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JP2008004781A - Piezoelectric film, piezoelectric element, ink jet recording head, and ink jet recording apparatus - Google Patents

Piezoelectric film, piezoelectric element, ink jet recording head, and ink jet recording apparatus Download PDF

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JP2008004781A
JP2008004781A JP2006173306A JP2006173306A JP2008004781A JP 2008004781 A JP2008004781 A JP 2008004781A JP 2006173306 A JP2006173306 A JP 2006173306A JP 2006173306 A JP2006173306 A JP 2006173306A JP 2008004781 A JP2008004781 A JP 2008004781A
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Shigenori Yuya
重徳 祐谷
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Fujifilm Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical piezoelectric film to be comparatively easily manufactured, capable of obtaining a large piezoelectric distortion due to invertible non-180° domain rotation. <P>SOLUTION: The piezoelectric film 30 is the film which is deposited on a substrate 10 and made of perovskite oxide to be expressed by a general formula ABO<SB>3</SB>(unavoidable impurities can be included). At least a part of the piezoelectric film 30 has a composition where the A site and/or B site of the maternal perovskite oxide are partially substituted with one kind or a plurality of kinds of cation with the smaller number of ionic valency compared with substituted ion. A cationic additive amount is continuously or gradually increased from the side of the substrate 10 toward the side of a film surface 30s when viewing in a film thickness direction. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜とその成膜方法、この圧電膜を備えた圧電素子、この圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric film made of a perovskite oxide and a film forming method thereof, a piezoelectric element provided with the piezoelectric film, an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus using the piezoelectric element.

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電アクチュエータ等の用途に使用されている。圧電材料としては、ジルコンチタン酸鉛(PZT)等のペロブスカイト型酸化物が広く用いられている。   A piezoelectric element having a piezoelectric film having a piezoelectric property that expands and contracts as the electric field application intensity increases and decreases, and an electrode that applies an electric field to the piezoelectric film is used for applications such as a piezoelectric actuator mounted on an ink jet recording head. in use. As the piezoelectric material, perovskite oxides such as lead zirconate titanate (PZT) are widely used.

かかる圧電材料は電界無印加時において自発分極性を有する強誘電体であり、従来の圧電素子では、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、分極軸方向に伸びる圧電歪(真の圧電歪)を利用することが一般的であった。しかしながら、強誘電体の上記圧電歪を利用するだけでは歪変位量に限界があり、より大きな歪変位量が求められるようになってきている。かかる背景下、可逆的非180°ドメイン回転を利用した圧電素子が提案されている。   Such a piezoelectric material is a ferroelectric material having spontaneous polarization when no electric field is applied. In a conventional piezoelectric element, a piezoelectric material that extends in the direction of the polarization axis by applying an electric field in a direction that matches the polarization axis of the ferroelectric material. It has been common to use strain (true piezoelectric strain). However, there is a limit to the amount of strain displacement only by using the piezoelectric strain of the ferroelectric material, and a larger amount of strain displacement has been demanded. Under such background, a piezoelectric element using reversible non-180 ° domain rotation has been proposed.

正方晶系をモデルとして説明すれば、a軸が電界印加方向に配向したaドメインが、電界印加によって、c軸が電界印加方向に配向したcドメインに90°ドメイン回転すると、結晶格子の長軸方向が90°回転して、通常の圧電歪よりも大きな圧電歪が得られる(図2(b)を参照)。   If the tetragonal system is described as a model, when the a domain in which the a axis is oriented in the electric field application direction is rotated 90 ° domain by the electric field application to the c domain in which the c axis is oriented in the electric field application direction, the major axis of the crystal lattice When the direction is rotated by 90 °, a piezoelectric strain larger than the normal piezoelectric strain is obtained (see FIG. 2B).

上記のような非180°ドメイン回転自体は従来より知られているが、非180°ドメイン回転は通常不可逆であるため、その有用性は低かった。特許文献1及び非特許文献1には、移動性の点欠陥が、その短範囲秩序の対称性が強誘電相の結晶対称性に一致するように配置された圧電材料が開示されており、該材料において可逆的非180°ドメイン回転が起こることが報告されている。   The non-180 ° domain rotation itself as described above has been conventionally known. However, since the non-180 ° domain rotation is usually irreversible, its usefulness is low. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a piezoelectric material in which a mobile point defect is arranged such that the short-range order symmetry coincides with the crystal symmetry of a ferroelectric phase. It has been reported that reversible non-180 ° domain rotation occurs in materials.

特許文献1及び非特許文献1では、上記圧電材料で可逆的非180°ドメイン回転の起こる理由が、以下のように説明されている(特許文献1の図2を参照)。
常誘電相から冷却により強誘電相に相転移した直後では、点欠陥の短範囲秩序は存在しないが、時効処理を施して点欠陥を拡散させることにより、点欠陥の短範囲秩序が現れ、しかもその短範囲秩序は点欠陥の属する強誘電ドメインの結晶対称性に揃えることができる。この状態は、点欠陥の短範囲秩序による分極軸がその点欠陥の属するドメインの分極軸に揃った状態であり、最も安定である。この状態で電界を印加すると、一部のドメインでは非180°ドメイン回転が起こる。電界を印加しても点欠陥の短範囲秩序による分極軸は回転しないので、非180°ドメイン回転が起こったドメインでは、点欠陥の分極軸とその点欠陥の属するドメインの分極軸とが異なる状態となる。この状態は不安定であるので、電界を取り除くと、点欠陥の分極軸がその点欠陥の属するドメインの自発分極軸に揃った安定な状態に戻りやすく、非180°ドメイン回転を可逆的に起こすことができる。
In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the reason why reversible non-180 ° domain rotation occurs in the piezoelectric material is described as follows (see FIG. 2 of Patent Document 1).
Immediately after the phase transition from the paraelectric phase to the ferroelectric phase by cooling, there is no short-range order of point defects, but short-range order of point defects appears by diffusing point defects by aging treatment. The short range order can be aligned with the crystal symmetry of the ferroelectric domain to which point defects belong. This state is the most stable because the polarization axis due to the short range order of the point defect is aligned with the polarization axis of the domain to which the point defect belongs. When an electric field is applied in this state, non-180 ° domain rotation occurs in some domains. Even if an electric field is applied, the polarization axis due to the short-range order of point defects does not rotate. Therefore, in a domain where non-180 ° domain rotation has occurred, the polarization axis of the point defect is different from the polarization axis of the domain to which the point defect belongs. It becomes. Since this state is unstable, when the electric field is removed, the polarization axis of the point defect tends to return to a stable state aligned with the spontaneous polarization axis of the domain to which the point defect belongs, and non-180 ° domain rotation occurs reversibly. be able to.

特許文献1及び非特許文献1では、(1)BaTiO単結晶をフラックス法により作製し、冷却後にキュリー点以下の温度で時効処理したサンプル(実施例1)、(2)BaTiOにKを少量添加した(BaK)TiO単結晶をフラックス法により作製し、冷却後にキュリー点以下の温度で時効処理したサンプル(実施例2)、(3)(Pb,La)(Zr,Ti)Oセラミックス(PLZT)を室温で30日間時効したサンプル(実施例3)、(4)BaTiOにFeを少量添加した単結晶(Fe−BT)を作製し、80℃の温度で5日間時効処理したサンプル(実施例5)などが調製されている。 In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, (1) a BaTiO 3 single crystal prepared by a flux method, and a sample subjected to aging treatment at a temperature below the Curie point after cooling (Example 1), (2) K was added to BaTiO 3. Samples (Example 2), (3) (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 prepared by a small amount of (BaK) TiO 3 single crystal prepared by the flux method and aged at a temperature below the Curie point after cooling. Sample (Example 3) obtained by aging ceramics (PLZT) at room temperature for 30 days, (4) Single crystal (Fe-BT) obtained by adding a small amount of Fe to BaTiO 3 and aging treatment at a temperature of 80 ° C. for 5 days Samples (Example 5) and the like have been prepared.

図9に、代表として上記サンプル(4)の電界歪特性を示しておく(この図は特許文献1の図7である。)。同図には、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、分極軸方向に伸びる通常の圧電歪のみを利用したPZT−PT単結晶とPZTセラミックスの電界歪特性についても合わせて図示されている。
この図には、可逆的非180°ドメイン回転を利用することで、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、分極軸方向に伸びる通常の圧電歪のみを利用するよりも、はるかに大きな圧電歪が得られることが示されている。
特開2004-363557号公報 Xiaobing Ren, Nature-Materials 3(2004)p91
FIG. 9 shows the electric field distortion characteristics of the sample (4) as a representative (this figure is FIG. 7 of Patent Document 1). The figure also shows the field strain characteristics of PZT-PT single crystals and PZT ceramics that use only normal piezoelectric strain that extends in the direction of the polarization axis by applying an electric field in the direction that matches the polarization axis of the ferroelectric. It is shown together.
In this figure, by using reversible non-180 ° domain rotation, by applying an electric field in the direction in line with the polarization axis of the ferroelectric, only the normal piezoelectric strain extending in the polarization axis direction is used. However, it has been shown that a much larger piezoelectric strain can be obtained.
JP 2004-363557 A Xiaobing Ren, Nature-Materials 3 (2004) p91

特許文献1では、単結晶体あるいはバルクセラミックス体についてのみサンプルが調製されており、非180°ドメイン回転を可逆的に起こす圧電膜の製法等について記載がなく、圧電膜への応用については具体的に記載されていない。   In Patent Document 1, a sample is prepared only for a single crystal body or a bulk ceramic body, and there is no description about a manufacturing method of a piezoelectric film that causes non-180 ° domain rotation reversibly, and the application to a piezoelectric film is specific. Is not listed.

また、図9に示すように、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、分極軸方向に伸びる通常の圧電歪(真の圧電歪)では、歪変位量は電界印加強度に対して正比例するのに対して、可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪では、電界歪特性はヒステリシスの大きいものとなっている。かかる電界歪特性では、ある範囲では電界印加強度を増加させても歪は大きく変化せず、ある範囲を超えると電界印加強度の増加に対して急激に歪が増加する傾向にある。かかるヒステリシスの大きい電界歪特性では実用上の制約が大きく、実用化は難しい。
また、電界印加により非180°ドメイン回転させたドメインは、降電界時には元のドメイン状態に戻す必要があるが、電界挿印速度(周波数)が高くなると、所望のドメイン回転が起こらなくなる恐れもある。
In addition, as shown in FIG. 9, by applying an electric field in a direction that matches the polarization axis of the ferroelectric, normal strain (true piezoelectric strain) that extends in the direction of the polarization axis, the amount of strain displacement is the applied electric field. While directly proportional to the strength, in the case of piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation, the electric field strain characteristic has a large hysteresis. With such an electric field distortion characteristic, the strain does not change greatly even if the electric field application intensity is increased within a certain range, and when the electric field application characteristic exceeds a certain range, the distortion tends to increase abruptly as the electric field application intensity increases. Such electric field distortion characteristics with a large hysteresis have great practical limitations and are difficult to put into practical use.
In addition, a domain rotated by a non-180 ° domain by applying an electric field needs to be restored to the original domain state when the electric field is lowered. However, when the electric field marking speed (frequency) is increased, there is a possibility that desired domain rotation does not occur. .

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、可逆的非180°ドメイン回転による大きな圧電歪を得ることができ、しかも比較的製造がしやすく、実用的な圧電膜を提供することを目的とするものである。本発明はまた、可逆的非180°ドメイン回転を利用した場合の電界歪特性のヒステリシスや周波数特性を改善することができ、実用上好適な圧電膜を提供することを目的とするものである。
本発明はまた、上記圧電膜を用いた圧電素子、該圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a practical piezoelectric film that can obtain a large piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation and is relatively easy to manufacture. It is what. Another object of the present invention is to provide a practically suitable piezoelectric film that can improve the hysteresis and frequency characteristics of electric field distortion characteristics when reversible non-180 ° domain rotation is used.
Another object of the present invention is to provide a piezoelectric element using the piezoelectric film, an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus using the piezoelectric element.

