10. Nozzle openings 21 are arranged side by side in the nozzle plate 20 along the + X direction. The nozzle opening 21 communicates with each pressure generating chamber 12. The nozzle plate 20 can be bonded to the substrate 10 with an adhesive, a heat welding film, or the like.

基板10の他方の面(+Z方向側の面)上には、振動板50が形成されている。振動板50は、例えば、基板10上に形成された弾性膜51と、弾性膜51上に形成された絶縁体膜52とにより構成されている。弾性膜51は、例えば二酸化シリコン(SiO)からなり、絶縁体膜52は、例えば酸化ジルコニウム(ZrO)からなる。弾性膜51は、基板10とは別部材でなくてもよい。基板10の一部を薄く加工し、これを弾性膜51として使用してもよい。弾性膜51は、SiOに限定されず、例えば酸化アルミニウム(Al)、酸化タンタル(V)(Ta)、窒化シリコン(SiN)等を用いた膜であってもよい。 A diaphragm 50 is formed on the other surface (the surface on the + Z direction side) of the substrate 10. The diaphragm 50 is composed of, for example, an elastic film 51 formed on the substrate 10 and an insulator film 52 formed on the elastic film 51. The elastic membrane 51 is made of, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), and the insulator membrane 52 is made of, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ). The elastic membrane 51 does not have to be a separate member from the substrate 10. A part of the substrate 10 may be thinly processed and used as the elastic film 51. The elastic film 51 is not limited to SiO 2, and may be a film using, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (V) (Ta 2 O 5 ), silicon nitride (SiN), or the like.

絶縁体膜52上には、密着層56を介して、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを含む圧電素子300が形成されている。密着層56は、例えば酸化チタン(TiO)、チタン(Ti)、SiN等が用いられており、圧電体層70と振動板50との密着性を向上させる機能を有する。なお、密着層56は省略可能である。 A piezoelectric element 300 including a first electrode 60, a piezoelectric layer 70, and a second electrode 80 is formed on the insulator film 52 via an adhesion layer 56. For the adhesion layer 56, for example, titanium oxide (TiO X ), titanium (Ti), SiN or the like is used, and has a function of improving the adhesion between the piezoelectric layer 70 and the diaphragm 50. The adhesion layer 56 can be omitted.

後述する圧電体層70の形成過程において、圧電体層70を構成する圧電体にカリウム(K)やナトリウム(Na)といったアルカリ金属が含まれる場合には、第1電極60中に拡散することがある。そこで、第1電極60と基板10との間に絶縁体膜52を設けることで、絶縁体膜52がストッパー機能を果たし、アルカリ金属の基板10への到達を抑制することができる。 In the process of forming the piezoelectric layer 70, which will be described later, when the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 70 contains an alkali metal such as potassium (K) or sodium (Na), it may diffuse into the first electrode 60. be. Therefore, by providing the insulator film 52 between the first electrode 60 and the substrate 10, the insulator film 52 functions as a stopper, and the arrival of the alkali metal on the substrate 10 can be suppressed.

第1電極60は、圧力発生室12毎に設けられている。つまり、第1電極60は、圧力発生室12毎に独立する個別電極として構成されている。第1電極60は、±X方向において圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第1電極60は、±Y方向において圧力発生室12よりも広い幅で形成されている。即ち、第1電極60の両端部は、±Y方向において振動板50上の圧力発生室12に対向する領域より外側まで形成されている。第1電極60の一端部側(連通路14とは反対側)には、リード電極90が接続されている。 The first electrode 60 is provided for each pressure generating chamber 12. That is, the first electrode 60 is configured as an independent electrode for each pressure generating chamber 12. The first electrode 60 is formed with a width narrower than the width of the pressure generating chamber 12 in the ± X direction. Further, the first electrode 60 is formed with a width wider than that of the pressure generating chamber 12 in the ± Y direction. That is, both ends of the first electrode 60 are formed to the outside of the region facing the pressure generating chamber 12 on the diaphragm 50 in the ± Y direction. A lead electrode 90 is connected to one end side of the first electrode 60 (the side opposite to the communication passage 14).

圧電体層70は、第1電極60と第2電極80との間に設けられている。圧電体層70は、±X方向において第1電極60の幅よりも広い幅で形成されている。また、圧電体層70は、±Y方向において圧力発生室12の±Y方向の長さよりも広い幅で形成されている。圧電体層70のインク供給路13側(+Y方向側)の端部は、第1電極60の+Y方向側の端部よりも外側まで形成されている。つまり、第1電極60の+Y方向側の端部は、圧電体層70によって覆われている。一方、圧電体層70のリード電極90側(−Y方向側)の端部は、第1電極60の−Y方向側の端部よりも内側(+Y方向側)にある。つまり、第1電極60の−Y方向側の端部は、圧電体層70によって覆われていない。圧電体層70は、後述する所定の厚さを有する薄膜の圧電体である。 The piezoelectric layer 70 is provided between the first electrode 60 and the second electrode 80. The piezoelectric layer 70 is formed to have a width wider than the width of the first electrode 60 in the ± X direction. Further, the piezoelectric layer 70 is formed in a width wider than the length of the pressure generating chamber 12 in the ± Y direction in the ± Y direction. The end portion of the piezoelectric layer 70 on the ink supply path 13 side (+ Y direction side) is formed to the outside of the end portion on the + Y direction side of the first electrode 60. That is, the end portion of the first electrode 60 on the + Y direction side is covered with the piezoelectric layer 70. On the other hand, the end portion of the piezoelectric layer 70 on the lead electrode 90 side (−Y direction side) is inside (+ Y direction side) of the end portion of the first electrode 60 on the −Y direction side. That is, the end portion of the first electrode 60 on the −Y direction side is not covered by the piezoelectric layer 70. The piezoelectric layer 70 is a thin-film piezoelectric body having a predetermined thickness, which will be described later.

第2電極80は、+X方向に亘って圧電体層70及び振動板50上に連続して設けられている。つまり、第2電極80は、複数の圧電体層70に共通する共通電極として構成されている。本実施形態では、第1電極60が圧力発生室12に対応して独立して設けられた個別電極を構成し、第2電極80が圧力発生室12の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成しているが、第1電極60が共通電極を構成し、第2電極80が個別電極を構成してもよい。 The second electrode 80 is continuously provided on the piezoelectric layer 70 and the diaphragm 50 in the + X direction. That is, the second electrode 80 is configured as a common electrode common to the plurality of piezoelectric layers 70. In the present embodiment, the first electrode 60 constitutes an individual electrode provided independently corresponding to the pressure generating chamber 12, and the second electrode 80 is continuously provided in the parallel direction of the pressure generating chamber 12. Although the common electrodes are formed, the first electrode 60 may form a common electrode and the second electrode 80 may form an individual electrode.

本実施形態では、電気機械変換特性を有する圧電体層70の変位によって、振動板50及び第1電極60が変位する。即ち、振動板50及び第1電極60が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、実際には、圧電体層70の変位によって第2電極80も変位しているので、振動板50、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80が順次積層された領域が、圧電素子300の可動部(振動部ともいう)として機能する。 In the present embodiment, the diaphragm 50 and the first electrode 60 are displaced by the displacement of the piezoelectric layer 70 having the electromechanical conversion characteristic. That is, the diaphragm 50 and the first electrode 60 substantially have a function as a diaphragm. However, in reality, since the second electrode 80 is also displaced due to the displacement of the piezoelectric layer 70, the region in which the vibrating plate 50, the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are sequentially laminated is formed. It functions as a movable part (also referred to as a vibrating part) of the piezoelectric element 300.

なお、本実施形態では、弾性膜51及び絶縁体膜52の何れかを省略して振動板として機能するようにしてもよいし、弾性膜51及び絶縁体膜52を省略して第1電極60のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板10上に第1電極60を直接設ける場合には、第1電極60にインクが接触しないように、第1電極60を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。 In the present embodiment, either the elastic film 51 or the insulator film 52 may be omitted to function as a diaphragm, or the elastic film 51 and the insulator film 52 may be omitted to omit the first electrode 60. Only may function as a diaphragm. When the first electrode 60 is provided directly on the substrate 10, it is preferable to protect the first electrode 60 with an insulating protective film or the like so that the ink does not come into contact with the first electrode 60.

圧電素子300が形成された基板10(振動板50)上には、保護基板30が接着剤35により接合されている。保護基板30は、マニホールド部32を有している。マニホールド部32により、マニホールド100の少なくとも一部が構成されている。本実施形態のマニホールド部32は、保護基板30を厚さ方向(Z方向)に貫通しており、更に圧力発生室12の幅方向(+X方向)に亘って形成されている。そして、マニホールド部32は、基板10の連通部15と連通している。これらの構成により、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が構成されている。 A protective substrate 30 is bonded to the substrate 10 (diaphragm 50) on which the piezoelectric element 300 is formed by an adhesive 35. The protective substrate 30 has a manifold portion 32. The manifold portion 32 constitutes at least a part of the manifold 100. The manifold portion 32 of the present embodiment penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction (Z direction), and is further formed in the width direction (+ X direction) of the pressure generating chamber 12. The manifold portion 32 communicates with the communication portion 15 of the substrate 10. With these configurations, a manifold 100 which is a common ink chamber of each pressure generating chamber 12 is configured.

保護基板30には、圧電素子300を含む領域に、圧電素子保持部31が形成されている。圧電素子保持部31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る。この空間は、密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板30には、保護基板30を厚さ方向(Z方向)に貫通する貫通孔33が設けられている。貫通孔33内には、リード電極90の端部が露出している。 The protective substrate 30 is formed with a piezoelectric element holding portion 31 in a region including the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding portion 31 has a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300. This space may or may not be sealed. The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction (Z direction). The end of the lead electrode 90 is exposed in the through hole 33.

保護基板30の材料としては、例えば、Si、SOI、ガラス、セラミックス、金属、樹脂等が挙げられるが、基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましい。本実施形態では、基板10と同一材料のSiを用いて形成した。 Examples of the material of the protective substrate 30 include Si, SOI, glass, ceramics, metal, resin, etc., but it is more preferable that the protective substrate 30 is made of a material having substantially the same coefficient of thermal expansion as the substrate 10. In this embodiment, it is formed by using Si which is the same material as the substrate 10.