本発明の圧電膜は、基板上に成膜された、一般式ABO(式中、A:Aサイトをなす少なくとも1種の金属元素、B:Bサイトをなす少なくとも1種の金属元素、O:酸素原子、Aサイト元素のモル数が1.0であり、かつBサイト元素のモル数が1.0である場合が標準であるが、Aサイト元素とBサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい)において、
少なくとも一部は、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有しており、
かつ、膜厚方向に見て、前記基板側から膜表面側に向けて、前記カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなっていることを特徴とするものである。
The piezoelectric film of the present invention has a general formula ABO 3 (wherein A: at least one metal element forming an A site, B: at least one metal element forming a B site, O : The standard number of moles of oxygen atoms and A-site elements is 1.0 and the number of moles of B-site elements is 1.0, but the number of moles of A-site elements and B-site elements is a perovskite structure. In a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of a perovskite oxide represented by the following formula:
At least a part has a composition in which part of the A site and / or B site of the parent perovskite oxide is substituted with one or more kinds of cations having a smaller ionic valence than the substituted ion. ,
In addition, the addition amount of the cation increases continuously or stepwise from the substrate side toward the film surface side as viewed in the film thickness direction.

本発明の圧電膜は、膜厚方向に見て、基板側から膜表面側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなっていればよいので、基板側にはカチオンがドープされていない領域があってもよい。また、膜厚方向に見て、基板側から膜表面側に向けてカチオンの添加量が段階的に多くなる構成では、カチオンの添加量の変化は一段階的でもよいし複数段階的でもよい。   In the piezoelectric film of the present invention, the cation should be added continuously or stepwise from the substrate side to the film surface side as viewed in the film thickness direction. There may be undoped regions. Further, in the configuration in which the cation addition amount increases stepwise from the substrate side toward the film surface side in the film thickness direction, the change in the cation addition amount may be one step or a plurality of steps.

前記カチオンとしては、Li,Na,及びKからなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。この場合、前記カチオンは、前記母体ペロブスカイト型酸化物のAサイトを置換することができる。   Examples of the cation include at least one selected from the group consisting of Li, Na, and K. In this case, the cation can replace the A site of the parent perovskite oxide.

前記母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のIV族元素が含まれている場合、前記カチオンは該IV族元素の一部を置換することができる。Bサイトに含まれる前記IV族元素としてはTi及び/又はZrが挙げられる。Bサイトに1種又は複数種のIV族元素が含まれている場合、前記カチオンとしては、Li,Na,K,Mg,Ca,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Sb,Bi,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。   When the B site of the parent perovskite oxide contains one or more group IV elements, the cation can substitute a part of the group IV element. Examples of the group IV element contained in the B site include Ti and / or Zr. When the B site contains one or more group IV elements, the cations include Li, Na, K, Mg, Ca, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Examples thereof include at least one selected from the group consisting of Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, and rare earth.

前記母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のV族元素が含まれている場合、前記カチオンは該V族元素の一部を置換することができる。Bサイトに含まれる前記V族元素としてはNb及び/又はTaが挙げられる。Bサイトに1種又は複数種のV族元素が含まれている場合、前記カチオンとしては、Li,Na,K,Mg,Ca,Ti,Zr,Hf,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Sb,Bi,Se,Te,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。   When the B site of the parent perovskite oxide contains one or more group V elements, the cation can substitute a part of the group V element. Examples of the group V element contained in the B site include Nb and / or Ta. When the B site contains one or a plurality of V group elements, the cations include Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Examples thereof include at least one selected from the group consisting of Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb, Bi, Se, Te, and rare earth.

本発明によれば、前記カチオンの添加によって、電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインが形成された圧電膜を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric film in which a domain in which the polarization axis is reversibly rotated by non-180 ° by the increase or decrease of the electric field applied intensity is formed by adding the cation.

本発明の圧電膜の結晶構造は、正方晶系、斜方晶系、菱面体晶系、及びこれらの結晶系が複数混合した結晶系のうちいずれかであることが好ましい。本発明の圧電膜は、結晶配向性を有していることが好ましい。ここで、「複数の結晶系が混合した結晶系」とは、モルフォトロピック相境界で複数の結晶相が共存している状態を言う。また、「結晶配向性を有する膜」とは、圧電膜表面におけるX線回折パターンおいて、一部の回折線のみが大きく現れる膜を言う。   The crystal structure of the piezoelectric film of the present invention is preferably any one of a tetragonal system, an orthorhombic system, a rhombohedral system, and a crystal system in which a plurality of these crystal systems are mixed. The piezoelectric film of the present invention preferably has crystal orientation. Here, “a crystal system in which a plurality of crystal systems are mixed” refers to a state in which a plurality of crystal phases coexist at the morphotropic phase boundary. In addition, the “film having crystal orientation” refers to a film in which only some diffraction lines appear greatly in the X-ray diffraction pattern on the surface of the piezoelectric film.

本発明の圧電膜の結晶構造が、正方晶系、又は正方晶系と他の結晶系とが混合した結晶系である場合、本発明の圧電膜のドメイン構造としては、電界無印加時において、正方晶のa軸が前記基板の基板面に対して垂直方向に優先配向したaドメインと、正方晶のc軸が前記基板の基板面に対して垂直方向に優先配向したcドメインとを有し、少なくとも一部の前記aドメインが電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインとなっている構造が挙げられる。   When the crystal structure of the piezoelectric film of the present invention is a tetragonal system, or a crystal system in which a tetragonal system and another crystal system are mixed, the domain structure of the piezoelectric film of the present invention is as follows when no electric field is applied: A domain in which tetragonal a-axis is preferentially oriented in a direction perpendicular to the substrate surface of the substrate; and c domain in which tetragonal c-axis is preferentially oriented in a direction perpendicular to the substrate surface of the substrate. A structure in which at least a part of the a domain is a domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° by increasing or decreasing the electric field application intensity can be given.

本発明の圧電膜は、前記基板の構成材料より室温〜500℃の熱膨張率が大きい材料により構成されていることが好ましい。   The piezoelectric film of the present invention is preferably made of a material having a larger coefficient of thermal expansion at room temperature to 500 ° C. than the constituent material of the substrate.

本明細書において、「基板の構成材料の熱膨張率」は、基板の構成材料からなるバルク体について測定される一般的な線膨張率を意味するものとする。同様に、「圧電膜の構成材料の熱膨張率」は、圧電膜の構成材料からなるバルク体について測定される一般的な圧電膜の線膨張率を意味するものとする。本発明の圧電膜は膜厚方向のカチオン添加量が異なる組成分布を有しているが、カチオン添加量によって線膨張率は大きくは変化しないので、母体ペロブスカイト型酸化物の線膨張率でもって圧電膜の熱膨張率を規定するものとする。なお、膜自体の線膨張率は正確な測定が困難であるため、本発明では、バルク材料の線膨張率でもって、基板と圧電膜との線膨張率の関係を規定してある。
線膨張率は温度Tの変化に対するバルク体の1辺の長さLの変化率を表し、一般に下記式で表される。
α=(ΔL/L)/ΔT
In this specification, “the coefficient of thermal expansion of the constituent material of the substrate” means a general linear expansion coefficient measured for a bulk body made of the constituent material of the substrate. Similarly, the “thermal expansion coefficient of the constituent material of the piezoelectric film” means a general linear expansion coefficient of the piezoelectric film measured for a bulk body made of the constituent material of the piezoelectric film. Although the piezoelectric film of the present invention has a composition distribution in which the cation addition amount in the film thickness direction is different, the linear expansion coefficient does not vary greatly depending on the cation addition amount, so that the piezoelectric film has the piezoelectric expansion coefficient of the parent perovskite oxide. The coefficient of thermal expansion of the film shall be specified. Since it is difficult to accurately measure the linear expansion coefficient of the film itself, in the present invention, the relationship between the linear expansion coefficient of the substrate and the piezoelectric film is defined by the linear expansion coefficient of the bulk material.
The linear expansion coefficient represents the rate of change of the length L of one side of the bulk body with respect to the change of the temperature T, and is generally represented by the following formula.
α = (ΔL / L) / ΔT

本発明の圧電膜は、気相成長法により成膜することができる。本発明の圧電膜は例えば、前記カチオンの含有量の異なる複数のターゲットを用意し、成膜中に該複数のターゲットからの成膜の割合を変更して成膜することができる。   The piezoelectric film of the present invention can be formed by a vapor deposition method. For example, the piezoelectric film of the present invention can be formed by preparing a plurality of targets having different cation contents and changing the rate of film formation from the plurality of targets during film formation.

従来、圧電膜の組成傾斜に関しては、特開2000-208828号公報が公知になっている。この発明は、前駆体膜を加熱することによって結晶性膜を得るゾルゲル法における問題を解決することを目的としている。
特開2000-208828号公報には、ペロブスカイト型正方晶ではc軸配向させることが、圧電性をより効果的に発現させるために有効であると考えられているが、ゾルゲル法では、結晶化に際して生じる体積収縮によって圧電膜に引張応力が発生し、c軸方向が基板面と平行になってしまう傾向が強いことが記載されている(特開2000-208828号公報の段落[0005])。
そこで、特開2000-208828号公報では、例えばPZT膜において、TiリッチからZrリッチに膜厚方向に組成傾斜させることが提案されている。PZTでは、Ti量が多いときには結晶構造が正方晶系になりやすく、Zr量が多いときには結晶構造が菱面体晶系になりやすい。そのため、上記のような組成傾斜とすることで、結晶化後の降温過程を経た後に菱面体晶系の結晶格子が正方晶系の結晶格子に連続して繋がる膜構造とすることができ、正方晶系の結晶格子を束縛することができるので、c軸配向を実現しやすいことが記載されている(特開2000-208828号公報の段落[0013]等)。
Conventionally, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-208828 has been known regarding the composition gradient of a piezoelectric film. An object of the present invention is to solve the problem in the sol-gel method in which a crystalline film is obtained by heating a precursor film.
In JP-A-2000-208828, it is considered that c-axis orientation is effective for perovskite tetragonal crystals in order to express piezoelectricity more effectively. It is described that tensile stress is generated in the piezoelectric film due to the volume shrinkage, and the c-axis direction tends to be parallel to the substrate surface (paragraph [0005] of Japanese Patent Laid-Open No. 2000-208828).
In view of this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-208828 proposes, for example, a composition gradient in the film thickness direction from Ti-rich to Zr-rich in a PZT film. In PZT, when the amount of Ti is large, the crystal structure tends to be tetragonal, and when the amount of Zr is large, the crystal structure tends to be rhombohedral. Therefore, by adopting the composition gradient as described above, a film structure in which the rhombohedral crystal lattice is continuously connected to the tetragonal crystal lattice after the temperature lowering process after crystallization can be obtained. It is described that the c-axis orientation can be easily realized because the crystal lattice of the crystal system can be constrained (paragraph [0013], etc. of JP-A-2000-208828).

すなわち、特開2000-208828号公報に記載の発明は、本発明で言うところの母体ペロブスカイト型酸化物の組成(圧電膜のメイン組成)に傾斜を持たせるものであり、圧電膜のメイン組成は変えずに、添加するカチオンの量を膜厚方向に変える本発明とは組成傾斜のさせ方が異なっている。また、特開2000-208828号公報に記載の発明は、可逆的非180°ドメイン回転を利用する系ではない。   That is, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-208828 is one in which the composition of the base perovskite oxide (main composition of the piezoelectric film) referred to in the present invention is inclined, and the main composition of the piezoelectric film is Without changing, the composition gradient is different from the present invention in which the amount of added cation is changed in the film thickness direction. Further, the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-208828 is not a system that uses reversible non-180 ° domain rotation.

なお、特開2000-208828号公報ではc軸配向性を高めることが好ましいことが記載されているが、本発明では、可逆的非180°ドメイン回転を利用するので、正方晶系であれば、上記のようにa軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したaドメインと、c軸が基板面に対して垂直方向に優先配向したcドメインとが存在することが好ましい。   In addition, although it is described in JP-A-2000-208828 that it is preferable to increase the c-axis orientation, in the present invention, since reversible non-180 ° domain rotation is used, if it is a tetragonal system, As described above, there is preferably an a domain in which the a axis is preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface and a c domain in which the c axis is preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface.

本発明の圧電膜の成膜方法は、
基板上に、一般式ABO(式中、A:Aサイトをなす少なくとも1種の金属元素、B:Bサイトをなす少なくとも1種の金属元素、O:酸素原子、Aサイト元素のモル数が1.0であり、かつBサイト元素のモル数が1.0である場合が標準であるが、Aサイト元素とBサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい)を成膜する圧電膜の成膜方法において、
前記圧電膜の少なくとも一部は、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有するものであり、
膜厚方向に見て、前記基板側から膜表面側に向けて、前記カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなるように、前記圧電膜の成膜を行うことを特徴とするものである。
The method for forming the piezoelectric film of the present invention includes:
On the substrate, the general formula ABO 3 (wherein A: at least one metal element forming an A site, B: at least one metal element forming a B site, O: oxygen atom, and the number of moles of the A site element) The standard is 1.0 and the number of moles of the B-site element is 1.0, but the number of moles of the A-site element and the B-site element deviates from 1.0 within a range where a perovskite structure can be obtained. In the method for forming a piezoelectric film for forming a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of a perovskite oxide represented by:
At least a part of the piezoelectric film has a composition in which a part of the A site and / or B site of the base perovskite oxide is substituted with one or more kinds of cations having a smaller ionic valence than the substituted ion. Have
The piezoelectric film is formed such that the addition amount of the cation increases continuously or stepwise from the substrate side toward the film surface side in the film thickness direction. It is.

前記成膜が気相成長法による成膜である場合、成膜時間の経過と共に、前記カチオンの添加量を連続的に又は段階的に増加させて、前記成膜を行えばよい。例えば、前記カチオンの含有量の異なる複数のターゲットを用意し、前記成膜中に該複数のターゲットからの成膜の割合を変更して、前記成膜を行うことが好ましい。   When the film formation is performed by a vapor deposition method, the film formation may be performed by increasing the addition amount of the cation continuously or stepwise as the film formation time elapses. For example, it is preferable to prepare a plurality of targets having different cation contents, and perform the film formation by changing the ratio of film formation from the plurality of targets during the film formation.

本発明の圧電素子は、上記の本発明の圧電膜と、該圧電膜の膜厚方向に電界を印加する電極とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の圧電素子を製造する際には、圧電膜の成膜に用いた基板を取り除くことが可能である。したがって、本発明の圧電素子は、基板を有するものでもよいし、基板を有しないものでもよい。
The piezoelectric element of the present invention is characterized by comprising the above-described piezoelectric film of the present invention and an electrode for applying an electric field in the film thickness direction of the piezoelectric film.
When manufacturing the piezoelectric element of the present invention, the substrate used for forming the piezoelectric film can be removed. Therefore, the piezoelectric element of the present invention may have a substrate or may not have a substrate.

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、上記の本発明の圧電素子と、
インクが貯留されるインク室及び該インク室から外部に前記インクが吐出されるインク吐出口を有するインク貯留吐出部材とを備えたことを特徴とするものである。
本発明のインクジェット式記録装置は、上記の本発明のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とするものである。
The ink jet recording head of the present invention comprises the above-described piezoelectric element of the present invention,
And an ink storage and discharge member having an ink discharge port through which the ink is discharged from the ink chamber to the outside.
An ink jet recording apparatus of the present invention includes the above ink jet recording head of the present invention.

本発明では、圧電膜の少なくとも一部については、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有する構成とし、さらに、膜厚方向に見て、基板側から膜表面側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなるよう、カチオン添加を行う構成としている。   In the present invention, for at least a part of the piezoelectric film, a part of the A site and / or the B site of the base perovskite oxide is substituted with one or more kinds of cations having a smaller ionic valence than the substituted ion. In addition, the cation addition is performed so that the addition amount of the cation increases continuously or stepwise from the substrate side to the film surface side as viewed in the film thickness direction. .

かかる構成では、上記カチオン添加による点欠陥によって、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインが形成され、可逆的非180°ドメイン回転による大きな圧電歪を得ることができる。しかも、基板側はカチオンの添加量が相対的に少ないので、はじめからカチオンを高い濃度で添加するよりも成膜初期の点欠陥が少なく、結晶構造や結晶配向等を制御しやすく、製造も比較的容易である。   In such a configuration, a domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is formed by the point defect due to the addition of the cation, and a large piezoelectric strain due to the reversible non-180 ° domain rotation can be obtained. In addition, since the amount of cation added is relatively small on the substrate side, there are fewer point defects at the initial stage of film formation than when cation is added at a high concentration from the beginning, crystal structure and crystal orientation are easier to control, and manufacturing is also compared. Easy.

カチオンの添加量によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合が決まるので、本発明では、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合は、基板側が相対的に少なく、膜表面側が相対的に多い構成となる。かかる構成では、基板側では可逆的非180°ドメイン回転は起こらない、あるいは可逆的非180°ドメイン回転が起きてもその量は少なく、膜表面側で可逆的非180°ドメイン回転が相対的に大きく起こることとなる。したがって、膜全体に一様に可逆的非180°ドメイン回転が起こる場合に比較すれば、可逆的非180°ドメイン回転を利用した場合の電界歪特性のヒステリシスを和らげることができる。   Since the proportion of domains in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is determined by the amount of cation added, in the present invention, the ratio of domains in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is relatively small on the substrate side, The film surface side has a relatively large configuration. In such a configuration, reversible non-180 ° domain rotation does not occur on the substrate side, or even if reversible non-180 ° domain rotation occurs, the amount is small, and reversible non-180 ° domain rotation is relatively on the film surface side. It will happen greatly. Therefore, as compared with the case where reversible non-180 ° domain rotation occurs uniformly throughout the film, the hysteresis of the electric field distortion characteristic when reversible non-180 ° domain rotation is utilized can be reduced.

また、少なくとも膜表面側で可逆的非180°ドメイン回転が起こればよいので、電界挿印速度(周波数)が高くなっても、所望通りのドメイン回転を安定的に起こすことができ、可逆的非180°ドメイン回転を利用した場合の周波数特性も改善することができる。   In addition, since it is sufficient that reversible non-180 ° domain rotation occurs at least on the film surface side, even if the electric field marking speed (frequency) increases, the desired domain rotation can occur stably and reversible. The frequency characteristics when non-180 ° domain rotation is used can also be improved.

「圧電素子、インクジェット式記録ヘッド」
図1を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子、及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造について説明する。図1はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
"Piezoelectric element, inkjet recording head"
With reference to FIG. 1, a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and the structure of an ink jet recording head provided with the piezoelectric element will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of an ink jet recording head. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.

本実施形態の圧電素子1は、基板10上に、下部電極20と圧電膜30と上部電極40とが順次積層された素子である。圧電膜30は、下部電極20と上部電極40とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。本実施形態では、圧電膜30の膜構造が特徴的なものとなっている。   The piezoelectric element 1 according to this embodiment is an element in which a lower electrode 20, a piezoelectric film 30, and an upper electrode 40 are sequentially stacked on a substrate 10. An electric field is applied to the piezoelectric film 30 in the thickness direction by the lower electrode 20 and the upper electrode 40. In this embodiment, the film structure of the piezoelectric film 30 is characteristic.

下部電極20は基板10の略全面に形成されており、この上に図示手前側から奥側に延びるライン状の凸部31がストライプ状に配列したパターンの圧電膜30が形成され、各凸部31の上に上部電極40が形成されている。基板10と下部電極20との間には、これらの密着性を高めるために、Ti等からなる密着層を介在させてもよい。   The lower electrode 20 is formed on substantially the entire surface of the substrate 10, and a piezoelectric film 30 having a pattern in which line-shaped convex portions 31 extending from the front side to the rear side in the drawing are arranged in a stripe shape is formed thereon. An upper electrode 40 is formed on 31. An adhesion layer made of Ti or the like may be interposed between the substrate 10 and the lower electrode 20 in order to enhance these adhesion properties.

圧電膜30のパターンは図示するものに限定されず、適宜設計される。また、圧電膜30は連続膜でも構わない。但し、圧電膜30は、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部31からなるパターンで形成することで、個々の凸部31の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。   The pattern of the piezoelectric film 30 is not limited to that shown in the figure, and is appropriately designed. The piezoelectric film 30 may be a continuous film. However, the piezoelectric film 30 is not a continuous film, but is formed by a pattern composed of a plurality of protrusions 31 separated from each other, so that the expansion and contraction of the individual protrusions 31 occurs smoothly, so that a larger amount of displacement can be obtained, preferable.

基板10としては特に制限なく、シリコン,ガラス,ステンレス(SUS),イットリウム安定化ジルコニア(YSZ),アルミナ,サファイヤ,及びシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板10としては、シリコン基板上にSiO膜とSi活性層とが順次積層されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。 The substrate 10 is not particularly limited, and examples thereof include silicon, glass, stainless steel (SUS), yttrium stabilized zirconia (YSZ), alumina, sapphire, and silicon carbide. As the substrate 10, a laminated substrate such as an SOI substrate in which a SiO 2 film and a Si active layer are sequentially laminated on a silicon substrate may be used.

下部電極20の主成分としては特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO,RuO,LaNiO,及びSrRuO等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
上部電極40の主成分としては特に制限なく、下部電極20で例示した材料,Al,Ta,Cr,Cu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。
下部電極20と上部電極40の厚みは特に制限なく、50〜500nmであることが好ましい。圧電膜30の膜厚は特に制限なく、例えば1〜10μmである。
The main component of the lower electrode 20 is not particularly limited, and examples thereof include metals or metal oxides such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3 , and combinations thereof.
The main component of the upper electrode 40 is not particularly limited, and examples thereof include materials exemplified for the lower electrode 20, electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof.
The thickness of the lower electrode 20 and the upper electrode 40 is not particularly limited and is preferably 50 to 500 nm. The film thickness of the piezoelectric film 30 is not particularly limited and is, for example, 1 to 10 μm.

圧電膜30は、下記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物からなる膜である(不可避不純物を含んでいてもよい)。
一般式ABO
(式中、A:Aサイトをなす少なくとも1種の金属元素、
B:Bサイトをなす少なくとも1種の金属元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素のモル数が1.0であり、かつBサイト元素のモル数が1.0である場合が標準であるが、Aサイト元素とBサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The piezoelectric film 30 is a film made of a perovskite oxide represented by the following general formula (may contain inevitable impurities).
General formula ABO 3
(Wherein A: at least one metal element forming A site,
B: at least one metal element forming the B site,
O: oxygen atom,
The standard is the case where the number of moles of the A-site element is 1.0 and the number of moles of the B-site element is 1.0, but the number of moles of the A-site element and the B-site element is within a range where a perovskite structure can be taken. May deviate from 1.0. )

本実施形態において、圧電膜30の少なくとも一部は、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有しており、かつ、膜厚方向に見て、基板10側から膜表面30s側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなっている膜構造を有している。
すなわち、本実施形態においては、圧電膜30の膜構造を、メイン組成は変えずに、添加するカチオンの量を膜厚方向に変える構造としている。
In the present embodiment, at least a part of the piezoelectric film 30 is composed of one or more kinds of cations having an ionic valence smaller than that of the substituted ion, at least part of the A site and / or B site of the parent perovskite oxide. A film structure having a substituted composition and having a cation addition amount increased continuously or stepwise from the substrate 10 side toward the film surface 30s side in the film thickness direction. Have.
That is, in this embodiment, the film structure of the piezoelectric film 30 is a structure in which the amount of cations to be added is changed in the film thickness direction without changing the main composition.

圧電膜30は、膜厚方向に見て、基板10側から膜表面30s側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなっていればよいので、基板10側にはカチオンがドープされていない領域があってもよい。膜厚方向に見て、基板10側から膜表面30s側に向けてカチオンの添加量が段階的に多くなる構成では、カチオンの添加量の変化は一段階的でもよいし複数段階的でもよい。   The piezoelectric film 30 only needs to have a cation addition amount continuously or stepwise from the substrate 10 side toward the film surface 30s side as viewed in the film thickness direction. There may be regions that are not doped. In the configuration in which the amount of cation added increases stepwise from the substrate 10 side toward the film surface 30s side in the film thickness direction, the change in the amount of cation added may be one-step or multiple steps.

母体ペロブスカイト型酸化物の組成は特に制限なく、下記一般式で表されるものが挙げられる。
一般式ABO
(式中、A:Pb,Ba,Nb,La,Li,Sr,Bi,Na,及びKからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
B:Cd,Fe,Ti,Ta,Mg,Mo,Ni,Nb,Zr,Zn,W,及びYbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子)
The composition of the parent perovskite oxide is not particularly limited, and examples thereof include those represented by the following general formula.
General formula ABO 3
(Wherein A: at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Nb, La, Li, Sr, Bi, Na, and K;
B: at least one element selected from the group consisting of Cd, Fe, Ti, Ta, Mg, Mo, Ni, Nb, Zr, Zn, W, and Yb,
O: oxygen atom)

上記組成を有する母体ペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛,チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),ジルコニウム酸鉛,チタン酸鉛ランタン,ジルコン酸チタン酸鉛ランタン,マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛,及びニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物や、チタン酸バリウム,ニオブ酸カリウム,及びチタン酸ビスマスナトリウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。   The parent perovskite oxide having the above composition includes lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium titanate magnesium niobate, and Lead-containing compounds such as nickel zirconium niobate lead titanate, and non-lead-containing compounds such as barium titanate, potassium niobate, and bismuth sodium titanate can be mentioned.