保護基板30上には、信号処理部として機能する駆動回路120が固定されている。駆動回路120は、例えば回路基板や半導体集積回路(IC:Integrated Circuit)を用いることができる。駆動回路120及びリード電極90は、貫通孔33を挿通させた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。駆動回路120は、プリンターコントローラー200(図1参照)に電気的に接続可能である。このような駆動回路120が、圧電アクチュエーター装置(圧電素子300)の制御手段として機能する。 A drive circuit 120 that functions as a signal processing unit is fixed on the protective substrate 30. As the drive circuit 120, for example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC: Integrated Circuit) can be used. 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 through which the through hole 33 is inserted. The drive circuit 120 can be electrically connected to the printer controller 200 (see FIG. 1). Such a drive circuit 120 functions as a control means for the piezoelectric actuator device (piezoelectric element 300).

また、保護基板30上には、封止膜41及び固定板42からなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低い材料からなり、固定板42は、金属等の硬質の材料で構成することができる。固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向(Z方向)に完全に除去された開口部43となっている。マニホールド100の一方の面(+Z方向側の面)は、可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。 Further, a compliance substrate 40 composed of a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. The sealing film 41 is made of a material having low rigidity, and the fixing plate 42 can be made of a hard material such as metal. The region of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 completely removed in the thickness direction (Z direction). One surface of the manifold 100 (the surface on the + Z direction side) is sealed only with the flexible sealing film 41.

このような記録ヘッド1は、次のような動作で、インク滴を吐出する。まず、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、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す。その後、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、圧電素子300を撓み変形させる。これにより、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される。 Such a recording head 1 ejects ink droplets by the following operation. First, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the inside is filled with ink from the manifold 100 to the nozzle opening 21. Then, according to the recorded signal from the drive circuit 120, a voltage is applied between the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the piezoelectric element 300 is flexed and deformed. As a result, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle opening 21.

(圧電アクチュエーター装置)
次に、記録ヘッド1の圧電アクチュエーター装置として用いられる圧電素子300の構成について、図面を参照して説明する。
図5は、図4のB−B′線拡大断面図である。図示するように、圧電素子300は、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が形成された基板10上に、弾性膜51と絶縁体膜52とにより構成された振動板50が形成され、その上に、密着層56、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80が順次積層され、これらにより可動部が形成されている。
(Piezoelectric actuator device)
Next, the configuration of the piezoelectric element 300 used as the piezoelectric actuator device of the recording head 1 will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view taken along the line BB'of FIG. As shown in the figure, in the piezoelectric element 300, a vibrating plate 50 composed of an elastic film 51 and an insulator film 52 is formed on a substrate 10 on which a pressure generating chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 is formed. On top of this, the adhesion layer 56, the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are sequentially laminated, and a movable portion is formed by these.

圧電体層70は、複数の圧電体膜74(図8参照)からなる積層体であり、圧電体層70を構成する圧電材料は、一般式ABOで表されるペロブスカイト型構造(ABO型ペロブスカイト構造)を有する複合酸化物(ペロブスカイト型複合酸化物)を含んでいる。複数の圧電体膜74のうち、第1電極60の直上に形成された第1の圧電体膜74aは、(100)面に優先配向している。また、カリウム(K)、ナトリウム(Na)及びニオブ(Nb)を含んだペロブスカイト型複合酸化物の結晶を含んでおり、ABO型ペロブスカイト構造のAサイトに含まれるNa量がK量よりも多くなるように形成されている。 The piezoelectric layer 70 is a laminate composed of a plurality of piezoelectric films 74 (see FIG. 8), and the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 70 is a perovskite type structure (ABO 3 type) represented by the general formula ABO 3. It contains a composite oxide having a perovskite structure (perovskite type composite oxide). Of the plurality of piezoelectric films 74, the first piezoelectric film 74a formed directly above the first electrode 60 is preferentially oriented toward the (100) plane. In addition, it contains crystals of a perovskite-type composite oxide containing potassium (K), sodium (Na) and niobium (Nb), and the amount of Na contained in the A site of the ABO type 3 perovskite structure is larger than the amount of K. It is formed to be.

第1の圧電体膜74aを構成するKNN系複合酸化物は、ABO型ペロブスカイト構造のAサイトに含まれるNa量がK量よりも多くなるように形成されている。具体的には、Aサイトに含まれるK及びNaの組成比が、下記式(3)で表される関係を有することが好ましい。なお、下記式(3)中、Xは0.5<X≦0.9を満たす。
(K,Na1−X)NbO ・・・(3)
上記式(3)において、KNN複合酸化物のAサイトに含まれるK及びNaの組成比が下記式(1)で表される関係を有することが好ましい。
0.5<Na/(Na+K)≦0.9 ・・・(1)
The KNN-based composite oxide constituting the first piezoelectric film 74a is formed so that the amount of Na contained in the A site of the ABO type 3 perovskite structure is larger than the amount of K. Specifically, it is preferable that the composition ratios of K and Na contained in the A site have a relationship represented by the following formula (3). In the following equation (3), X satisfies 0.5 <X ≦ 0.9.
(K X , Na 1-X ) NbO 3 ... (3)
In the above formula (3), it is preferable that the composition ratio of K and Na contained in the A site of the KNN composite oxide has a relationship represented by the following formula (1).
0.5 <Na / (Na + K) ≤ 0.9 ... (1)

即ち、Naの含有量は、Aサイトを構成する金属元素の総量に対して50モル%超過90モル%以下である(言い換えると、Kの含有量が、Aサイトを構成する金属元素の総量に対して10モル%以上50モル%未満である)ことが好ましい。これによれば、(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れたKNN系複合酸化物となり、圧電特性に有利な組成を有する複合酸化物を含む圧電体層70を得ることができる。 That is, the content of Na is more than 50 mol% and 90 mol% or less with respect to the total amount of metal elements constituting A site (in other words, the content of K is the total amount of metal elements constituting A site. On the other hand, it is preferably 10 mol% or more and less than 50 mol%). According to this, it is possible to obtain a piezoelectric layer 70 containing a composite oxide having a composition that is preferentially oriented on the (100) plane and has excellent crystallinity and has a composition advantageous for piezoelectric properties.

第1の圧電体膜74aを構成する圧電材料は、KNN系複合酸化物であればよく、上記式(3)で表される組成に限定されない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウムのAサイトやBサイトに、他の金属元素(添加物)が含まれていてもよい。このような添加物の例としては、マンガン(Mn)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ビスマス(Bi)、タンタル(Ta)、アンチモン(Sb)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銀(Ag)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)等が挙げられる。 The piezoelectric material constituting the first piezoelectric film 74a may be any KNN-based composite oxide, and is not limited to the composition represented by the above formula (3). For example, the A site and B site of potassium niobate sodium may contain other metal elements (additives). Examples of such additives include manganese (Mn), lithium (Li), barium (Ba), calcium (Ca), strontium (Sr), zirconium (Zr), titanium (Ti), bismuth (Bi), Examples thereof include tantalum (Ta), antimony (Sb), iron (Fe), cobalt (Co), silver (Ag), magnesium (Mg), zinc (Zn), copper (Cu) and the like.

この種の添加物は、1つ以上含んでいてもよい。一般的に、添加物の量は、主成分となる元素の総量に対して20%以下、好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下である。添加物を利用することにより、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなるが、KNNが80%より多く存在するのがKNNに由来する特性を発揮する観点から好ましい。なお、これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ABO型ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。 One or more additives of this type may be contained. Generally, the amount of the additive is 20% or less, preferably 15% or less, more preferably 10% or less, based on the total amount of the main component elements. By using the additive, it becomes easy to improve various properties and diversify the composition and function, but it is preferable that KNN is present in an amount of 80% or more from the viewpoint of exhibiting the properties derived from KNN. Even in the case of a composite oxide containing these other elements, it is preferable that the composite oxide has an ABO type 3 perovskite structure.

第1の圧電体膜74aにおけるAサイトのアルカリ金属(K及びNa)は化学量論の組成に対して過剰に加えられてもよい。また、Aサイトのアルカリ金属は、化学量論の組成に対して不足していてもよい。従って、第1の圧電体膜74aに含まれるKNN系複合酸化物は、下記式(4)でも表すことができる。なお、下記式(4)中、Xは0.5<X≦0.9を満たす。
(KαX,Naα(1−X))NbO ・・・(4)
The alkali metals (K and Na) at the A site in the first piezoelectric film 74a may be added in excess to the composition of stoichiometry. Further, the alkali metal of A site may be insufficient for the composition of stoichiometry. Therefore, the KNN-based composite oxide contained in the first piezoelectric film 74a can also be represented by the following formula (4). In the following equation (4), X satisfies 0.5 <X ≦ 0.9.
(K αX , Na α (1-X) ) NbO 3 ... (4)

上記式(4)において、αは、過剰に加えられてもよいK及びNaの量、又は不足していてもよいK及びNaの量を表している。K及びNaの量が過剰である場合は1.0<αである。K及びNaの量が不足している場合は、α<1.0である。例えば、α=1.1であれば、化学量論の組成におけるK及びNaの量を100モル%としたときに、110モル%のK及びNaが含まれていることを表す。α=0.9であれば、化学量論の組成におけるK及びNaの量を100モル%としたときに、90モル%のK及びNaが含まれていることを表す。なお、Aサイトのアルカリ金属が化学量論の組成に対して過剰でなく不足もしていない場合は、α=1である。配向性及び結晶性の観点から、0.8<α≦1.4であることが好ましい。 In the above formula (4), α represents the amount of K and Na that may be added in excess or the amount of K and Na that may be insufficient. When the amounts of K and Na are excessive, 1.0 <α. When the amounts of K and Na are insufficient, α <1.0. For example, if α = 1.1, it means that 110 mol% of K and Na are contained when the amount of K and Na in the composition of stoichiometry is 100 mol%. If α = 0.9, it means that 90 mol% of K and Na are contained when the amount of K and Na in the composition of stoichiometry is 100 mol%. When the alkali metal of A site is neither excessive nor insufficient with respect to the composition of stoichiometry, α = 1. From the viewpoint of orientation and crystallinity, 0.8 <α ≦ 1.4 is preferable.