添加するカチオンは母体組成に応じて適宜選択され、被置換イオンよりもイオン価数の小さいものであれば特に制限されない。   The cation to be added is appropriately selected according to the matrix composition, and is not particularly limited as long as it has a smaller ionic valence than the substituted ion.

添加するカチオンとしては、Li,Na,及びKからなる群より選ばれた少なくとも1種のアルカリ金属が挙げられる。これらはいずれも+1価のカチオンである。アルカリ金属は、Aサイト及び/又はBサイトを置換することができ、Aサイトを置換しやすい傾向にある。   Examples of the cation to be added include at least one alkali metal selected from the group consisting of Li, Na, and K. These are all +1 valent cations. Alkali metal can replace the A site and / or the B site, and tends to replace the A site.

母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のIV族元素が含まれている場合、添加するカチオンは該IV族元素の一部を置換することができる。Bサイトに含まれるIV族元素としてはTi及び/又はZrが挙げられる。
Bサイトに含まれるIV族元素を置換する添加カチオンとしては、+1〜+3価のカチオンであればよく、Li,Na,K,Mg,Ca,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Sb,Bi,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。
アルカリ金属はAサイトを置換しやすい傾向にあるので、Bサイトに含まれるIV族元素を置換する場合、添加カチオンとしては、Mg,Ca,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Sb,Bi,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が好ましい。
When one or a plurality of group IV elements are contained in the B site of the parent perovskite oxide, the added cation can substitute a part of the group IV element. Examples of the group IV element contained in the B site include Ti and / or Zr.
The added cation for substituting the group IV element contained in the B site may be any cation having a valence of +1 to +3, such as Li, Na, K, Mg, Ca, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu. , Ag, Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, and at least one selected from the group consisting of rare earths.
Since alkali metals tend to easily replace the A site, when replacing group IV elements contained in the B site, the added cations include Mg, Ca, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, At least one selected from the group consisting of Ag, Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, and rare earth is preferable.

母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のV族元素が含まれている場合、添加するカチオンは該V族元素の一部を置換することができる。Bサイトに含まれるV族元素としてはNb及び/又はTaが挙げられる。
Bサイトに含まれるV族元素を置換する添加カチオンとしては、+1〜+4価のカチオンであればよく、Li,Na,K,Mg,Ca,Ti,Zr,Hf,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Sb,Bi,Se,Te,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。
アルカリ金属はAサイトを置換しやすい傾向にあるので、Bサイトに含まれるV族元素を置換する場合、添加カチオンとしては、Mg,Ca,Ti,Zr,Hf,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Sb,Bi,Se,Te,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種が好ましい。
When one or more V group elements are contained in the B site of the parent perovskite oxide, the cation to be added can replace a part of the V group element. Examples of the group V element contained in the B site include Nb and / or Ta.
The added cation for substituting the group V element contained in the B site may be a cation having a valence of +1 to +4. Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, Mn, Fe , Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb, Bi, Se, Te, and at least one selected from the group consisting of rare earths.
Alkali metals tend to easily replace the A site. Therefore, when substituting group V elements contained in the B site, the added cations include Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, Mn, Fe, At least one selected from the group consisting of Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb, Bi, Se, Te, and rare earths is preferable.

圧電膜30に母体ペロブスカイト型酸化物の被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンを添加することにより、圧電膜30内に添加カチオンによる点欠陥を生じさせることができる。この添加カチオンによる点欠陥によって、電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインを形成することができる。   By adding one or more kinds of cations having an ionic valency smaller than the substituted ions of the parent perovskite oxide to the piezoelectric film 30, point defects due to the added cations can be generated in the piezoelectric film 30. Due to the point defect due to the added cation, a domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° by increasing or decreasing the electric field applied intensity can be formed.

また、カチオンの添加量によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合が決まるので、圧電膜30では、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合は、基板10側が相対的に少なく、膜表面30s側が相対的に多い構成となる。かかる構成では、基板10側では可逆的非180°ドメイン回転は起こらない、あるいは可逆的非180°ドメイン回転が起きてもその量は少なく、膜表面30s側で可逆的非180°ドメイン回転が相対的に大きく起こることとなる。   In addition, since the ratio of the domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is determined by the addition amount of the cation, in the piezoelectric film 30, the ratio of the domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is relative to the substrate 10 side. Therefore, the film surface 30s side is relatively large. In such a configuration, reversible non-180 ° domain rotation does not occur on the substrate 10 side, or the amount of reversible non-180 ° domain rotation is small, and reversible non-180 ° domain rotation is relative to the film surface 30s side. Will happen greatly.

本実施形態における可逆的非180°ドメイン回転のメカニズムは、以下のように考えられる。ここでは、正方晶系をモデルにして説明する。   The mechanism of reversible non-180 ° domain rotation in this embodiment is considered as follows. Here, a tetragonal system will be described as a model.

図2(a)は通常の圧電歪の様子を示した図である。図中、Eは電界印加強度と電界印加方向を示す符号である。矢印Pは電界無印加時の分極方向と大きさ、矢印Pは電界印加時の分極方向と大きさを示している。
c軸が電界印加方向に配向したcドメインに対して、その分極軸方向に電界を印加すると(E>0)、電界印加方向に結晶格子が伸びる。これが通常の圧電歪(真の圧電歪)である。
これに対して、非180°ドメイン回転による圧電歪の様子を示したのが図2(b)である。図2(b)に示すように、a軸が電界印加方向に配向したaドメインが、電界印加によって(E>0)、c軸が電界印加方向に配向したcドメインに90°ドメイン回転すると、結晶格子の長軸方向が90°回転して、図2(a)の通常の圧電歪よりも大きな圧電歪が得られる。
FIG. 2A is a diagram showing a state of normal piezoelectric strain. In the figure, E is a code indicating the electric field application intensity and the electric field application direction. Arrow P 0 is no electric field is applied during the polarization direction and magnitude, the arrow P E represents the polarization direction and magnitude of when an electric field is applied.
When an electric field is applied in the polarization axis direction to the c domain in which the c axis is oriented in the electric field application direction (E> 0), the crystal lattice extends in the electric field application direction. This is normal piezoelectric strain (true piezoelectric strain).
On the other hand, FIG. 2B shows the state of piezoelectric strain due to non-180 ° domain rotation. As shown in FIG. 2 (b), when the a domain with the a axis oriented in the direction of electric field application is rotated by 90 ° to the c domain with the c axis oriented in the direction of electric field application (E> 0), The major axis direction of the crystal lattice is rotated by 90 °, and a piezoelectric strain larger than the normal piezoelectric strain in FIG.

本実施形態では、カチオン添加による点欠陥は被置換イオンよりも小さい価数であり、負荷電となっている。この点欠陥とその近傍の酸素空孔(正荷電)は短範囲秩序性を有する欠陥Dを構成し、この欠陥Dは荷電ペアによる分極性を有すると考えられる。図中、欠陥D内の小さな矢印が欠陥分極の方向を示している。
ドメイン内の欠陥Dの分極方向は、その欠陥Dの属するドメインの分極方向と一致した状態が安定である。すなわち、aドメイン内の欠陥Dの分極軸はaドメインの分極軸と一致した状態が安定である。
電界を印加しても欠陥Dの分極軸は回転しないので、電界印加によってaドメインが回転してcドメインとなると、欠陥Dの分極軸と欠陥Dの属するドメインの分極軸とが異なる状態となる。この状態は不安定であるので、電界を取り除くと、欠陥Dの分極軸が欠陥Dの属するドメインの分極軸に揃った安定な状態に戻りやすく、非180°ドメイン回転を可逆的に起こすことができると考えられる。
In this embodiment, the point defect due to the addition of a cation has a valence smaller than that of the ion to be substituted and is negatively charged. This point defect and oxygen vacancies (positive charge) in the vicinity thereof constitute a defect D having short range order, and this defect D is considered to have polarizability due to a charged pair. In the figure, a small arrow in the defect D indicates the direction of defect polarization.
The state in which the polarization direction of the defect D in the domain matches the polarization direction of the domain to which the defect D belongs is stable. That is, the state where the polarization axis of the defect D in the a domain coincides with the polarization axis of the a domain is stable.
Since the polarization axis of the defect D does not rotate even when an electric field is applied, the polarization axis of the defect D is different from the polarization axis of the domain to which the defect D belongs when the a domain is rotated to the c domain by the application of the electric field. . Since this state is unstable, when the electric field is removed, the polarization axis of the defect D tends to return to a stable state aligned with the polarization axis of the domain to which the defect D belongs, and non-180 ° domain rotation can occur reversibly. It is considered possible.

正方晶系をモデルとし、aドメインからcドメインに整然とドメイン回転する場合について説明したが、実際の圧電膜30は分極軸方向の異なる種々のドメインの集合体である。
また、ドメインには大きく分けて、電界を印加しても分極軸が回転しないドメインXと、電界を印加すると分極軸が180°回転(反転)するドメインYと、電界を印加すると分極軸が非180°回転するドメインZとがある。さらに、ドメインZには、非180°ドメイン回転が非可逆的に起こるドメインZ1と非180°ドメイン回転が可逆的に起こるドメインZ2とがある。
Although the case where the tetragonal system is used as a model and the domain rotation is orderly performed from the a domain to the c domain has been described, the actual piezoelectric film 30 is an aggregate of various domains having different polarization axis directions.
The domain is roughly divided into a domain X in which the polarization axis does not rotate even when an electric field is applied, a domain Y in which the polarization axis rotates (inverts) 180 degrees when an electric field is applied, and a polarization axis that does not rotate when an electric field is applied. There is a domain Z that rotates 180 °. Further, the domain Z includes a domain Z1 in which non-180 ° domain rotation occurs irreversibly and a domain Z2 in which non-180 ° domain rotation occurs reversibly.

以下、図3を参照して、上記ドメインX〜Zについて説明する。後記するように、圧電膜30は結晶配向性を有することが好ましいが、ここでは分極軸が完全ランダムな多数の結晶粒の集合体である圧電膜30について図示してある。   Hereinafter, the domains X to Z will be described with reference to FIG. As will be described later, the piezoelectric film 30 preferably has crystal orientation, but here, the piezoelectric film 30 which is an aggregate of a large number of crystal grains whose polarization axes are completely random is illustrated.

図3において、(a)は分極処理前の圧電膜30の状態を示す図、(b)は分極処理済みの圧電膜30の電界無印加時の状態(E=0)を示す図、(c)は分極処理済みの圧電膜30に対して電界を印加した状態(E>0)を示す図である。ここでは、1つの結晶粒が1つのドメインである場合について図示してある。   3A is a diagram showing a state of the piezoelectric film 30 before the polarization treatment, FIG. 3B is a diagram showing a state (E = 0) of the polarization-treated piezoelectric film 30 when no electric field is applied, and FIG. ) Is a diagram showing a state (E> 0) in which an electric field is applied to the polarization-treated piezoelectric film 30. FIG. Here, a case where one crystal grain is one domain is illustrated.

図3(a)に示す分極処理前の圧電膜30は、分極軸がランダムな多数の結晶粒の集合体である。この分極処理前の圧電膜30に対して分極処理を施し、さらに電界を印加すると、図3(c)に示すように、ドメインXでは分極軸の回転は起こらず、ドメインYでは分極軸の180°回転(反転)が起こり、ドメインZでは分極軸の非180°回転が起こる。180°ドメイン回転では結晶格子の上下の向きが変わるだけなので、ドメイン回転による圧電歪は生じないのに対して、非180°ドメイン回転ではドメイン回転による圧電歪が生じる。   The piezoelectric film 30 before the polarization treatment shown in FIG. 3A is an aggregate of a large number of crystal grains with random polarization axes. When a polarization process is performed on the piezoelectric film 30 before the polarization process and an electric field is further applied, the polarization axis does not rotate in the domain X as shown in FIG. A rotation (inversion) occurs, and in domain Z, a non-180 ° rotation of the polarization axis occurs. Since 180 ° domain rotation only changes the vertical direction of the crystal lattice, piezoelectric distortion due to domain rotation does not occur, whereas non-180 ° domain rotation causes piezoelectric strain due to domain rotation.