換言すれば、式(4)において、KNN系複合酸化物のBサイト(Nb)に対するAサイト(K+Na)のモル比(A/B)が、下記式(2)で表される関係を有することが好ましい。
0.8<A/B≦1.4 ・・・(2)
In other words, in the formula (4), the molar ratio (A / B) of the A site (K + Na) to the B site (Nb) of the KNN-based composite oxide has a relationship represented by the following formula (2). Is preferable.
0.8 <A / B ≦ 1.4 ・ ・ ・ (2)

圧電材料には、元素の一部が欠損した組成を有する材料、元素の一部が過剰である組成を有する材料、及び元素の一部が他の元素に置換された組成を有する材料も含まれる。圧電体層70の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材料や、元素の一部が他の元素に置換された材料も、本実施形態に係る圧電材料に含まれる。 Piezoelectric materials also include materials having a composition in which some of the elements are missing, materials having a composition in which some of the elements are in excess, and materials having a composition in which some of the elements are replaced with other elements. .. As long as the basic characteristics of the piezoelectric layer 70 do not change, a material deviating from the composition of stoichiometry due to deficiency or excess, or a material in which a part of an element is replaced with another element is also a piezoelectric material according to the present embodiment. Included in the material.

本明細書において「K、Na及びNbを含むABO型ペロブスカイト構造の複合酸化物」とは、K、Na及びNbを含むABO型ペロブスカイト構造の複合酸化物のみに限定されない。即ち、この複合酸化物は、K、Na及びNbを含むABO型ペロブスカイト構造の複合酸化物(例えば、上記に例示したKNN系複合酸化物)と、ABO型ペロブスカイト構造を有する他の複合酸化物とを含む混晶として表される圧電材料を含む。 As used herein, "K, composite oxides of ABO 3 type perovskite structure containing Na and Nb," A, K, is not limited only to the composite oxide ABO 3 type perovskite structure containing Na and Nb. That is, this composite oxide is a composite oxide having an ABO type 3 perovskite structure containing K, Na and Nb (for example, the KNN-based composite oxide exemplified above) and another composite oxide having an ABO type 3 perovskite structure. Includes piezoelectric materials represented as mixed crystals containing substances.

他の複合酸化物は特に限定されないが、環境負荷を軽減する観点からPbを含有しない非鉛系圧電材料であることが好ましく、例えば、ビスマス(Bi)及び鉄(Fe)を含む鉄酸ビスマス(BFO)系の複合酸化物、Bi、バリウム(Ba)、Fe及びTiを含む鉄酸ビスマス−チタン酸バリウム(BF−BT)系の複合酸化物、Bi、Fe、Mn、Ba及びTiを含む鉄酸マンガン酸ビスマス−チタン酸バリウム(BFM−BT)系の複合酸化物等のペロブスカイト型複合酸化物を用いることができる。なお、他の複合酸化物は、用途に応じてPb及びBiを含有しない非鉛系圧電材料であってもよい。これらによれば、生体適合性に優れ、また環境負荷も少ない圧電素子300となる。 Other composite oxides are not particularly limited, but are preferably lead-free piezoelectric materials containing no Pb from the viewpoint of reducing the environmental load. For example, bismuth iron acid containing bismuth (Bi) and iron (Fe) (bismuth iron acid (Fe)). BFO) -based composite oxide, bismuth iron acid containing Bi, barium (Ba), Fe and Ti-Bismuth titanate (BF-BT) -based composite oxide, iron containing Bi, Fe, Mn, Ba and Ti A perovskite-type composite oxide such as a bismuth bismuth-valium titanate (BFM-BT) -based composite oxide can be used. The other composite oxide may be a lead-free piezoelectric material that does not contain Pb and Bi depending on the intended use. According to these, the piezoelectric element 300 has excellent biocompatibility and has a small environmental load.

また、他の複合酸化物は、Pb、ジルコニウム(Zr)及びTiを含むチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の他、このPZTに酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができ、チタン酸鉛(PbTiO)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O)、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O)等を用いることができる。 Other composite oxides include lead zirconate titanate (PZT) containing Pb, zirconate (Zr) and Ti, and metal oxides such as niobium oxide, nickel oxide and magnesium oxide added to this PZT. Etc. can be used, such as lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanate titanate ((Pb, La), TiO 3 ), lead lanthanate titanate titanate ((Pb, La)). (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate titanate magnesiumniobate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ) and the like can be used.

圧電体層70を構成する第1の圧電体膜74aは、上述したKNN系複合酸化物を含む。具体的には、第1の圧電体膜74aは、結晶化により(100)の結晶面に優先配向したKNN結晶(KNN系複合酸化物の前駆体溶液から溶媒等の不要物を除去して熱処理により結晶化させたもの)からなるKNN膜である。 The first piezoelectric film 74a constituting the piezoelectric layer 70 contains the above-mentioned KNN-based composite oxide. Specifically, the first piezoelectric film 74a is heat-treated by removing unnecessary substances such as a solvent from the KNN crystal (precursor solution of KNN-based composite oxide) preferentially oriented to the crystal plane of (100) by crystallization. It is a KNN film composed of (crystallized by).

本明細書において、優先配向とは、50%以上、好ましくは80%以上の結晶が、所定の結晶面に配向していることを示すものとする。例えば「(100)面に優先配向している」とは、圧電体層70の全ての結晶が(100)面に配向している場合と、半分以上の結晶(50%以上、好ましくは80%以上)が(100)面に配向している場合を含む。 In the present specification, the preferential orientation means that 50% or more, preferably 80% or more of the crystals are oriented to a predetermined crystal plane. For example, "priority oriented to the (100) plane" means that all the crystals of the piezoelectric layer 70 are oriented to the (100) plane, and more than half of the crystals (50% or more, preferably 80%). The above) includes the case where the plane (100) is oriented.

また、KNN結晶が(100)面に対して優先配向した第1の圧電体膜74aは、X線回折法により測定した前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶における(100)面に由来するピークの半値幅が0.55°以下である。これによれば、変位特性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含む圧電体層70を有する圧電素子300を得ることができる。 Further, the first piezoelectric film 74a in which the KNN crystal is preferentially oriented with respect to the (100) plane is a half of the peak derived from the (100) plane in the crystal of the perovskite type composite oxide measured by the X-ray diffraction method. The price range is 0.55 ° or less. According to this, it is possible to obtain the piezoelectric element 300 having the piezoelectric layer 70 containing the perovskite type composite oxide having excellent displacement characteristics.

一般に、圧電体層を構成する圧電体の結晶の配向性を制御する場合には、第1電極と圧電体層との間であって、例えば密着層上に配向制御層(バッファー層ともいう)を設けることが好ましい。配向制御層を設けることで、圧電体層を構成する圧電体を、所定の面方位、例えば(100)面に優先配向させることができる。 Generally, when controlling the orientation of the piezoelectric crystals constituting the piezoelectric layer, the orientation control layer (also referred to as a buffer layer) is located between the first electrode and the piezoelectric layer, for example, on the adhesion layer. It is preferable to provide. By providing the orientation control layer, the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer can be preferentially oriented in a predetermined plane orientation, for example, the (100) plane.

一方、KNN結晶が(100)面に対して優先配向していないKNN膜をバッファー層として用いた場合やKNN膜の製法等によっては、ランダム配向、又は(110)面や(111)面といった他の面方位に優先配向する場合もあり得る。 On the other hand, when a KNN film in which the KNN crystal is not preferentially oriented with respect to the (100) plane is used as the buffer layer, or depending on the manufacturing method of the KNN film, random orientation, or the (110) plane or the (111) plane may be used. In some cases, it is preferentially oriented in the plane orientation of.

しかしながら、本実施形態では、圧電体層70を構成する複数の圧電体膜74のうち第1の圧電体膜74aに含まれるKNN系複合酸化物のAサイトに含まれるNa量及びK量を上記式(1)の通りに規定することで、(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れた(配向の向きが良好である)KNN系複合酸化物となり、圧電特性に有利な組成を有する複合酸化物を含む圧電体層70を得ることができる。即ち、KNN系複合酸化物のAサイトに含まれるNa量及びK量を上記式(1)の通りに規定する限りにおいて、KNN系複合酸化物により圧電体層70を形成する際にバッファー層を設けなくてもよい。 However, in the present embodiment, the amount of Na and the amount of K contained in the A site of the KNN-based composite oxide contained in the first piezoelectric film 74a among the plurality of piezoelectric films 74 constituting the piezoelectric layer 70 are set as described above. By defining it as the formula (1), it becomes a KNN-based composite oxide that is preferentially oriented to the (100) plane and has excellent crystallinity (the orientation is good), and has a composition advantageous for piezoelectric characteristics. A piezoelectric layer 70 containing the composite oxide having the same can be obtained. That is, as long as the amount of Na and the amount of K contained in the A site of the KNN-based composite oxide are specified as in the above formula (1), the buffer layer is formed when the piezoelectric layer 70 is formed by the KNN-based composite oxide. It does not have to be provided.

また、第1の圧電体膜74aを構成する圧電材料としてKNN系複合酸化物を用い、その上層に形成する複数の圧電体膜74を構成する圧電材料としてKNN系複合酸化物以外のペロブスカイト型複合酸化物を用いることもできる。KNN系複合酸化物以外のペロブスカイト型複合酸化物は、上述した非鉛系圧電材料や鉛系圧電材料であってもよい。この場合、Aサイトに含まれるNa量及びK量を上記式(1)の通りに規定したKNN系複合酸化物を用いた第1の圧電体膜74aが、バッファー層として機能する。これにより、結晶の配向性及び規則性に優れたペロブスカイト型複合酸化物を含んだ複数の圧電体膜74を形成することができる。 Further, a KNN-based composite oxide is used as the piezoelectric material constituting the first piezoelectric film 74a, and a perovskite-type composite other than the KNN-based composite oxide is used as the piezoelectric material constituting the plurality of piezoelectric film 74 formed on the upper layer thereof. Oxides can also be used. The perovskite-type composite oxide other than the KNN-based composite oxide may be the lead-free piezoelectric material or the lead-based piezoelectric material described above. In this case, the first piezoelectric film 74a using the KNN-based composite oxide in which the amount of Na and the amount of K contained in the A site are defined as in the above formula (1) functions as a buffer layer. This makes it possible to form a plurality of piezoelectric films 74 containing a perovskite-type composite oxide having excellent crystal orientation and regularity.