さらに、電界印加により分極軸が非180°回転するドメインZのうちドメインZ1では、図3(b)に示すように、電界を取り除いても分極軸は元には戻らず、その歪は残留する(残留歪)。電界印加により分極軸が非180°回転するドメインZのうちドメインZ2では、図3(b)に示すように、電界を取り除くと分極軸が元に戻り、可逆的非180°ドメイン回転が起こる。本実施形態では、可逆的非180°ドメイン回転が起こるドメインZ2の割合は、基板10側が相対的に少なく、膜表面30s側が相対的に多い構成となっている。   Further, in the domain Z1 of the domain Z in which the polarization axis rotates non-180 ° by applying an electric field, as shown in FIG. 3B, the polarization axis does not return to the original state even when the electric field is removed, and the distortion remains. (Residual strain). As shown in FIG. 3B, in the domain Z in which the polarization axis rotates non-180 ° by applying an electric field, as shown in FIG. 3B, when the electric field is removed, the polarization axis returns to the original, and reversible non-180 ° domain rotation occurs. In this embodiment, the ratio of the domain Z2 in which reversible non-180 ° domain rotation occurs is relatively small on the substrate 10 side and relatively large on the film surface 30s side.

圧電膜30では、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の圧電歪(真の圧電歪)と、可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪の双方の効果が得られる。可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪では、結晶格子が回転して大きな歪が得られるので、通常の圧電歪と可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪とが組み合わさることで、通常の圧電歪のみよりも大きな圧電歪が得られる。   In the piezoelectric film 30, when the vector component of the spontaneous polarization axis coincides with the electric field application direction, normal piezoelectric strain (true piezoelectric strain) that expands and contracts in the electric field application direction due to increase / decrease of the electric field application intensity and reversible non-180 ° Both effects of piezoelectric strain due to domain rotation can be obtained. In piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation, a large strain can be obtained by rotating the crystal lattice. Therefore, by combining normal piezoelectric strain and piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation, normal piezoelectric strain can be obtained. A piezoelectric strain larger than the strain alone can be obtained.

圧電膜30は、結晶配向性を有していることが好ましい。より具体的には、圧電膜30は、基板10側については、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の圧電歪が効果的に発現するように、分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致する配向領域の割合が高くなるようにすることが好ましい。また、圧電膜30は、膜表面30s側については、可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪が効果的に発現する配向領域の割合が高くなるようにすることが好ましい。   The piezoelectric film 30 preferably has crystal orientation. More specifically, on the substrate 10 side, when the vector component of the spontaneous polarization axis coincides with the electric field application direction, the piezoelectric film 30 is a normal piezoelectric strain that expands and contracts in the electric field application direction due to increase / decrease of the electric field application intensity. It is preferable to increase the ratio of the alignment region where the vector component of the polarization axis and the electric field application direction coincide with each other so that is effectively expressed. Moreover, it is preferable that the piezoelectric film 30 has a high ratio of orientation regions in which piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation is effectively developed on the film surface 30s side.

PZT等では、立方晶系と正方晶系と菱面体晶系との3種の結晶系があり、チタン酸バリウム等では、立方晶系と正方晶系と斜方晶系と菱面体晶系との4種の結晶系がある。立方晶系は常誘電体であり圧電性を示さないので、圧電膜30は、正方晶系、斜方晶系、菱面体晶系、及びこれらの結晶系が複数混合した結晶系のうちいずれかである必要がある。各結晶系の自発分極軸は以下の通りである。したがって、結晶系と自発分極軸と電界印加方向と圧電歪の原理とを考慮して、結晶配向を設計することが好ましい。
正方晶系:<001>、斜方晶系:<110>、菱面体晶系:<111>
In PZT, etc., there are three types of crystal systems, cubic, tetragonal and rhombohedral, and in barium titanate, etc., cubic, tetragonal, orthorhombic and rhombohedral There are four types of crystal systems. Since the cubic system is a paraelectric material and does not exhibit piezoelectricity, the piezoelectric film 30 is any one of a tetragonal system, an orthorhombic system, a rhombohedral system, and a crystal system in which a plurality of these crystal systems are mixed. Need to be. The spontaneous polarization axis of each crystal system is as follows. Therefore, it is preferable to design the crystal orientation in consideration of the crystal system, the spontaneous polarization axis, the electric field application direction, and the principle of piezoelectric strain.
Tetragonal system: <001>, orthorhombic system: <110>, rhombohedral system: <111>

例えば、圧電膜30の結晶構造が、正方晶系、又は正方晶系と他の結晶系とが混合した結晶系である場合、圧電膜30のドメイン構造としては、電界無印加時において、a軸が基板10の基板面に対して垂直方向に優先配向したaドメインと、c軸が基板10の基板面に対して垂直方向に優先配向したcドメインとを有し、基板10側はcドメインの割合が相対的に多く、膜表面30s側はaドメインの割合が相対的に多く、少なくとも一部のaドメインが電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインとなっている構造が挙げられる。   For example, when the crystal structure of the piezoelectric film 30 is a tetragonal system or a crystal system in which a tetragonal system and another crystal system are mixed, the domain structure of the piezoelectric film 30 is an a-axis when no electric field is applied. Includes a domain preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface of the substrate 10 and c domain preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface of the substrate 10. The ratio is relatively large, the ratio of the a domain is relatively large on the film surface 30 s side, and at least a part of the a domain is a domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° by increasing or decreasing the electric field application intensity. Structure.

本実施形態では、基板10の構成材料より圧電膜30の構成材料の方が室温〜500℃の熱膨張率が大きくなるよう、基板10及び圧電膜30の材料の組み合わせを選定することが好ましい。
図4を参照して、正方晶系をモデルとしてこの理由について説明する。図4では、電界無印加時において圧電膜30はaドメインのみからなり、電界印加によりすべてのaドメインがcドメインにドメイン回転する場合について模式的に図示してある。図中、符号30aがaドメイン、符号30cがcドメインを示しており、電極の図示は省略してある。
In the present embodiment, it is preferable to select a combination of the material of the substrate 10 and the piezoelectric film 30 so that the constituent material of the piezoelectric film 30 has a higher thermal expansion coefficient from room temperature to 500 ° C. than the constituent material of the substrate 10.
The reason for this will be described with reference to FIG. 4 using a tetragonal system as a model. FIG. 4 schematically illustrates a case where the piezoelectric film 30 includes only the a domain when no electric field is applied, and all the a domains rotate to the c domain by applying an electric field. In the figure, reference numeral 30a indicates the a domain and reference numeral 30c indicates the c domain, and the illustration of the electrodes is omitted.

上記のような熱膨張率の関係にあると、圧電膜30の成膜が終了して室温に戻った後には、基板10及び圧電膜30の構成材料の熱膨張率差から、圧電膜30が基板10よりも横方向に相対的に大きく伸びるような状態となり(この量はごく僅かである)、図4の上図に示すように、圧電膜30に引張応力が発生する。異方性結晶である強誘電体結晶は引張応力下では、応力を緩和するために引張応力の方向に長軸方向を合わせた結晶構造が結晶的に安定である。すなわち、この状態ではaドメインが結晶的に安定である。図4の下図に示すように、電界印加によりaドメインからcドメインへのドメイン回転が生じるが、電界を取り除いた後は、引張応力の方向に長軸方向を合わせた結晶的に安定なaドメインに戻りやすいため、非180°ドメイン回転を可逆的に安定的に起こすことができると考えられる。   If the thermal expansion coefficient relationship is as described above, after the film formation of the piezoelectric film 30 is completed and the temperature returns to room temperature, the piezoelectric film 30 is As shown in the upper diagram of FIG. 4, a tensile stress is generated in the piezoelectric film 30, as it expands relatively larger in the lateral direction than the substrate 10 (this amount is very small). A ferroelectric crystal, which is an anisotropic crystal, has a stable crystal structure in which the major axis direction is aligned with the direction of the tensile stress in order to relax the stress under a tensile stress. That is, in this state, the a domain is crystallinely stable. As shown in the lower diagram of FIG. 4, domain rotation from the a domain to the c domain occurs by applying an electric field, but after removing the electric field, the crystallized stable a domain in which the major axis is aligned with the direction of the tensile stress. Therefore, it is considered that non-180 ° domain rotation can occur reversibly and stably.

室温〜500℃の線膨張率は、PZT系等の一般的な圧電材料は4.0〜8.0×10−6(/℃)である。主な基板材料の室温〜500℃の線膨張率は以下の通りである。
Si:2.6×10−6(/℃)、アルミナ:7.0×10−6(/℃)
基板10の構成材料より圧電膜30の構成材料の方が室温〜500℃の熱膨張率が大きくなるようにするには、基板10としてSi基板等を用いることが好ましい。
本発明では、圧電膜の成膜温度が通常500℃程度以上であることを考慮して、概ね成膜温度以下の範囲と考えられる室温〜500℃の熱膨張率について規定してある。
The linear expansion coefficient from room temperature to 500 ° C. is 4.0 to 8.0 × 10 −6 (/ ° C.) for a general piezoelectric material such as PZT. The linear expansion coefficients of room temperature to 500 ° C. of main substrate materials are as follows.
Si: 2.6 × 10 −6 (/ ° C.), Alumina: 7.0 × 10 −6 (/ ° C.)
In order for the constituent material of the piezoelectric film 30 to have a higher coefficient of thermal expansion at room temperature to 500 ° C. than the constituent material of the substrate 10, it is preferable to use a Si substrate or the like as the substrate 10.
In the present invention, taking into account that the film forming temperature of the piezoelectric film is usually about 500 ° C. or higher, the coefficient of thermal expansion from room temperature to 500 ° C., which is considered to be approximately within the film forming temperature, is specified.

本明細書において、「結晶配向性を有する」とは、Lotgerling法により測定される配向率Fが、50%以上であることと定義する。   In this specification, “having crystal orientation” is defined as an orientation rate F measured by the Lottgering method being 50% or more.

配向率Fは、下記式で表される。
F(%)=(P−P0)/(1−P0)×100・・・(i)
式(i)中、Pは、配向面からの反射強度の合計と全反射強度の合計の比である。(001)配向の場合、Pは、(00l)面からの反射強度I(00l)の合計ΣI(00l)と、各結晶面(hkl)からの反射強度I(hkl)の合計ΣI(hkl)との比({ΣI(00l)/ΣI(hkl)})である。例えば、ペロブスカイト結晶において(001)配向の場合、P=I(001)/[I(001)+I(100)+I(101)+I(110)+I(111)]である。
P0は、完全にランダムな配向をしている試料のPである。
完全にランダムな配向をしている場合(P=P0)にはF=0%であり、完全に配向をしている場合(P=1)にはF=100%である。
The orientation rate F is represented by the following formula.
F (%) = (P−P0) / (1−P0) × 100 (i)
In formula (i), P is the ratio of the total reflection intensity from the orientation plane to the total reflection intensity. In the case of (001) orientation, P is the sum ΣI (00l) of the reflection intensity I (00l) from the (00l) plane and the sum ΣI (hkl) of the reflection intensity I (hkl) from each crystal plane (hkl). ({ΣI (00l) / ΣI (hkl)}). For example, in the case of (001) orientation in the perovskite crystal, P = I (001) / [I (001) + I (100) + I (101) + I (110) + I (111)].
P0 is P of a sample having a completely random orientation.
When the orientation is completely random (P = P0), F = 0%, and when the orientation is complete (P = 1), F = 100%.

圧電膜30の成膜方法としては特に制限なく、スパッタリング法、MOCVD法、及びパルスレーザデポジッション法等の気相成長法;ゾルゲル法及び有機金属分解法等の化学溶液堆積法(CSD);エアロゾルデポジション法等が挙げられる。   The method for forming the piezoelectric film 30 is not particularly limited, and vapor phase growth methods such as sputtering, MOCVD, and pulse laser deposition; chemical solution deposition (CSD) such as sol-gel method and organometallic decomposition method; aerosol Examples include the deposition method.

本実施形態では、膜厚方向に見て、基板10側から膜表面30s側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなるように、圧電膜30の成膜を行う。
気相成長法では、成膜時間の経過と共に、カチオンの添加量を連続的に又は段階的に増加させて、圧電膜30の成膜を行えばよい。例えば、カチオンの含有量の異なる複数のターゲットを用意し、成膜中に該複数のターゲットからの成膜の割合を変更することで、膜厚方向のカチオン添加量の異なる圧電膜30を成膜することができる(後記実施例1〜3を参照)。
化学溶液堆積法(CSD)では、原料溶液の組成を変えて組成の異なる層を積層することで、膜厚方向のカチオン添加量の異なる圧電膜30を成膜することができる。
In the present embodiment, the piezoelectric film 30 is formed so that the addition amount of cations increases continuously or stepwise from the substrate 10 side toward the film surface 30s side as viewed in the film thickness direction.
In the vapor phase growth method, the piezoelectric film 30 may be formed by increasing the cation addition amount continuously or stepwise as the film formation time elapses. For example, by preparing a plurality of targets having different cation contents and changing the rate of film formation from the plurality of targets during film formation, the piezoelectric films 30 having different cation addition amounts in the film thickness direction are formed. (See Examples 1-3 below).
In the chemical solution deposition method (CSD), the piezoelectric films 30 having different cation addition amounts in the film thickness direction can be formed by stacking layers having different compositions by changing the composition of the raw material solution.