更に、Na量及びK量を上記式(1)の通りに規定した第1の圧電体膜74aを、配向制御層として用いることで、例えば(110)面や(111)面に優先配向しやすい圧電材料を含んだ圧電体膜74を複数層形成して圧電体層70を得たとしても、結晶の面方位を(100)方向に優先配向させやすい。例えば、この第1の圧電体膜74aを配向制御層として用いることで、この配向制御層なしでは(100)の結晶面に優先配向させることが困難な、ニオブ酸カリウム(KNbO)、チタン酸ビスマスナトリウム((Bi0.5,Na0.5)TiO)、鉄酸ビスマス(BiFeO)等を配向させることができる。
そして、結晶の配向性及び結晶性に優れた圧電体層70は、ランダム配向又は他の結晶面に優先配向した圧電体層に比べて、各種の特性の向上を図りやすいという利点を有する。
Further, by using the first piezoelectric film 74a in which the amount of Na and the amount of K are defined as in the above formula (1) as the orientation control layer, it is easy to preferentially orient the planes (110) and (111), for example. Even if a plurality of layers of the piezoelectric film 74 containing the piezoelectric material are formed to obtain the piezoelectric layer 70, the plane orientation of the crystal is likely to be preferentially oriented in the (100) direction. For example, by using this first piezoelectric film 74a as an orientation control layer, it is difficult to preferentially orient the crystal plane of (100) without this orientation control layer, such as potassium niobate (KNbO 3 ) and titanoic acid. Bismuth sodium ((Bi 0.5 , Na 0.5 ) TiO 3 ), bismuth iron acid (BiFeO 3 ) and the like can be oriented.
The piezoelectric layer 70, which is excellent in crystal orientation and crystallinity, has an advantage that various properties can be easily improved as compared with a piezoelectric layer which is randomly oriented or preferentially oriented to another crystal plane.

圧電素子300において、弾性膜51の厚さを0.1μm以上2.0μm以下とし、絶縁体膜52の厚さを0.01μm以上1.0μm以下とし、密着層56の厚さを0.005μm以上0.1μm以下とし、第1電極60の厚さを0.01μm以上1.0μm以下とし、圧電体層70の厚さを0.1μm以上3.0μm以下とし、第2電極80の厚さを0.01μm以上1.0μm以下とすることが好ましい。なお、バッファー層として第1の圧電体膜74aを形成する場合には、バッファー層の厚さを0.20μm以下、好ましくは0.01μm以上0.10μm以下とする。なお、ここに挙げた各要素の厚さは何れも一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲内で変更可能である。 In the piezoelectric element 300, the thickness of the elastic film 51 is 0.1 μm or more and 2.0 μm or less, the thickness of the insulator film 52 is 0.01 μm or more and 1.0 μm or less, and the thickness of the adhesion layer 56 is 0.005 μm. The thickness of the first electrode 60 is 0.01 μm or more and 1.0 μm or less, the thickness of the piezoelectric layer 70 is 0.1 μm or more and 3.0 μm or less, and the thickness of the second electrode 80 is 0.1 μm or less. Is preferably 0.01 μm or more and 1.0 μm or less. When the first piezoelectric film 74a is formed as the buffer layer, the thickness of the buffer layer is set to 0.20 μm or less, preferably 0.01 μm or more and 0.10 μm or less. The thickness of each element listed here is an example, and can be changed without changing the gist of the present invention.

第1電極60及び第2電極80の材料は、圧電素子300を形成する際に酸化せず、導電性を維持できる電極材料であればよい。そのような材料としては、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、金(Au)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、Ti、銀(Ag)、ステンレス鋼等の金属材料;酸化イリジウム(IrO)、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)等の酸化スズ系導電材料、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)等の酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)、ニッケル酸ランタン(LaNiO)、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料;導電性ポリマー等が挙げられる。電極材料として、上記材料の何れかを単独で用いてもよく、複数の材料を積層させた積層体を用いてもよい。第1電極60の電極材料と第2電極80の電極材料は、同一であってもよく、異なっていてもよい。 The materials of the first electrode 60 and the second electrode 80 may be any electrode material that does not oxidize when forming the piezoelectric element 300 and can maintain conductivity. Such materials include, for example, metal materials such as platinum (Pt), iridium (Ir), gold (Au), aluminum (Al), copper (Cu), Ti, silver (Ag), stainless steel; iridium oxide. (IrO X), indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide-based conductive material such as tin oxide (FTO), zinc oxide-based conductive material such as gallium-doped zinc oxide (GZO), strontium ruthenate (SrRuO 3), Oxide conductive materials such as lanthanum nickate (LaNiO 3 ) and element-doped strontium ruthenate; conductive polymers and the like can be mentioned. As the electrode material, any of the above materials may be used alone, or a laminate in which a plurality of materials are laminated may be used. The electrode material of the first electrode 60 and the electrode material of the second electrode 80 may be the same or different.

(圧電素子の製造方法)
次に、圧電素子300の製造方法の一例について、記録ヘッド1の製造方法とあわせて、図面を参照して説明する。図6から図12は、インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図である。
(Manufacturing method of piezoelectric element)
Next, an example of the manufacturing method of the piezoelectric element 300 will be described together with the manufacturing method of the recording head 1 with reference to the drawings. 6 to 12 are cross-sectional views illustrating a manufacturing example of an inkjet recording head.

まず、図6に示すように、基板10としてSi単結晶基板を準備する。次に、基板10を熱酸化することによって、その表面にSiOからなる弾性膜51を形成する。更に、弾性膜51上にスパッタリング法や蒸着法等でジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することによって、ZrOからなる絶縁体膜52を得る。このようにして、基板10上に、弾性膜51と絶縁体膜52とからなる振動板50を形成する。次いで、絶縁体膜52上に、TiOからなる密着層56を形成する。密着層56は、スパッタリング法やTi膜の熱酸化等により形成することができる。次いで、密着層56上に、Ptからなる第1電極60を形成する。第1電極60は、電極材料に応じて適宜選択することができ、例えばスパッタリング法、真空蒸着法(PVD法)、レーザーアブレーション法等の気相成膜、スピンコート法等の液相成膜等により形成することができる。 First, as shown in FIG. 6, a Si single crystal substrate is prepared as the substrate 10. Next, the substrate 10 is thermally oxidized to form an elastic film 51 made of SiO 2 on its surface. Further, a zirconium film is formed on the elastic film 51 by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like, and the zirconium film is thermally oxidized to obtain an insulator film 52 made of ZrO 2. In this way, the diaphragm 50 composed of the elastic film 51 and the insulator film 52 is formed on the substrate 10. Next, the adhesion layer 56 made of TiO X is formed on the insulator film 52. The adhesion layer 56 can be formed by a sputtering method, thermal oxidation of a Ti film, or the like. Next, the first electrode 60 made of Pt is formed on the close contact layer 56. The first electrode 60 can be appropriately selected depending on the electrode material, for example, vapor deposition such as sputtering method, vacuum vapor deposition method (PVD method), laser ablation method, liquid phase deposition such as spin coating method, etc. Can be formed by

次に、図7に示すように、第1電極60上に所定形状のレジスト(図示なし)をマスクとして形成し、密着層56及び第1電極60を、同時にパターニングする。密着層56及び第1電極60のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)、イオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングにより行うことができる。なお、密着層56及び第1電極60のパターニングにおける形状は、特に限定されない。 Next, as shown in FIG. 7, a resist (not shown) having a predetermined shape is formed on the first electrode 60 as a mask, and the adhesion layer 56 and the first electrode 60 are simultaneously patterned. The patterning of the adhesion layer 56 and the first electrode 60 can be performed by, for example, dry etching such as reactive ion etching (RIE) or ion milling, or wet etching using an etching solution. The shape of the close contact layer 56 and the first electrode 60 in patterning is not particularly limited.

次に、図8に示すように、第1電極60上に第1の圧電体膜74aを形成し、その上に複数の圧電体膜74を形成する。圧電体層70は、第1の圧電体膜74a及び複数層の圧電体膜74によって構成される。圧電体層70は、例えば、金属錯体を含む溶液(前駆体溶液)を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物を得る化学溶液法(湿式法)により形成することができる。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(Chemical Vapor Deposition)法、エアロゾル・デポジション法等によっても形成することができる。本実施形態では、圧電体層70の面方位を(100)方向に配向させる観点から、湿式法(液相法)を用いた。 Next, as shown in FIG. 8, a first piezoelectric film 74a is formed on the first electrode 60, and a plurality of piezoelectric films 74 are formed on the first piezoelectric film 74a. The piezoelectric layer 70 is composed of a first piezoelectric film 74a and a plurality of layers of piezoelectric film 74. The piezoelectric layer 70 can be formed, for example, by a chemical solution method (wet method) in which a solution containing a metal complex (precursor solution) is applied, dried, and then calcined at a high temperature to obtain a metal oxide. In addition, it can also be formed by a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an aerosol deposition method, or the like. In the present embodiment, the wet method (liquid phase method) is used from the viewpoint of orienting the plane orientation of the piezoelectric layer 70 in the (100) direction.

ここで、湿式法(液相法)とは、MOD法やゾル−ゲル法等の化学溶液法等により成膜する方法であり、スパッタリング法等の気相法と区別される概念である。本実施形態では、面方位が(100)方向に配向した圧電体層70を形成できるものであれば、気相法を用いてもよい。 Here, the wet method (liquid phase method) is a method of forming a film by a chemical solution method such as a MOD method or a sol-gel method, and is a concept distinguished from a gas phase method such as a sputtering method. In the present embodiment, the vapor phase method may be used as long as the piezoelectric layer 70 having a plane orientation oriented in the (100) direction can be formed.

例えば、湿式法(液相法)によって形成された圧電体層70は、詳細は後述するが、前駆体溶液を塗布して前駆体膜を形成する工程(塗布工程)、前駆体膜を乾燥する工程(乾燥工程)、乾燥した前駆体膜を加熱して脱脂する工程(脱脂工程)、及び、脱脂した前駆体膜を焼成する工程(焼成工程)までの一連の工程によって形成された第1の圧電体膜74a及び複数層の圧電体膜74を有する。即ち、圧電体層70は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。なお、上述した一連の工程において、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。 For example, the piezoelectric layer 70 formed by the wet method (liquid phase method) will be described in detail later, but is a step of applying a precursor solution to form a precursor film (coating step) and drying the precursor film. The first formed by a series of steps from a step (drying step), a step of heating and degreasing the dried precursor film (degreasing step), and a step of firing the degreased precursor film (firing step). It has a piezoelectric film 74a and a plurality of layers of piezoelectric film 74. That is, the piezoelectric layer 70 is formed by repeating a series of steps from the coating step to the firing step a plurality of times. In the series of steps described above, the firing step may be carried out after repeating the steps from the coating step to the degreasing step a plurality of times.

湿式法によって形成された層や膜は、界面を有する。湿式法によって形成された層や膜には、塗布又は焼成の形跡が残り、このような形跡は、その断面を観察したり、層内(又は膜内)における元素の濃度分布を解析したりすることによって確認可能な界面となる。界面とは、厳密には層間又は膜間の境界を意味するが、ここでは、層又は膜の境界付近を意味するものとする。湿式法によって形成された層や膜の断面を電子顕微鏡等により観察した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも色が濃い部分、又は他よりも色が薄い部分として確認される。また、元素の濃度分布を解析した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも元素の濃度が高い部分、又は他よりも元素の濃度が低い部分として確認される。圧電体層70は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数繰り返して、或いは、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に焼成工程を実施して形成される(第1の圧電体膜74a及び複数層の圧電体膜74によって構成される)ため、第1の圧電体膜74a及び各圧電体膜74に対応して、複数の界面を有することとなる。 The layer or film formed by the wet method has an interface. Evidence of coating or firing remains on the layer or film formed by the wet method, and such evidence is used for observing the cross section or analyzing the concentration distribution of elements in the layer (or in the film). This makes it a identifiable interface. Strictly speaking, the interface means the boundary between layers or films, but here, it means the vicinity of the boundary between layers or films. When the cross section of the layer or film formed by the wet method is observed with an electron microscope or the like, such an interface is a darker part than others or a color more than others near the boundary with the adjacent layer or film. Is confirmed as a thin part. In addition, when analyzing the element concentration distribution, such an interface is confirmed as a part where the element concentration is higher than others or a part where the element concentration is lower than others near the boundary with the adjacent layer or film. Will be done. The piezoelectric layer 70 is formed by repeating a series of steps from the coating step to the firing step a plurality of times, or by repeating the firing step after repeating the coating step to the degreasing step a plurality of times (the first piezoelectric layer 70). Since it is composed of the film 74a and the piezoelectric film 74 having a plurality of layers), it has a plurality of interfaces corresponding to the first piezoelectric film 74a and each piezoelectric film 74.

圧電体層70を湿式法で形成する場合の具体的な手順の例は、次の通りである。まず、金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなり、圧電体層70を形成するための前駆体溶液をそれぞれ調整する(調整工程)。そして、圧電体層70の前駆体溶液を、パターニングした第1電極60上に、スピンコート法等を用いて塗布して前駆体膜を形成する(塗布工程)。次に、この前駆体膜を所定温度、例えば130℃から250℃に加熱して一定時間乾燥させ(乾燥工程)、更に乾燥した前駆体膜を所定温度、例えば300℃から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)。更に、脱脂した前駆体膜をより高い温度、例えば500℃から800℃に加熱し、この温度で一定時間保持することによって結晶化させ、第1の圧電体膜74aを形成する(焼成工程)。この第1の圧電体膜74aを形成した後に、上記の塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回繰り返すことにより、第1の圧電体膜74a及び複数層の圧電体膜74からなる圧電体層70を形成する。 An example of a specific procedure when the piezoelectric layer 70 is formed by a wet method is as follows. First, each of the MOD solution and the sol containing the metal complex is prepared, and the precursor solution for forming the piezoelectric layer 70 is prepared (adjustment step). Then, the precursor solution of the piezoelectric layer 70 is applied onto the patterned first electrode 60 by a spin coating method or the like to form a precursor film (coating step). Next, the precursor membrane is heated to a predetermined temperature, for example, 130 ° C. to 250 ° C. and dried for a certain period of time (drying step), and the dried precursor membrane is further heated to a predetermined temperature, for example, 300 ° C. to 450 ° C. It is degreased by holding it for a certain period of time (defatting step). Further, the degreased precursor film is heated to a higher temperature, for example, 500 ° C. to 800 ° C. and held at this temperature for a certain period of time to crystallize and form the first piezoelectric film 74a (calcination step). After forming the first piezoelectric film 74a, the coating step, the drying step, the degreasing step, and the firing step are repeated a plurality of times to form the first piezoelectric film 74a and the plurality of layers of the piezoelectric film 74. The piezoelectric layer 70 is formed.

なお、上述の各前駆体溶液は、焼成により、ペロブスカイト型複合酸化物を形成し得る金属錯体を、それぞれ有機溶媒に溶解又は分散させたものである。つまり、圧電体層70の前駆体溶液は、金属錯体の中心金属として所定元素(第1の圧電体膜74aではK、Na及びNb)を含むものである。このとき、圧電体層70の前駆体溶液中に、所定元素以外の元素を含む金属錯体を更に混合してもよい。 In each of the above-mentioned precursor solutions, a metal complex capable of forming a perovskite-type composite oxide by firing is dissolved or dispersed in an organic solvent, respectively. That is, the precursor solution of the piezoelectric layer 70 contains a predetermined element (K, Na and Nb in the first piezoelectric film 74a) as the central metal of the metal complex. At this time, a metal complex containing an element other than the predetermined element may be further mixed in the precursor solution of the piezoelectric layer 70.

上記所定元素を含む金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体等を用いることができる。上述の各前駆体溶液において、これらの金属錯体の混合割合は、ペロブスカイト型複合酸化物に含まれる所定元素が所望のモル比となるように混合すればよい。 As the metal complex containing the above-mentioned predetermined element, for example, an alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex or the like can be used. In each of the above-mentioned precursor solutions, the mixing ratio of these metal complexes may be such that the predetermined elements contained in the perovskite-type composite oxide have a desired molar ratio.

例えば、第1の圧電体膜74aに含まれるKNN系複合酸化物において、Kを含む金属錯体としては、2−エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウム等が挙げられる。Naを含む金属錯体としては、2−エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等が挙げられる。Nbを含む金属錯体としては、2−エチルヘキサン酸ニオブ、ペンタエトキシニオブ等が挙げられる。添加物としてMnを加える場合、Mnを含む金属錯体としては、2−エチルヘキサン酸マンガン等が挙げられる。このとき、2種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、Kを含む金属錯体として、2−エチルへキサン酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。 For example, in the KNN-based composite oxide contained in the first piezoelectric film 74a, examples of the metal complex containing K include potassium 2-ethylhexanoate, potassium acetate and the like. Examples of the metal complex containing Na include sodium 2-ethylhexanoate, sodium acetate and the like. Examples of the metal complex containing Nb include niobium 2-ethylhexanoate and pentaethoxyniobium. When Mn is added as an additive, examples of the metal complex containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate. At this time, two or more kinds of metal complexes may be used in combination. For example, potassium 2-ethylhexanoate and potassium acetate may be used in combination as the metal complex containing K.

前駆体溶液の作製に用いられる有機溶媒としては、例えば、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、2−n−ブトキシエタノール、n−オクタン等、又はこれらの混合溶媒等が挙げられる。 Examples of the organic solvent used for preparing the precursor solution include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, octane, decane, cyclohexane, xylene, toluene, tetrahydrofuran, acetic acid, octyl acid, 2 Examples thereof include -n-butoxyethanol, n-octane and the like, or a mixed solvent thereof.

前駆体溶液は、各金属錯体の分散を安定化する添加剤を含んでもよい。このような添加剤としては、2−エチルヘキサン酸やジエタノールアミン等が挙げられる。
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。
The precursor solution may contain an additive that stabilizes the dispersion of each metal complex. Examples of such an additive include 2-ethylhexanoic acid and diethanolamine.
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.

次に、図9に示すように、圧電体層70をパターニングする。パターニングは、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングによって行うことができる。なお、圧電体層70のパターニングにおける形状は、特に限定されない。その後、パターニングした圧電体層70上に第2電極80を形成する。第2電極80は、第1電極60と同様の方法により形成することができる。 Next, as shown in FIG. 9, the piezoelectric layer 70 is patterned. Patterning can be performed by dry etching such as reactive ion etching or ion milling, or wet etching using an etching solution. The shape of the piezoelectric layer 70 in patterning is not particularly limited. Then, the second electrode 80 is formed on the patterned piezoelectric layer 70. The second electrode 80 can be formed by the same method as that of the first electrode 60.

なお、圧電体層70上に第2電極80を形成する前後で、必要に応じて600℃から800℃の温度域で再加熱処理(ポストアニール)を行ってもよい。このように、ポストアニールを行うことで、密着層56と第1電極60、第1電極60と圧電体層70、圧電体層70と第2電極80との良好な界面を、それぞれ形成することができ、且つ圧電体層70の結晶性を改善することができる。 Before and after forming the second electrode 80 on the piezoelectric layer 70, reheating treatment (post-annealing) may be performed in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C., if necessary. By performing post-annealing in this way, a good interface between the adhesion layer 56 and the first electrode 60, the first electrode 60 and the piezoelectric layer 70, and the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 is formed, respectively. And the crystallinity of the piezoelectric layer 70 can be improved.

本実施形態では、第1の圧電体膜74aの圧電材料にアルカリ金属(KやNa)が含まれる。アルカリ金属は、上記の焼成工程で第1電極60中に拡散しやすい。仮に、アルカリ金属が第1電極60を通り越して基板10に達すると、その基板10と反応を起こしてしまう。しかしながら、本実施形態では、上記のZrOからなる絶縁体膜52が、KやNaのストッパー機能を果たしている。従って、アルカリ金属がSi基板である基板10に到達することを抑制できる。 In the present embodiment, the piezoelectric material of the first piezoelectric film 74a contains an alkali metal (K or Na). The alkali metal tends to diffuse into the first electrode 60 in the above firing step. If the alkali metal passes through the first electrode 60 and reaches the substrate 10, it will react with the substrate 10. However, in the present embodiment, the insulator film 52 made of the above ZrO 2 functions as a stopper for K and Na. Therefore, it is possible to prevent the alkali metal from reaching the substrate 10 which is a Si substrate.

次いで、図示しないが、リード電極90を形成すると共に所定形状にパターニングする(図4参照)。
次に、図10に示すように、図示しない流路形成基板用ウェハーの圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる図示しない保護基板用ウェハーを、接着剤35(図4参照)を介して接合した後、流路形成基板用ウェハーを所定の厚みに薄くする。
Next, although not shown, the lead electrode 90 is formed and patterned into a predetermined shape (see FIG. 4).
Next, as shown in FIG. 10, on the piezoelectric element 300 side of the wafer for the flow path forming substrate (not shown), a wafer for a protective substrate (not shown) which is a silicon wafer and becomes a plurality of protective substrates 30 is attached to the adhesive 35 (FIG. 4). After joining through (see), the wafer for the flow path forming substrate is thinned to a predetermined thickness.