成膜後の常温状態において、欠陥の対称性がその欠陥の属する強誘電ドメインの結晶対称性と一致しない状態となることがある。かかる場合には、成膜後にキュリー点以下の温度でアニールする時効処理を行うことによって、点欠陥を安定な位置に拡散させて、点欠陥の対称性がその点欠陥の属するドメインの結晶対称性と一致した安定な状態(図2(b)の左図を参照)とすることができる。   In the normal temperature state after film formation, the symmetry of the defect may not match the crystal symmetry of the ferroelectric domain to which the defect belongs. In such a case, by performing an aging treatment that anneals at a temperature below the Curie point after film formation, the point defect is diffused to a stable position, and the symmetry of the point defect is related to the crystal symmetry of the domain to which the point defect belongs. And a stable state (see the left diagram in FIG. 2B).

一般に、基板のないバルク圧電体では、自発分極軸方向に正電界が印加されると、電界印加方向に伸び(33モード変形)、電界印加方向と直交する方向に縮む(31モード変形)。これに対して、基板上に形成された圧電膜では、自発分極軸方向に正電界が印加されると、圧電膜の膜表面側についてはバルク圧電体と同様に、電界印加方向に伸び(33モード変形)、電界印加方向と直交する方向に縮む(31モード変形)が、基板側については、変形が基板に拘束されて、電界印加方向と直交する方向の縮みは小さくなり、圧電素子全体が僅かながらも湾曲することが知られている(31モード撓み変形)。
本実施形態では、圧電膜30の膜表面30s側で可逆的非180°回転による圧電歪が相対的に大きくなるように構成しているので、31モード撓み変形がより顕著に起こると考えられる。この様子を図5に模式的に示す(電極の図示は省略)。なお、図面上は視認しやすくするため、31モード撓み変形を誇張して図示してあるが、そのレベルはごく僅かである。
In general, in a bulk piezoelectric body without a substrate, when a positive electric field is applied in the spontaneous polarization axis direction, the bulk piezoelectric body expands in the electric field application direction (33 mode deformation) and contracts in a direction orthogonal to the electric field application direction (31 mode deformation). On the other hand, in the piezoelectric film formed on the substrate, when a positive electric field is applied in the spontaneous polarization axis direction, the film surface side of the piezoelectric film extends in the electric field application direction as in the bulk piezoelectric body (33 Mode deformation), and contracts in a direction orthogonal to the electric field application direction (31 mode deformation). However, on the substrate side, the deformation is constrained by the substrate, and the contraction in the direction orthogonal to the electric field application direction is reduced. It is known that it is slightly bent (31-mode bending deformation).
In this embodiment, since the piezoelectric strain due to reversible non-180 ° rotation is relatively increased on the film surface 30 s side of the piezoelectric film 30, it is considered that 31-mode bending deformation occurs more significantly. This is schematically shown in FIG. 5 (illustration of electrodes is omitted). In addition, in order to make it easy to see on the drawing, the 31-mode bending deformation is exaggerated, but the level is very slight.

インクジェット式記録ヘッド2は、概略、圧電素子1の基板10の下面に圧電膜30の伸縮により振動する振動板50が取り付けられ、振動板50の下面に、インクが貯留されるインク室61及びインク室61から外部にインクが吐出されるインク吐出口62を有するインクノズル(インク貯留吐出部材)60が取り付けられたものである。インク室61は、圧電膜30の凸部31の数及びパターンに対応して、複数設けられている。   In the ink jet recording head 2, a vibration plate 50 that vibrates due to expansion and contraction of the piezoelectric film 30 is attached to the lower surface of the substrate 10 of the piezoelectric element 1, and an ink chamber 61 and ink are stored on the lower surface of the vibration plate 50. An ink nozzle (ink storage and discharge member) 60 having an ink discharge port 62 through which ink is discharged from the chamber 61 to the outside is attached. A plurality of ink chambers 61 are provided corresponding to the number and pattern of the convex portions 31 of the piezoelectric film 30.

基板10とは独立した部材の振動板50及びインクノズル60を取り付ける代わりに、基板10の一部を振動板50及びインクノズル60に加工してもよい。例えば、基板10がSOI基板等の積層基板からなる場合には、基板10を下面側からエッチングしてインク室61を形成し、基板自体の加工により振動板50とインクノズル60とを形成することができる。   Instead of attaching the vibration plate 50 and the ink nozzle 60 which are members independent of the substrate 10, a part of the substrate 10 may be processed into the vibration plate 50 and the ink nozzle 60. For example, when the substrate 10 is made of a laminated substrate such as an SOI substrate, the substrate 10 is etched from the lower surface side to form the ink chamber 61, and the vibration plate 50 and the ink nozzle 60 are formed by processing the substrate itself. Can do.

本実施形態の圧電素子1及びインクジェット式記録ヘッド2は、以上のように構成されている。   The piezoelectric element 1 and the ink jet recording head 2 of the present embodiment are configured as described above.

本実施形態では、圧電膜30の少なくとも一部については、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有する構成とし、さらに、膜厚方向に見て、基板10側から膜表面30s側に向けて、カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなるよう、カチオン添加を行う構成としている。   In the present embodiment, at least part of the piezoelectric film 30 is one or more kinds of cations in which part of the A site and / or B site of the parent perovskite oxide has a smaller ionic valence than the substituted ion. In addition, cation addition is performed so that the addition amount of the cation increases continuously or stepwise from the substrate 10 side toward the film surface 30 s side as viewed in the film thickness direction. It is configured to do.

かかる構成では、上記カチオン添加による点欠陥によって、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインが形成され、可逆的非180°ドメイン回転による大きな圧電歪を得ることができる。しかも、基板10側はカチオンの添加量が相対的に少ないので、はじめからカチオンを高い濃度で添加するよりも成膜初期の点欠陥が少なく、結晶構造や結晶配向等を制御しやすく、製造も比較的容易である。   In such a configuration, a domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is formed by the point defect due to the addition of the cation, and a large piezoelectric strain due to the reversible non-180 ° domain rotation can be obtained. Moreover, since the amount of cation added is relatively small on the substrate 10 side, there are fewer point defects at the initial stage of film formation than when cation is added at a high concentration from the beginning, the crystal structure, crystal orientation, etc. can be easily controlled, and the production is also easy It is relatively easy.

カチオンの添加量によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合が決まるので、本実施形態では、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合は、基板10側が相対的に少なく、膜表面30s側が相対的に多い構成となる。かかる構成では、基板10側では可逆的非180°ドメイン回転は起こらない、あるいは可逆的非180°ドメイン回転が起きてもその量は少なく、膜表面30s側で可逆的非180°ドメイン回転が相対的に大きく起こることとなる。   Since the ratio of the domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is determined by the addition amount of the cation, in this embodiment, the ratio of the domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is relatively higher on the substrate 10 side. There are few, and the film surface 30s side becomes a relatively large structure. In such a configuration, reversible non-180 ° domain rotation does not occur on the substrate 10 side, or the amount of reversible non-180 ° domain rotation is small, and reversible non-180 ° domain rotation is relative to the film surface 30s side. Will happen greatly.

「背景技術」の項において、可逆的非180°ドメイン回転を利用した圧電歪では、電界歪特性はヒステリシスが大きく、実用上の制約が大きいことを述べた(図9を参照)。また、降電界時には元のドメイン状態に戻す必要があるが、電界挿印速度(周波数)が高くなると、所望のドメイン回転が起こらなくなる恐れもあることを述べた。   In the section “Background Art”, it was described that in the piezoelectric strain using reversible non-180 ° domain rotation, the electrostrictive characteristics have large hysteresis and large practical limitations (see FIG. 9). In addition, it is necessary to return to the original domain state when the electric field drops, but it has been stated that if the electric field marking speed (frequency) increases, the desired domain rotation may not occur.

本実施形態では、分極軸が可逆的に非180°回転するドメインの割合を膜厚方向に変えているので、膜全体に一様に可逆的非180°ドメイン回転が起こる場合に比較すれば、可逆的非180°ドメイン回転を利用した場合の電界歪特性のヒステリシスを和らげることができる。また、少なくとも膜表面30s側で可逆的非180°ドメイン回転が起こればよいので、電界挿印速度(周波数)が高くなっても、所望通りのドメイン回転を安定的に起こすことができ、可逆的非180°ドメイン回転を利用した場合の周波数特性も改善することができる。   In this embodiment, since the ratio of the domain in which the polarization axis reversibly rotates non-180 ° is changed in the film thickness direction, compared with the case where reversible non-180 ° domain rotation occurs uniformly in the entire film, Hysteresis of the electric field distortion characteristic when reversible non-180 ° domain rotation is used can be reduced. In addition, since it is sufficient that reversible non-180 ° domain rotation occurs at least on the film surface 30s side, domain rotation can be stably performed as desired even when the electric field marking speed (frequency) increases, and reversible. The frequency characteristics when the non-180 ° domain rotation is used can also be improved.

本実施形態では、上記のように、電界印加強度の増減によって、31モード撓み変形が効果的に起こるので、31モード撓み変形によって生じる電界横歪を積極的に利用することもできる。例えば、圧電素子1は、31モード撓み変形によって生じる電界横歪を利用して、振動板等として利用することができる。   In the present embodiment, as described above, the 31-mode bending deformation is effectively caused by the increase / decrease of the electric field application intensity, and therefore, the electric field lateral strain generated by the 31-mode bending deformation can be positively used. For example, the piezoelectric element 1 can be used as a diaphragm or the like by using electric field lateral strain generated by 31-mode bending deformation.

「インクジェット式記録装置」
図6及び図7を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図6は装置全体図であり、図7は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
A configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head 3 according to the above embodiment will be described with reference to FIGS. 6 is an overall view of the apparatus, and FIG. 7 is a partial top view.

図示するインクジェット式記録装置100は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)2K,2C,2M,2Yを有する印字部102と、各ヘッド2K,2C,2M,2Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部114と、記録紙116を供給する給紙部118と、記録紙116のカールを除去するデカール処理部120と、印字部102のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙116の平面性を保持しながら記録紙116を搬送する吸着ベルト搬送部122と、印字部102による印字結果を読み取る印字検出部124と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部126とから概略構成されている。   The illustrated ink jet recording apparatus 100 includes a printing unit 102 having a plurality of ink jet recording heads (hereinafter simply referred to as “heads”) 2K, 2C, 2M, and 2Y provided for each ink color, and each head 2K, An ink storage / loading unit 114 that stores ink to be supplied to 2C, 2M, and 2Y, a paper feeding unit 118 that supplies recording paper 116, a decurling unit 120 that removes curling of the recording paper 116, and a printing unit An adsorption belt conveyance unit 122 that conveys the recording paper 116 while maintaining the flatness of the recording paper 116, and a print detection unit that reads a printing result by the printing unit 102. 124 and a paper discharge unit 126 that discharges printed recording paper (printed matter) to the outside.

印字部102をなすヘッド2K,2C,2M,2Yが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド2である。   The heads 2K, 2C, 2M, and 2Y that form the printing unit 102 are the ink jet recording heads 2 of the above-described embodiment.

デカール処理部120では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム130により記録紙116に熱が与えられて、デカール処理が実施される。   In the decurling unit 120, heat is applied to the recording paper 116 by the heating drum 130 in the direction opposite to the curl direction, and the decurling process is performed.

ロール紙を使用する装置では、図6のように、デカール処理部120の後段に裁断用のカッター128が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター128は、記録紙116の搬送路幅以上の長さを有する固定刃128Aと、該固定刃128Aに沿って移動する丸刃128Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃128Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃128Bが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター128は不要である。   In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 6, a cutter 128 is provided at the subsequent stage of the decurling unit 120, and the roll paper is cut into a desired size by this cutter. The cutter 128 includes a fixed blade 128A having a length equal to or larger than the conveyance path width of the recording paper 116, and a round blade 128B that moves along the fixed blade 128A. The fixed blade 128A is provided on the back side of the print. The round blade 128B is arranged on the print surface side with the conveyance path interposed therebetween. In an apparatus using cut paper, the cutter 128 is unnecessary.

デカール処理され、カットされた記録紙116は、吸着ベルト搬送部122へと送られる。吸着ベルト搬送部122は、ローラ131、132間に無端状のベルト133が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する部分が水平面(フラット面)となるよう構成されている。   The decurled and cut recording paper 116 is sent to the suction belt conveyance unit 122. The suction belt conveyance unit 122 has a structure in which an endless belt 133 is wound between rollers 131 and 132, and at least portions facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the printing detection unit 124 are horizontal ( Flat surface).