次いで、図11に示すように、流路形成基板用ウェハーにマスク膜53を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図12に示すように、流路形成基板用ウェハーを、マスク膜53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、インク供給路13、連通路14及び連通部15等(図4参照)を形成する。 Next, as shown in FIG. 11, a mask film 53 is newly formed on the wafer for the flow path forming substrate, and the mask film 53 is patterned into a predetermined shape. Then, as shown in FIG. 12, the pressure corresponding to the piezoelectric element 300 is obtained by anisotropically etching (wet etching) the wafer for the flow path forming substrate via the mask film 53 using an alkaline solution such as KOH. The generation chamber 12, the ink supply path 13, the communication passage 14, the communication portion 15, and the like (see FIG. 4) are formed.

その後は、流路形成基板用ウェハー及び保護基板用ウェハー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の保護基板用ウェハーとは反対側の面にノズル開口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等を図2に示すような一つのチップサイズの基板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(記録ヘッド1)とする。 After that, the unnecessary portion of the outer peripheral edge portion of the flow path forming substrate wafer and the protective substrate wafer is removed by cutting, for example, by dicing or the like. Then, the nozzle plate 20 having the nozzle opening 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer opposite to the protective substrate wafer is joined, and the compliance substrate 40 is joined to the protective substrate wafer to join the flow path. By dividing the wafer for forming substrate and the like into a substrate 10 and the like having one chip size as shown in FIG. 2, the inkjet recording head (recording head 1) of the present embodiment is obtained.

以下、実施例を示して本発明を更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ない。
(サンプル1の製造)
まず、6インチの(100)面のSi単結晶基板(基板10)を熱酸化することで、当該基板10の表面にSiO膜(弾性膜51)を形成した。弾性膜51上にZr膜をスパッタリング法によって成膜し、Zr膜を熱酸化することで、ZrO膜(絶縁体膜52)を形成し、弾性膜51及び絶縁体膜52からなる振動板50を形成した。次いで、絶縁体膜52上に、スパッタリング法により、Ti層を形成し、当該Ti層を熱酸化することで、TiO層(密着層56)を形成した。次いで、密着層56上に、スパッタリング法により、450℃に加熱しながらPt電極膜を形成した。次いで、Pt電極膜上に所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりPt電極膜及び密着層56を所定形状にパターニングし、Pt電極(第1電極60)を形成した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The present invention is not limited to the following examples.
(Manufacturing of sample 1)
First, a SiO 2 film (elastic film 51) was formed on the surface of the 6-inch (100) -plane Si single crystal substrate (substrate 10) by thermal oxidation. The Zr film is formed on the elastic film 51 is deposited by sputtering, Zr film by thermal oxidation, the vibration plate 50 which forms the ZrO 2 film (insulator film 52) made of an elastic film 51 and the insulating film 52 Was formed. Next, a Ti layer was formed on the insulator film 52 by a sputtering method, and the Ti layer was thermally oxidized to form a TiO X layer (adhesion layer 56). Next, a Pt electrode film was formed on the adhesion layer 56 while heating at 450 ° C. by a sputtering method. Next, a predetermined photoresist pattern was prepared on the Pt electrode film, and the Pt electrode film and the adhesion layer 56 were patterned into a predetermined shape by ion milling to form a Pt electrode (first electrode 60).

次に、2−エチルヘキサン酸カリウム、2−エチルヘキサン酸ナトリウム及び2−エチルヘキサン酸ニオブからなる前駆体溶液を調整した。この前駆体溶液を用いることにより、後述するKNN系複合酸化物からなるKNN層(圧電体層70)は、1層目のKNN膜(第1の圧電体膜74a)のK及びNaの組成比と、2層目のKNN膜(圧電体膜74)のK及びNaの組成比とが、下記表1のサンプル1に示した通りの組成である(K0.8,Na0.2)NbOとなり、Aサイト比(A/B)は1とした。 Next, a precursor solution consisting of potassium 2-ethylhexanoate, sodium 2-ethylhexanoate and niobium 2-ethylhexanoate was prepared. By using this precursor solution, the KNN layer (piezoelectric layer 70) made of the KNN-based composite oxide described later has a composition ratio of K and Na in the first KNN film (first piezoelectric film 74a). And the composition ratio of K and Na of the second layer KNN film (piezoelectric film 74) are the compositions shown in Sample 1 of Table 1 below (K 0.8 , Na 0.2 ) NbO. It was 3 , and the A site ratio (A / B) was 1.

次に、調製した前駆体溶液を、スピンコート法により、1500rpm〜3000rpmで、第1電極60が形成された基板10(以下、単に「基板10」という)上に塗布した(塗布工程)。次いで、ホットプレート上に基板10を載せ、180℃で乾燥した(乾燥工程)。次いで、ホットプレート上に基板10に対して380℃で脱脂を行った(脱脂工程)。次いで、RTA装置を使用して600℃で3分間の加熱処理を行った(焼成工程)。そして、第1の圧電体膜74aを形成した。 Next, the prepared precursor solution was applied by a spin coating method at 1500 rpm to 3000 rpm on a substrate 10 (hereinafter, simply referred to as “substrate 10”) on which the first electrode 60 was formed (application step). Next, the substrate 10 was placed on a hot plate and dried at 180 ° C. (drying step). Next, the substrate 10 was degreased on a hot plate at 380 ° C. (degreasing step). Next, a heat treatment was performed at 600 ° C. for 3 minutes using an RTA apparatus (firing step). Then, the first piezoelectric film 74a was formed.

次に、このような塗布工程から焼成工程までを1回行うことで圧電体膜74を1層形成し、計2層の圧電体膜で構成された厚さが160nmのKNN層(圧電体層70)を形成し、これをサンプル1とした。 Next, one layer of the piezoelectric film 74 is formed by performing such a coating step to a firing step once, and a KNN layer (piezoelectric layer) having a thickness of 160 nm composed of a total of two piezoelectric films is formed. 70) was formed, and this was used as sample 1.

(サンプル2〜9の製造)
圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物の組成が、下記表1に示した通りになるように前駆体溶液を調整したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、それぞれサンプル2〜9とした。なお、サンプル8は、NaNbO(NN)からなるNN層により圧電体層70が構成され、サンプル9は、KNbO(KN)からなるKN層により圧電体層70が構成されている。
(Manufacturing of samples 2-9)
The piezoelectric layer 70 was formed in the same manner as in Sample 1 except that the precursor solution was adjusted so that the composition of the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 was as shown in Table 1 below. Samples 2 to 9 were used, respectively. In sample 8, the piezoelectric layer 70 is composed of an NN layer made of NaNbO 3 (NN), and in sample 9, the piezoelectric layer 70 is made up of a KN layer made of KNbO 3 (KN).

Figure 0006932966
Figure 0006932966

(サンプル10〜15の製造)
最も強度が高かったサンプル5(Na/(Na+K)=0.6)のNa比を固定して、Aサイト比(A/B)を変更したサンプル10〜15を作製した。サンプル10〜15において、K及びNaの量が過剰である場合はA>1であり、K及びNaの量が不足している場合はA<1である。圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物の組成が、下記表2に示した通りになるように前駆体溶液を調整したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、それぞれサンプル10〜15とした。
(Manufacturing of samples 10 to 15)
Samples 10 to 15 in which the Na ratio of sample 5 (Na / (Na + K) = 0.6) having the highest intensity was fixed and the A site ratio (A / B) was changed were prepared. In samples 10 to 15, A> 1 when the amount of K and Na is excessive, and A <1 when the amount of K and Na is insufficient. The piezoelectric layer 70 was formed in the same manner as in Sample 1 except that the precursor solution was adjusted so that the composition of the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 was as shown in Table 2 below. Samples 10 to 15 were used, respectively.

Figure 0006932966
Figure 0006932966

(サンプル16〜21の製造)
サンプル6(Na/(Na+K)=0.8)のNa比を固定して、Aサイト比(A/B)を変更したサンプル16〜21を作製した。圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物の組成が、下記表3に示した通りになるように前駆体溶液を調整したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、それぞれサンプル16〜21とした。
(Manufacturing of samples 16 to 21)
The Na ratio of sample 6 (Na / (Na + K) = 0.8) was fixed to prepare samples 16 to 21 in which the A site ratio (A / B) was changed. The piezoelectric layer 70 was formed in the same manner as in Sample 1 except that the precursor solution was adjusted so that the composition of the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 was as shown in Table 3 below. Samples 16 to 21 were used, respectively.

Figure 0006932966
Figure 0006932966

(サンプル22の製造)
圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物が、第1の圧電体膜74aのK、Na及びMnの組成比と、2層目の圧電体膜74のK、Na及びMnの組成比とが、下記表4に示した通りの組成である(K0.4,Na0.6)(Nb0.995Mn0.005)Oとなるように前駆体溶液を調整したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、サンプル22とした。
(Manufacturing of sample 22)
The KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a composition ratio of K, Na and Mn of the first piezoelectric film 74a and a composition ratio of K, Na and Mn of the second piezoelectric film 74. There is a composition as shown in table 4 (K 0.4, Na 0.6) (Nb 0.995 Mn 0.005) except that by adjusting the precursor solution to a O 3 sample The piezoelectric layer 70 was formed in the same manner as in 1, and used as sample 22.

(サンプル23の製造)
圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物における第1の圧電体膜74aのK及びNaの組成比が下記表4に示した通りの組成である(K0.4,Na0.6)NbOとなるように前駆体溶液を調整し、更に、NaNbO(NN)用の前駆体溶液を調製して2層目の圧電体膜74を形成したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、サンプル23とした。
(Manufacturing of sample 23)
The composition ratio of K and Na in the first piezoelectric film 74a in the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 is as shown in Table 4 below (K 0.4 , Na 0.6 ). Piezoelectricity is the same as in sample 1 except that the precursor solution is adjusted to NbO 3 and the precursor solution for NaNbO 3 (NN) is prepared to form the second layer piezoelectric film 74. A body layer 70 was formed and used as sample 23.

(サンプル24の製造)
圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物における第1の圧電体膜74aのK及びNaの組成比が下記表4に示した通りの組成である(K0.4,Na0.6)NbOとなるように前駆体溶液を調整し、更に、(Bi0.5,Na0.5)TiO(BNT)用の前駆体溶液を調製して2層目の圧電体膜74を形成したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、サンプル24とした。
(Manufacturing of sample 24)
The composition ratio of K and Na in the first piezoelectric film 74a in the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 is as shown in Table 4 below (K 0.4 , Na 0.6 ). The precursor solution is adjusted to NbO 3, and the precursor solution for (Bi 0.5 , Na 0.5 ) TiO 3 (BNT) is further prepared to form the second layer piezoelectric film 74. The piezoelectric layer 70 was formed in the same manner as in Sample 1 except for the above, and used as Sample 24.