ベルト133は、記録紙116の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(図示略)が形成されている。ローラ131、132間に掛け渡されたベルト133の内側において印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ134が設けられており、この吸着チャンバ134をファン135で吸引して負圧にすることによってベルト133上の記録紙116が吸着保持される。   The belt 133 has a width that is wider than the width of the recording paper 116, and a plurality of suction holes (not shown) are formed on the belt surface. An adsorption chamber 134 is provided at a position facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the print detection unit 124 inside the belt 133 that is stretched between the rollers 131 and 132. The recording paper 116 on the belt 133 is sucked and held by suctioning at 135 to make a negative pressure.

ベルト133が巻かれているローラ131、132の少なくとも一方にモータ(図示略)の動力が伝達されることにより、ベルト133は図6上の時計回り方向に駆動され、ベルト133上に保持された記録紙116は図6の左から右へと搬送される。   The power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the rollers 131 and 132 around which the belt 133 is wound, so that the belt 133 is driven in the clockwise direction in FIG. 6 and held on the belt 133. The recording paper 116 is conveyed from left to right in FIG.

縁無しプリント等を印字するとベルト133上にもインクが付着するので、ベルト133の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部136が設けられている。   Since ink adheres to the belt 133 when a borderless print or the like is printed, the belt cleaning unit 136 is provided at a predetermined position outside the belt 133 (an appropriate position other than the print region).

吸着ベルト搬送部122により形成される用紙搬送路上において印字部102の上流側に、加熱ファン140が設けられている。加熱ファン140は、印字前の記録紙116に加熱空気を吹き付け、記録紙116を加熱する。印字直前に記録紙116を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。   A heating fan 140 is provided on the upstream side of the printing unit 102 on the paper conveyance path formed by the suction belt conveyance unit 122. The heating fan 140 heats the recording paper 116 by blowing heated air onto the recording paper 116 before printing. Heating the recording paper 116 immediately before printing makes it easier for the ink to dry after landing.

印字部102は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図7を参照)。各印字ヘッド2K,2C,2M,2Yは、インクジェット式記録装置100が対象とする最大サイズの記録紙116の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。   The printing unit 102 is a so-called full line type head in which a line type head having a length corresponding to the maximum paper width is arranged in a direction (main scanning direction) orthogonal to the paper feeding direction (see FIG. 7). Each of the print heads 2K, 2C, 2M, and 2Y is a line-type head in which a plurality of ink discharge ports (nozzles) are arranged over a length that exceeds at least one side of the maximum size recording paper 116 targeted by the ink jet recording apparatus 100. It is configured.

記録紙116の送り方向に沿って上流側から、黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応したヘッド2K,2C,2M,2Yが配置されている。記録紙116を搬送しつつ各ヘッド2K,2C,2M,2Yからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙116上にカラー画像が記録される。   Heads 2K, 2C, 2M, and 2Y corresponding to the respective color inks are arranged in the order of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) from the upstream side along the feeding direction of the recording paper 116. ing. A color image is recorded on the recording paper 116 by ejecting the color inks from the heads 2K, 2C, 2M, and 2Y while conveying the recording paper 116, respectively.

印字検出部124は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。   The print detection unit 124 includes a line sensor that images the droplet ejection result of the print unit 102 and detects ejection defects such as nozzle clogging from the droplet ejection image read by the line sensor.

印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。   A post-drying unit 142 including a heating fan or the like for drying the printed image surface is provided at the subsequent stage of the print detection unit 124. Since it is preferable to avoid contact with the printing surface until the ink after printing is dried, a method of blowing hot air is preferred.

後乾燥部142の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部144が設けられている。加熱・加圧部144では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ145で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。   A heating / pressurizing unit 144 is provided downstream of the post-drying unit 142 in order to control the glossiness of the image surface. The heating / pressurizing unit 144 presses the image surface with a pressure roller 145 having a predetermined surface irregularity shape while heating the image surface, and transfers the irregular shape to the image surface.

こうして得られたプリント物は、排紙部126から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置100では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部126A、126Bへと送るために排紙経路を切り替える選別手段(図示略)が設けられている。   The printed matter obtained in this manner is outputted from the paper output unit 126. It is preferable that the original image to be printed (printed target image) and the test print are discharged separately. In the ink jet recording apparatus 100, there is provided sorting means (not shown) for switching the paper discharge path in order to select the print product of the main image and the print product of the test print and send them to the discharge units 126A and 126B. It has been.

大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the cutter 148 may be provided to separate the test print portion.
The ink jet recording apparatus 100 is configured as described above.

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。   Examples and comparative examples according to the present invention will be described.

(実施例1)
圧電膜の成膜基板として、表面に自然酸化膜を有する(001)Si単結晶基板上に、Ti密着層(10nm厚)とPt下部電極(100nm厚)とが順次積層された電極付き基板を用意した。
圧電膜の成膜は、2種類のターゲットを設置でき、基板ホルダが回転することで2種類のターゲットから同時に成膜することが可能なRFスパッタリング装置を用いて実施した。下記2種類の組成の第1ターゲット及び第2ターゲットを装置にセットした。基板ホルダの温度は550℃とした。
第1ターゲット:BaTiO
第2ターゲット:2%Mn−BaTiO(BaTiOのTiを2モル%のMnで置換したもの:BaTi0.98Mn0.02
(Example 1)
As a substrate for forming a piezoelectric film, an electrode-attached substrate in which a Ti adhesion layer (10 nm thickness) and a Pt lower electrode (100 nm thickness) are sequentially stacked on a (001) Si single crystal substrate having a natural oxide film on the surface. Prepared.
The piezoelectric film was formed using an RF sputtering apparatus in which two types of targets can be installed and the substrate holder can be rotated to form films from the two types of targets simultaneously. A first target and a second target having the following two compositions were set in the apparatus. The temperature of the substrate holder was 550 ° C.
First target: BaTiO 3 ,
Second target: 2% Mn—BaTiO 3 (Ti of BaTiO 3 substituted with 2 mol% of Mn: BaTi 0.98 Mn 0.02 O 3 )

基板ホルダを回転させて成膜を行い、第1ターゲットへ印加するRFパワーは80Wに固定した。成膜開始時は第2ターゲットへ印加するRFパワーは0Wとし、成膜開始から30分経過後、第2ターゲットへ20WのRFパワーを印加した。その後、20分毎に第2ターゲットへ印加するRFパワーを10Wずつ増加させ、第2ターゲットへ印加するRFパワーを最終的に80Wとした。第1ターゲットのみからの成膜も含めた総成膜時間は180分とした。得られた圧電膜の膜厚は1.5μmであった。
圧電膜の成膜終了後に、Au上部電極(100nm厚)を真空蒸着して、本発明の圧電素子を得た。
Film formation was performed by rotating the substrate holder, and the RF power applied to the first target was fixed at 80W. The RF power applied to the second target was 0 W at the start of film formation, and 20 W of RF power was applied to the second target 30 minutes after the start of film formation. Thereafter, the RF power applied to the second target was increased by 10 W every 20 minutes, and the RF power applied to the second target was finally set to 80 W. The total deposition time including deposition from only the first target was 180 minutes. The film thickness of the obtained piezoelectric film was 1.5 μm.
After the formation of the piezoelectric film, an Au upper electrode (100 nm thickness) was vacuum deposited to obtain the piezoelectric element of the present invention.

本例では、第2ターゲットへ印加するRFパワーを経時的に変化させることで、厚み方向の膜組成を変化させたが、第1ターゲット及び第2ターゲットへの印加パワーはいずれも固定した状態で、基板ホルダの回転と停止とを繰り返し、その停止時間を制御することでも、厚み方向の膜組成を変化させることができる。   In this example, the RF power applied to the second target was changed over time to change the film composition in the thickness direction, but the applied power to the first target and the second target were both fixed. The film composition in the thickness direction can also be changed by repeating the rotation and stop of the substrate holder and controlling the stop time.

(実施例2)
下記組成の第1ターゲット及び第2ターゲットを用いて圧電膜の成膜を行った以外は、実施例1と同様にして本発明の圧電素子を得た。
第1ターゲット:KNaNb
第2ターゲット:2%Mn−KNaNb(KNaNbのNbを2モル%のMnで置換したもの:KNaNb1.96Mn0.04
(Example 2)
A piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that a piezoelectric film was formed using a first target and a second target having the following composition.
First target: KNaNb 2 O 6 ,
Second target: 2% Mn—KNaNb 2 O 6 (Nb in KNaNb 2 O 6 substituted with 2 mol% of Mn: KNaNb 1.96 Mn 0.04 O 6 )

(実施例3)
圧電膜の成膜基板として、(0001)サファイヤ基板上にTi密着層とPt下部電極とが順次積層された電極付き基板(Ti密着層とPt下部電極の膜厚は実施例1と同様)を用意した以外は、実施例1と同様にして本発明の圧電素子を得た。
(Example 3)
A substrate with an electrode in which a Ti adhesion layer and a Pt lower electrode are sequentially laminated on a (0001) sapphire substrate (the film thickness of the Ti adhesion layer and the Pt lower electrode is the same as in Example 1) as a piezoelectric film deposition substrate. A piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was prepared.

(比較例1,2,4)
表1に示す組成の1種類のターゲットのみを用いて圧電膜の成膜を行った以外は、実施例1,2と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(比較例3)
表1に示す組成の第1ターゲット及び第2ターゲットを用いて圧電膜の成膜を行った以外は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を得た。
(Comparative Examples 1, 2, 4)
A comparative piezoelectric element was obtained in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the piezoelectric film was formed using only one type of target having the composition shown in Table 1.
(Comparative Example 3)
A comparative piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the piezoelectric film was formed using the first target and the second target having the composition shown in Table 1.

<評価>
<XRD測定>
圧電膜の成膜が終了した時点で、Cu−Kαの特性X線で圧電膜のX線回折(XRD)測定を実施した。
<圧電定数>
得られた圧電素子の圧電定数d31を片持ち梁法で測定した。
<Evaluation>
<XRD measurement>
When film formation of the piezoelectric film was completed, X-ray diffraction (XRD) measurement of the piezoelectric film was performed with Cu-Kα characteristic X-rays.
<Piezoelectric constant>
The piezoelectric constant d 31 of the obtained piezoelectric element was measured with a cantilever technique.

<結果>
代表として、実施例1で得られた圧電膜のXRDパターンを図8に示す。22°付近及び45°付近の回折線が大きく、かつ45°の回折線がスプリットしたパターンであった。すなわち、得られた圧電膜は、c軸とa軸が基板面に対して垂直に優先配向した膜構造であった。他の実施例と比較例においても同様の回折パターンが得られた。
<Result>
As a representative, the XRD pattern of the piezoelectric film obtained in Example 1 is shown in FIG. The diffraction lines near 22 ° and 45 ° were large, and the 45 ° diffraction lines were split. That is, the obtained piezoelectric film had a film structure in which the c-axis and a-axis were preferentially oriented perpendicular to the substrate surface. Similar diffraction patterns were obtained in other examples and comparative examples.

各例において用いたターゲット組成と評価結果を表1に示す。
Mnの添加量が基板側は相対的に少なく膜表面側は相対的に多くなるように圧電膜の成膜を行った実施例1〜3では、比較例1〜3より高い圧電定数が得られた。実施例1とは逆に、Mnの添加量が基板側は相対的に多く膜表面側は相対的に少なくなるように圧電膜の成膜を行った比較例3では、高い圧電定数は得られず、Mn濃度が一様である比較例2と同程度であった。
基板の構成材料よりも圧電膜の構成材料の方が室温〜500℃の熱膨張率が大きくなるように、基板及び圧電膜の材料の組み合わせを選定した実施例1,2では、特に高い圧電定数が得られた。
Table 1 shows the target composition and evaluation results used in each example.
In Examples 1 to 3 in which the piezoelectric film was formed so that the amount of Mn added was relatively small on the substrate side and relatively large on the film surface side, a higher piezoelectric constant than in Comparative Examples 1 to 3 was obtained. It was. In contrast to Example 1, in Comparative Example 3 in which the piezoelectric film was formed such that the amount of Mn added was relatively large on the substrate side and relatively small on the film surface side, a high piezoelectric constant was obtained. The Mn concentration was almost the same as in Comparative Example 2.
In Examples 1 and 2 in which the combination of the material of the substrate and the piezoelectric film was selected so that the material of the piezoelectric film had a higher coefficient of thermal expansion at room temperature to 500 ° C. than the material of the substrate, the piezoelectric constant was particularly high. was gotten.