(サンプル25の製造)
圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物における第1の圧電体膜74aのK及びNaの組成比が下記表4に示した通りの組成である(K0.4,Na0.6)NbOとなるように前駆体溶液を調整し、更に、BiFeO(BF)用の前駆体溶液を調製して2層目の圧電体膜74を形成したこと以外はサンプル1と同様にして圧電体層70を形成し、サンプル25とした。
(Manufacturing of sample 25)
The composition ratio of K and Na in the first piezoelectric film 74a in the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 is as shown in Table 4 below (K 0.4 , Na 0.6 ). Piezoelectricity is the same as in sample 1 except that the precursor solution is adjusted to NbO 3 and the precursor solution for BiFeO 3 (BF) is prepared to form the second layer piezoelectric film 74. A body layer 70 was formed and used as a sample 25.

Figure 0006932966
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(XRD測定)
サンプル1〜25について、ブルカー・エイエックスエス株式会社製の「D8 Discover」を使用し、X線回折(XRD:X−ray diffraction)法により、圧電体層70のX線回折パターンの測定を室温で行った。この測定に際し、線源はCuKα、X線コリメータは0.1mmφ、検出器は2次元検出器(GADDS)を使用した。測定時の管電圧及び管電流はそれぞれ、50kV、100mAとした。測定条件は、ωを10とし、2θを35とし、積算時間を120秒とした。ここで得られた2次元測定結果を、積分範囲2θ=20〜50、χ=−95〜−85で1次元回折パターンとして、回折強度(ピーク強度)(Counts)及び半値幅(°)を算出した。
(XRD measurement)
For samples 1 to 25, the X-ray diffraction pattern of the piezoelectric layer 70 was measured at room temperature by the X-ray diffraction (XRD) method using "D8 Discovery" manufactured by Bruker AXS Co., Ltd. I went there. In this measurement, the radiation source was CuKα, the X-ray collimator was 0.1 mmφ, and the detector was a two-dimensional detector (GADDS). The tube voltage and tube current at the time of measurement were set to 50 kV and 100 mA, respectively. The measurement conditions were ω as 10, 2θ as 35, and the integration time as 120 seconds. Using the two-dimensional measurement results obtained here as a one-dimensional diffraction pattern with an integration range of 2θ = 20 to 50 and χ = -95 to -85, the diffraction intensity (peak intensity) (Counts) and full width at half maximum (°) are calculated. bottom.

一般に、KNN層(圧電体層70)のX線回折パターンでは、2θが22.5°近傍に(100)面に由来するピーク、32.0°近傍に(110)面に由来するピークが観察される。サンプル1〜7、サンプル11〜15及びサンプル17〜25は、2θが22.5°近傍にピークが観察され、32.0°近傍にピークが観察されなかった。これにより、サンプル1〜7、サンプル11〜15及びサンプル17〜25の圧電体層70は、(100)面に優先配向していることがわかった。また、各サンプルの(100)面に由来するピークの強度(Counts)及び半値幅(°)を算出して、これらを表1〜4に示した。なお、サンプル8〜10及びサンプル16は、(100)面に由来するピークが観察されなかったため、その強度が0になり半値幅を算出することができなかった。 Generally, in the X-ray diffraction pattern of the KNN layer (piezoelectric layer 70), a peak derived from the (100) plane is observed in the vicinity of 2θ of 22.5 °, and a peak derived from the (110) plane is observed in the vicinity of 32.0 °. Will be done. In Samples 1 to 7, Samples 11 to 15, and Samples 17 to 25, a peak was observed in the vicinity of 22.5 ° for 2θ, and no peak was observed in the vicinity of 32.0 °. As a result, it was found that the piezoelectric layers 70 of Samples 1 to 7, Samples 11 to 15, and Samples 17 to 25 were preferentially oriented toward the (100) plane. In addition, the intensity (Counts) and full width at half maximum (°) of the peak derived from the (100) plane of each sample were calculated and shown in Tables 1 to 4. Since no peak derived from the (100) plane was observed in Samples 8 to 10 and Sample 16, the intensity became 0 and the full width at half maximum could not be calculated.

また、表1〜3に基づき、各サンプルにおける組成比、半値幅及びピーク強度の関係をグラフ化した。図13は、サンプル1〜9のNa比、半値幅及び強度の関係を示すグラフであり、図14は、サンプル10〜15のAサイト比、半値幅及び強度の関係を示すグラフであり、図15は、サンプル16〜21のAサイト比、半値幅及び強度の関係を示すグラフである。 Further, based on Tables 1 to 3, the relationship between the composition ratio, the full width at half maximum and the peak intensity in each sample was graphed. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the Na ratio, the full width at half maximum and the intensity of samples 1 to 9, and FIG. 14 is a graph showing the relationship between the A site ratio, the full width at half maximum and the intensity of samples 10 to 15. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the A-site ratio, the full width at half maximum and the intensity of the samples 16 to 21.

表1〜4及び図13〜15に示した通り、第1の圧電体膜74aを構成するKNN系複合酸化物のAサイトに含まれるカリウム及びナトリウムの組成比が0.5<Na/(Na+K)≦0.9の範囲内にあるサンプル4〜7は、(100)面に由来するピークの強度(Counts)が大きく、その半値幅(°)が0.55°以下であることが確認された。即ち、圧電体層70を構成するKNN系複合酸化物のカリウム及びナトリウムの組成比、及びBサイトに対するAサイトのモル比(A/B)を所定範囲内に調整することで、KNN系複合酸化物を(100)面に優先配向させ、且つ結晶性に優れた圧電体層70が得られることが明らかとなった。 As shown in Tables 1 to 4 and FIGS. 13 to 15, the composition ratio of potassium and sodium contained in the A site of the KNN-based composite oxide constituting the first piezoelectric film 74a is 0.5 <Na / (Na + K). ) ≤ 0.9, it was confirmed that the samples 4 to 7 had a large peak intensity (Counts) derived from the (100) plane and a half width (°) of 0.55 ° or less. rice field. That is, by adjusting the composition ratio of potassium and sodium of the KNN-based composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 and the molar ratio (A / B) of A-site to B-site within a predetermined range, KNN-based composite oxidation It has been clarified that the piezoelectric layer 70, in which the material is preferentially oriented to the (100) plane and has excellent crystallinity, can be obtained.

また、上記に加えてKNN系複合酸化物のBサイトに対するAサイトのモル比(A/B)が0.8<A/B≦1.4の範囲内にあるサンプル11〜15及びサンプル17〜21や、添加物として10モル%以下のMnを含むサンプル22、或いは、2層目の圧電体膜74がKNN系複合酸化物以外のペロブスカイト型複合酸化物であるサンプル23〜25についても、各種複合酸化物が配向性及び結晶性に優れていることが確認された。 In addition to the above, Samples 11 to 15 and Samples 17 to 17 in which the molar ratio (A / B) of the A site to the B site of the KNN-based composite oxide is in the range of 0.8 <A / B ≦ 1.4. 21, sample 22 containing 10 mol% or less of Mn as an additive, and samples 23 to 25 in which the second layer piezoelectric film 74 is a perovskite-type composite oxide other than the KNN-based composite oxide are also various. It was confirmed that the composite oxide was excellent in orientation and crystallinity.

なお、実施例では示されていないが、サンプル4〜7、サンプル11〜15及びサンプル17〜25のように第1の圧電体膜74aを形成し、その上層に複数の圧電体膜74を形成して圧電体層70の厚さを、例えば0.1μm以上3.0μm以下としても、各種複合酸化物の優れた配向性及び結晶性を維持することができる。 Although not shown in Examples, a first piezoelectric film 74a is formed as in Samples 4 to 7, Samples 11 to 15 and Samples 17 to 25, and a plurality of piezoelectric films 74 are formed on the upper layer thereof. Therefore, even if the thickness of the piezoelectric layer 70 is set to, for example, 0.1 μm or more and 3.0 μm or less, the excellent orientation and crystallinity of various composite oxides can be maintained.

一方、上記条件から外れたサンプル1〜3、サンプル8〜10及びサンプル16は、KNN系複合酸化物が(100)面に優先配向しない圧電体層70、或いは、その結晶の規則性(配向の向き)に劣る圧電体層70であった。 On the other hand, in Samples 1 to 3, Samples 8 to 10 and Sample 16 which do not meet the above conditions, the piezoelectric layer 70 in which the KNN-based composite oxide is not preferentially oriented on the (100) plane, or the regularity (orientation) of the crystals thereof. The piezoelectric layer 70 was inferior in orientation).

(他の実施形態)
上記実施形態では、圧電素子応用デバイスの一例として、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドを挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、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、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。インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドとしては、例えば、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ディスプレイの発光層及び電荷輸送層の形成に用いられる有機EL材料噴射ヘッド、電極前駆動体溶液の描画により電極パターンを形成する電極材料噴射ヘッド、材料の噴射と光や熱による材料の硬化を繰り返すことで3次元の任意造形(3Dプリント)を行う硬化材料噴射ヘッド、圧電材料前駆体溶液の描画と熱処理により任意の圧電素子パターンを形成する圧電材料噴射ヘッド、バイオチップの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。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the liquid injection head mounted on the liquid injection device has been described as an example of the piezoelectric element application device, but the scope of application of the present invention is not limited to this. Further, although the inkjet recording head has been described as an example of the liquid injection head, the present invention can of course be applied to a liquid injection head that injects a liquid other than ink. Examples of the liquid injection head for injecting a liquid other than ink include a color material injection head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, and an organic EL material injection used for forming a light emitting layer and a charge transport layer of an organic EL display. Head, electrode material injection head that forms an electrode pattern by drawing the electrode pre-drive body solution, curing material injection head that performs three-dimensional arbitrary modeling (3D printing) by repeating material injection and material curing by light or heat Examples thereof include a piezoelectric material injection head that forms an arbitrary piezoelectric element pattern by drawing a piezoelectric material precursor solution and heat treatment, a bioorganic substance injection head used for manufacturing a biochip, and the like.

本発明の圧電素子及び圧電素子応用デバイスは、高い圧電特性を有することから、圧電アクチュエーターに好適に用いることができる。具体的な圧電アクチュエーター装置としては、例えば、超音波発信機、超音波モーター、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、圧電スピーカー、圧電ポンプ、温度−電気変換器、圧力−電気変換器等が挙げられる。 Since the piezoelectric element and the piezoelectric element application device of the present invention have high piezoelectric characteristics, they can be suitably used for piezoelectric actuators. Specific examples of the piezoelectric actuator device include an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a vibration dust removing device, a piezoelectric transformer, a piezoelectric speaker, a piezoelectric pump, a temperature-electric converter, and a pressure-electric converter. ..

本発明の圧電素子及び圧電素子応用デバイスは、高い圧電性能を有することから、圧電方式のセンサー素子に好適に用いることができる。具体的なセンサー素子としては、例えば、超音波検出器(超音波センサー)、角速度センサー(ジャイロセンサー)、加速度センサー、振動センサー、傾きセンサー、圧力センサー、衝突センサー、人感センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、熱検知センサー(感熱センサー)、焦電センサー、圧電センサー等が挙げられる。その他、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等に適用されてもよい。 Since the piezoelectric element and the piezoelectric element application device of the present invention have high piezoelectric performance, they can be suitably used for piezoelectric sensor elements. Specific sensor elements include, for example, an ultrasonic detector (ultrasonic sensor), an angular velocity sensor (gyro sensor), an acceleration sensor, a vibration sensor, a tilt sensor, a pressure sensor, a collision sensor, a human sensor, an infrared sensor, and terahertz. Examples include sensors, heat detection sensors (heat sensitive sensors), charcoal sensors, piezoelectric sensors, and the like. In addition, it may be applied to a filter such as a filter for blocking harmful rays such as infrared rays, an optical filter using a photonic crystal effect by forming quantum dots, and an optical filter using light interference of a thin film.

超音波センサーが搭載された超音波測定装置にあっては、例えば、本発明の圧電素子と、本発明の圧電素子により発信される超音波及び本発明の圧電素子により受信される超音波の少なくとも一方に基づく信号を利用して検出対象を測定する制御手段とを具備することで超音波測定装置を構成することもできる。このような超音波測定装置は、超音波を発信した時点から、その発信した超音波が測定対象物に反射されて戻ってくるエコー信号を受信する時点までの時間に基づいて、測定対象物の位置、形状及び速度等に関する情報を得るものであり、超音波を発生するための素子や、エコー信号を検知するための素子として圧電素子が用いられることがある。このような超音波発生素子やエコー信号検知素子として、優れた変位特性を有する超音波測定装置を提供することができる。 In an ultrasonic measuring device equipped with an ultrasonic sensor, for example, at least the piezoelectric element of the present invention, the ultrasonic waves transmitted by the piezoelectric element of the present invention, and the ultrasonic waves received by the piezoelectric element of the present invention. An ultrasonic measuring device can also be configured by providing a control means for measuring a detection target using a signal based on one of them. Such an ultrasonic measuring device is based on the time from the time when the ultrasonic wave is transmitted to the time when the transmitted ultrasonic wave is reflected by the measurement object and receives the echo signal returned. A piezoelectric element may be used as an element for generating ultrasonic waves or an element for detecting an echo signal, which obtains information on a position, a shape, a speed, and the like. As such an ultrasonic wave generating element or an echo signal detecting element, it is possible to provide an ultrasonic wave measuring device having excellent displacement characteristics.

本発明の圧電素子及び圧電素子応用デバイスは、高い強誘電性を有することから、強誘電体素子に好適に用いることができる。具体的な強誘電体素子としては、例えば、強誘電体メモリー(FeRAM)、強誘電体トランジスター(FeFET)、強誘電体演算回路(FeLogic)、強誘電体キャパシター等が挙げられる。 Since the piezoelectric element and the piezoelectric element application device of the present invention have high ferroelectricity, they can be suitably used for ferroelectric elements. Specific examples of the ferroelectric element include a ferroelectric memory (FeRAM), a ferroelectric transistor (FeFET), a ferroelectric arithmetic circuit (FeLogic), and a ferroelectric capacitor.

本発明の圧電素子及び圧電素子応用デバイスは、電圧によりドメイン分域を制御することができるため、電圧制御型の光学素子に好適に用いることができる。具体的な光学素子としては、例えば、波長変換器、光導波路、光路変調器、屈折率制御素子、電子シャッター機構等が挙げられる。 Since the piezoelectric element and the piezoelectric element application device of the present invention can control the domain domain by voltage, they can be suitably used for voltage-controlled optical elements. Specific examples of the optical element include a wavelength converter, an optical waveguide, an optical path modulator, a refractive index control element, an electronic shutter mechanism, and the like.

本発明の圧電素子及び圧電素子応用デバイスは、良好な焦電特性を示すことから、焦電素子に好適に用いることができ、また、上述した各種モーターを駆動源として利用したロボット等にも適用することができる。 Since the piezoelectric element and the piezoelectric element application device of the present invention exhibit good pyroelectric characteristics, they can be suitably used for pyroelectric elements, and are also applied to robots and the like using the above-mentioned various motors as drive sources. can do.

I…記録装置、II…ヘッドユニット、S…記録シート、1…記録ヘッド、2A,2B…カートリッジ、3…キャリッジ、4…装置本体、5…キャリッジ軸、6…駆動モーター、7…タイミングベルト、8…搬送ローラー、10…基板、11…隔壁、12…圧力発生室、13…インク供給路、14…連通路、15…連通部、20…ノズルプレート、21…ノズル開口、30…保護基板、31…圧電素子保持部、32…マニホールド部、33…貫通孔、35…接着剤、40…コンプライアンス基板、41…封止膜、42…固定板、43…開口部、50…振動板、51…弾性膜、52…絶縁体膜、53…マスク膜、56…密着層、60…第1電極、70…圧電体層、74…圧電体膜、74a…第1の圧電体膜、80…第2電極、90…リード電極、100…マニホールド、120…駆動回路、121…接続配線、200…プリンターコントローラー、300…圧電素子 I ... Recording device, II ... Head unit, S ... Recording sheet, 1 ... Recording head, 2A, 2B ... Cartridge, 3 ... Carriage, 4 ... Device body, 5 ... Carriage shaft, 6 ... Drive motor, 7 ... Timing belt, 8 ... Conveying roller, 10 ... Substrate, 11 ... Partition, 12 ... Pressure generating chamber, 13 ... Ink supply path, 14 ... Communication passage, 15 ... Communication part, 20 ... Nozzle plate, 21 ... Nozzle opening, 30 ... Protective substrate, 31 ... Piezoelectric element holding part, 32 ... Manifold part, 33 ... Through hole, 35 ... Adhesive, 40 ... Compliance substrate, 41 ... Sealing film, 42 ... Fixing plate, 43 ... Opening, 50 ... Vibrating plate, 51 ... Elastic film, 52 ... Insulator film, 53 ... Mask film, 56 ... Adhesive layer, 60 ... First electrode, 70 ... Piezoelectric layer, 74 ... Piezoelectric film, 74a ... First piezoelectric film, 80 ... Second Electrode, 90 ... Lead electrode, 100 ... Manifold, 120 ... Drive circuit, 121 ... Connection wiring, 200 ... Printer controller, 300 ... Piezoelectric element

Claims (5)

第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に挟持され、一般式ABO3で表されるペロブスカ
イト型複合酸化物の結晶を含む複数の圧電体膜の積層体である圧電体層とを有する圧電素
子であって、
前記複数の圧電体膜のうち、前記第1電極の直上に形成された第1の圧電体膜は、(1
00)面に優先配向し、カリウム、ナトリウム及びニオブを含んだペロブスカイト型複合
酸化物を有し、該ペロブスカイト型複合酸化物のAサイトに含まれるナトリウム量がカリ
ウム量よりも多く、
前記複数の圧電体膜のうち、前記第1の圧電体膜上に形成された第2の圧電体膜は、(
100)面に優先配向し、ビスマス、ナトリウム及び、チタンを含んだペロブスカイト型
複合酸化物を有することを特徴とする圧電素子。
With the first electrode
With the second electrode
A piezoelectric element sandwiched between the first electrode and the second electrode and having a piezoelectric layer which is a laminate of a plurality of piezoelectric films containing crystals of a perovskite-type composite oxide represented by the general formula ABO3. And
Of the plurality of piezoelectric films, the first piezoelectric film formed immediately above the first electrode is (1).
00) It has a perovskite-type composite oxide that is preferentially oriented to the plane and contains potassium, sodium, and niobium, and the amount of sodium contained in the A site of the perovskite-type composite oxide is larger than the amount of potassium.
Of the plurality of piezoelectric films, the second piezoelectric film formed on the first piezoelectric film is (
100) Perovskite type that is preferentially oriented to the surface and contains bismuth, sodium, and titanium.
A piezoelectric element having a composite oxide.
前記第1の圧電体膜は、前記ペロブスカイト型複合酸化物のAサイトに含まれるカリウ
ム(K)及びナトリウム(Na)の組成比が下記式(1)で表される関係を有することを
特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
0.5<Na/(Na+K)≦0.9 ・・・(1)
The first piezoelectric film is characterized in that the composition ratio of potassium (K) and sodium (Na) contained in the A site of the perovskite-type composite oxide has a relationship represented by the following formula (1). The piezoelectric element according to claim 1.
0.5 <Na / (Na + K) ≤ 0.9 ... (1)
前記第1の圧電体膜は、前記ペロブスカイト型複合酸化物のBサイトに対するAサイト
のモル比(A/B)が下記式(2)で表される関係を有することを特徴とする請求項1又
は請求項2に記載の圧電素子。
0.8<A/B≦1.4 ・・・(2)
Claim 1 is characterized in that the first piezoelectric film has a relationship in which the molar ratio (A / B) of A sites to B sites of the perovskite-type composite oxide is represented by the following formula (2). Alternatively, the piezoelectric element according to claim 2.
0.8 <A / B ≦ 1.4 ・ ・ ・ (2)
前記第1の圧電体膜は、X線回折法により測定した前記ペロブスカイト型複合酸化物の
結晶における(100)面に由来するピークの半値幅が0.55°以下であることを特徴
とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の圧電素子。
The first piezoelectric film is characterized in that the half-value width of the peak derived from the (100) plane in the crystal of the perovskite type composite oxide measured by the X-ray diffractometry is 0.55 ° or less. The piezoelectric element according to any one of items 1 to 3.
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とする圧電
素子応用デバイス。
A piezoelectric element application device comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4.
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