Figure 2008004781
Figure 2008004781

本発明の圧電膜は、インクジェット式記録ヘッド,磁気記録再生ヘッド,MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイス,マイクロポンプ,超音波探触子等に搭載される圧電アクチュエータ、及び振動板等に好ましく利用できる。   The piezoelectric film of the present invention is preferably used for an ink jet recording head, a magnetic recording / reproducing head, a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device, a micro pump, an ultrasonic probe mounted on an ultrasonic probe, and a diaphragm. it can.

本発明に係る実施形態の圧電素子及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造を示す要部断面図1 is a cross-sectional view of a principal part showing the structure of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and an ink jet recording head including the same (a)は通常の圧電歪の様子を示す図、(b)は可逆的非180°ドメイン回転による圧電歪の様子を示す図(A) is a diagram showing a state of normal piezoelectric strain, (b) is a diagram showing a state of piezoelectric strain due to reversible non-180 ° domain rotation. (a)は分極処理前の圧電膜の状態を示す図、(b)は分極処理済みの圧電膜の電界無印加時の状態を示す図、(c)は分極処理済みの圧電膜に対して電界を印加した状態を示す図(A) is a figure which shows the state of the piezoelectric film before polarization processing, (b) is a figure which shows the state at the time of no electric field application of the piezoelectric film after polarization processing, (c) is with respect to the piezoelectric film after polarization processing The figure which shows the state which applied the electric field 基板及び圧電膜の熱膨張率の関係を規定することで、可逆的非180°ドメイン回転を安定的に起こすことができることを説明する説明図Explanatory drawing explaining that reversible non-180 ° domain rotation can be stably caused by defining the relationship between the thermal expansion coefficients of the substrate and the piezoelectric film. 31モード撓み変形の説明図Explanatory drawing of 31 mode bending deformation 図1のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図1 is a diagram illustrating a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head of FIG. 図6のインクジェット式記録装置の部分上面図Partial top view of the ink jet recording apparatus of FIG. 実施例1で得られた圧電膜のXRDパターンXRD pattern of the piezoelectric film obtained in Example 1 可逆的非180°ドメイン回転を利用した圧電素子の電界歪特性の例を示す図The figure which shows the example of the electric field distortion characteristic of the piezoelectric element using a reversible non-180 degree domain rotation

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電素子
2,2K,2C,2M,2Y インクジェット式記録ヘッド
10 基板
20、40 電極
30 圧電膜
30a aドメイン
30c cドメイン
30s 圧電膜の膜表面
50 振動板
60 インクノズル(インク貯留吐出部材)
61 インク室
62 インク吐出口
100 インクジェット式記録装置
D 短範囲秩序を持つ欠陥
X 電界を印加しても分極軸が回転しないドメイン
Y 電界を印加すると分極軸が180°回転するドメイン
Z1 電界を印加すると分極軸が非180°回転し、電界を取り除いても分極軸が元に戻らないドメイン
Z2 電界を印加すると分極軸が非180°回転し、電界を取り除くと分極軸が元に戻るドメイン(分極軸が可逆的に非180°回転するドメイン)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element 2, 2K, 2C, 2M, 2Y Inkjet recording head 10 Substrate 20, 40 Electrode 30 Piezoelectric film 30a a domain 30c c domain 30s Piezoelectric film surface 50 Diaphragm 60 Ink nozzle (ink storage and discharge member)
61 Ink chamber 62 Ink discharge port 100 Inkjet recording apparatus D Defect with short range order X Domain whose polarization axis does not rotate even when an electric field is applied Y Domain where the polarization axis rotates 180 ° when an electric field is applied When a Z1 electric field is applied Domain where the polarization axis rotates non-180 °, and the polarization axis does not return even if the electric field is removed Z2 The domain where the polarization axis rotates non-180 ° when an electric field is applied, and the polarization axis returns to the original state when the electric field is removed (polarization axis Is a reversible non-180 ° domain)

Claims (21)

基板上に成膜された、一般式ABO(式中、A:Aサイトをなす少なくとも1種の金属元素、B:Bサイトをなす少なくとも1種の金属元素、O:酸素原子、Aサイト元素のモル数が1.0であり、かつBサイト元素のモル数が1.0である場合が標準であるが、Aサイト元素とBサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい)において、
少なくとも一部は、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有しており、
かつ、膜厚方向に見て、前記基板側から膜表面側に向けて、前記カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなっていることを特徴とする圧電膜。
The general formula ABO 3 (A: at least one metal element forming an A site, B: at least one metal element forming a B site, O: oxygen atom, A site element formed on a substrate) It is standard that the number of moles of the B site element is 1.0 and the number of moles of the B site element is 1.0, but the number of moles of the A site element and the B site element is 1 within a range that can take a perovskite structure. In the piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of a perovskite oxide represented by:
At least a part has a composition in which part of the A site and / or B site of the parent perovskite oxide is substituted with one or more kinds of cations having a smaller ionic valence than the substituted ion. ,
In addition, the piezoelectric film is characterized in that the addition amount of the cation increases continuously or stepwise from the substrate side toward the film surface side as viewed in the film thickness direction.
前記カチオンは、Li,Na,及びKからなる群より選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の圧電膜。   2. The piezoelectric film according to claim 1, wherein the cation is at least one selected from the group consisting of Li, Na, and K. 3. 前記カチオンは、前記母体ペロブスカイト型酸化物のAサイトを置換していることを特徴とする請求項2に記載の圧電膜。   The piezoelectric film according to claim 2, wherein the cation substitutes an A site of the base perovskite oxide. 前記母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のIV族元素が含まれており、前記カチオンが該IV族元素の一部を置換していることを特徴とする請求項1に記載の圧電膜。   The B site of the parent perovskite oxide contains one or more group IV elements, and the cation substitutes a part of the group IV element. Piezoelectric film. 前記IV族元素がTi及び/又はZrであることを特徴とする請求項4に記載の圧電膜。   The piezoelectric film according to claim 4, wherein the group IV element is Ti and / or Zr. 前記カチオンが、Li,Na,K,Mg,Ca,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Sb,Bi,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項4又は5に記載の圧電膜。   The cation is selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sb, Bi, and rare earths. 6. The piezoelectric film according to claim 4, wherein the piezoelectric film is at least one kind. 前記母体ペロブスカイト型酸化物のBサイトに1種又は複数種のV族元素が含まれており、前記カチオンが該V族元素の一部を置換していることを特徴とする請求項1に記載の圧電膜。   The B site of the parent perovskite oxide contains one or more V group elements, and the cation substitutes a part of the V group elements. Piezoelectric film. 前記V族元素がNb及び/又はTaであることを特徴とする請求項7に記載の圧電膜。   The piezoelectric film according to claim 7, wherein the group V element is Nb and / or Ta. 前記カチオンが、Li,Na,K,Mg,Ca,Ti,Zr,Hf,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Sb,Bi,Se,Te,及び希土類からなる群より選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項7又は8に記載の圧電膜。   The cations are Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, 9. The piezoelectric film according to claim 7, wherein the piezoelectric film is at least one selected from the group consisting of Sb, Bi, Se, Te, and rare earth. 前記カチオンの添加によって、電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインが形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の圧電膜。   10. The piezoelectric film according to claim 1, wherein a domain in which a polarization axis reversibly rotates non-180 ° by an increase or decrease in electric field application intensity is formed by the addition of the cation. 結晶構造が、正方晶系、斜方晶系、菱面体晶系、及びこれらの結晶系が複数混合した結晶系のうちいずれかであることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の圧電膜。   The crystal structure is any one of a tetragonal system, an orthorhombic system, a rhombohedral system, and a crystal system obtained by mixing a plurality of these crystal systems. Piezoelectric film. 結晶配向性を有していることを特徴とする請求項11に記載の圧電膜。   The piezoelectric film according to claim 11, wherein the piezoelectric film has crystal orientation. 結晶構造が、正方晶系、又は正方晶系と他の結晶系とが混合した結晶系であり、
電界無印加時において、正方晶のa軸が前記基板の基板面に対して垂直方向に優先配向したaドメインと、正方晶のc軸が前記基板の基板面に対して垂直方向に優先配向したcドメインとを有し、少なくとも一部の前記aドメインが電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転するドメインとなっていることを特徴とする請求項12に記載の圧電膜。
The crystal structure is a tetragonal system, or a crystal system in which a tetragonal system and other crystal systems are mixed,
When no electric field is applied, the a-domain of the tetragonal crystal is preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface of the substrate, and the c-axis of the tetragonal crystal is preferentially oriented in the direction perpendicular to the substrate surface of the substrate. 13. The piezoelectric film according to claim 12, wherein the piezoelectric film has a c domain, and at least a part of the a domain is a domain whose polarization axis is reversibly rotated by 180 ° by an increase or decrease in electric field applied intensity. .
前記基板の構成材料より室温〜500℃の熱膨張率が大きい材料からなることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の圧電膜。   The piezoelectric film according to any one of claims 1 to 13, wherein the piezoelectric film is made of a material having a thermal expansion coefficient of room temperature to 500 ° C higher than that of the constituent material of the substrate. 気相成長法により成膜されたものであって、
前記カチオンの含有量の異なる複数のターゲットを用意し、成膜中に該複数のターゲットからの成膜の割合を変更して成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の圧電膜。
It was formed by vapor deposition,
The plurality of targets having different cation contents are prepared, and the film is formed by changing the rate of film formation from the plurality of targets during film formation. The piezoelectric film according to any one of the above.
基板上に、一般式ABO(式中、A:Aサイトをなす少なくとも1種の金属元素、B:Bサイトをなす少なくとも1種の金属元素、O:酸素原子、Aサイト元素のモル数が1.0であり、かつBサイト元素のモル数が1.0である場合が標準であるが、Aサイト元素とBサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい)を成膜する圧電膜の成膜方法において、
前記圧電膜の少なくとも一部は、母体ペロブスカイト型酸化物のAサイト及び/又はBサイトの一部が、被置換イオンよりもイオン価数の小さい1種又は複数種のカチオンで置換された組成を有するものであり、
膜厚方向に見て、前記基板側から膜表面側に向けて、前記カチオンの添加量が連続的に又は段階的に多くなるように、前記圧電膜の成膜を行うことを特徴とする圧電膜の成膜方法。
On the substrate, the general formula ABO 3 (wherein A: at least one metal element forming an A site, B: at least one metal element forming a B site, O: oxygen atom, and the number of moles of the A site element) The standard is 1.0 and the number of moles of the B-site element is 1.0, but the number of moles of the A-site element and the B-site element deviates from 1.0 within a range where a perovskite structure can be obtained. In the method for forming a piezoelectric film for forming a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of a perovskite oxide represented by:
At least a part of the piezoelectric film has a composition in which a part of the A site and / or B site of the base perovskite oxide is substituted with one or more kinds of cations having a smaller ionic valence than the substituted ion. Have
The piezoelectric film is formed such that the amount of the cation added increases continuously or stepwise from the substrate side toward the film surface side in the film thickness direction. A film forming method.
前記成膜が気相成長法による成膜であり、
成膜時間の経過と共に、前記カチオンの添加量を連続的に又は段階的に増加させて、前記成膜を行うことを特徴とする請求項16に記載の圧電膜の成膜方法。
The film formation is film formation by vapor deposition,
17. The method for forming a piezoelectric film according to claim 16, wherein the film formation is performed by increasing the addition amount of the cation continuously or stepwise as the film formation time elapses.
前記カチオンの含有量の異なる複数のターゲットを用意し、前記成膜中に該複数のターゲットからの成膜の割合を変更して、前記成膜を行うことを特徴とする17に記載の圧電膜の成膜方法。   18. The piezoelectric film according to 17, wherein a plurality of targets having different cation contents are prepared, and the film formation is performed by changing a ratio of film formation from the plurality of targets during the film formation. The film forming method. 請求項1〜15のいずれかに記載の圧電膜と、該圧電膜の膜厚方向に電界を印加する電極とを備えたことを特徴とする圧電素子。   A piezoelectric element comprising: the piezoelectric film according to claim 1; and an electrode for applying an electric field in a film thickness direction of the piezoelectric film. 請求項19に記載の圧電素子と、
インクが貯留されるインク室及び該インク室から外部に前記インクが吐出されるインク吐出口を有するインク貯留吐出部材とを備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
The piezoelectric element according to claim 19,
An ink jet recording head, comprising: an ink chamber in which ink is stored; and an ink storage and discharge member having an ink discharge port through which the ink is discharged from the ink chamber to the outside.
請求項20に記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。   An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 20.
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