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JP2013105971A - Liquid injection head, liquid injection apparatus, and piezoelectric element - Google Patents

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

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JP2013105971A
JP2013105971A JP2011250370A JP2011250370A JP2013105971A JP 2013105971 A JP2013105971 A JP 2013105971A JP 2011250370 A JP2011250370 A JP 2011250370A JP 2011250370 A JP2011250370 A JP 2011250370A JP 2013105971 A JP2013105971 A JP 2013105971A
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Japan
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piezoelectric
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piezoelectric element
film
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JP2011250370A
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Japanese (ja)
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Koji Sumi
浩二 角
Kazuya Kitada
和也 北田
Toshiaki Takahashi
敏明 高橋
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

【課題】少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む圧電体層を備える圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる。
【解決手段】圧電体層30は、第1電極20上に形成され、少なくとも鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むペロブスカイト型酸化物を有する第1の層と、該第1の層31上に形成され、少なくともビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むぺロブスカイト型酸化物を有する第2の層32と、を備える
【選択図】図1
The performance of a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus including a piezoelectric layer including at least Bi, Ba, Fe, and Ti is improved.
A piezoelectric layer is formed on a first electrode, and is formed on the first layer and a first layer having a perovskite oxide containing at least lead, zirconium, and titanium. And a second layer 32 having a perovskite oxide containing at least bismuth, barium, iron and titanium.

Description

本発明は、圧電素子、及びこの圧電素子を備える液体噴射ヘッドに関する。   The present invention relates to a piezoelectric element and a liquid jet head including the piezoelectric element.

結晶を歪ませると帯電したり、電界中に置くと歪んだりする特徴を持つ圧電素子は、インクジェットプリンター等の液体噴射装置や、アクチュエーター、センサー等に広く用いられている。また、この圧電素子の代表的な圧電材料として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛が用いられる(例えば、特許文献1、2参照)。   Piezoelectric elements having the characteristics of being charged when a crystal is distorted or distorted when placed in an electric field are widely used in liquid ejecting apparatuses such as ink jet printers, actuators, sensors, and the like. As a typical piezoelectric material of this piezoelectric element, PZT (lead zirconate titanate) is used (for example, refer to Patent Documents 1 and 2).

近年、環境負荷の観点から鉛の使用量を減らした圧電素子が求められている(例えば、特許文献3参照)。そのため、鉛に代えて、ビスマス(Bi)やバリウム(Ba)を含む非鉛系の圧電素子の研究が進められている。例えば、特許文献1に開示されたBiFeO3−BaTiO3系(以下、BF―BTとも記載する。)材料は、非鉛薄膜圧電材料として良好な特性を有する。   In recent years, there has been a demand for a piezoelectric element in which the amount of lead used is reduced from the viewpoint of environmental load (see, for example, Patent Document 3). Therefore, research on lead-free piezoelectric elements containing bismuth (Bi) or barium (Ba) instead of lead has been underway. For example, the BiFeO3-BaTiO3 (hereinafter also referred to as BF-BT) material disclosed in Patent Document 1 has good characteristics as a lead-free thin film piezoelectric material.

特開平11−126930号公報JP-A-11-126930 特開平11−129478号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-129478 特開2005−244133号公報JP 2005-244133 A

しかしながら、BiFeO3−BaTiO3系圧電材料は、PZTに比べてヤング率が高くなるため、圧電体層にクラックが発生する場合があることが分かった。また、圧電体層と第1電極との界面に加わる応力は膜厚と比例関係にあるため、圧電体層の膜厚が所定長を越すとクラックの発生が顕著となり、膜厚を成長させることが難しかった。なお、このような問題は、液体噴射ヘッドに限らず、圧電アクチュエーターやセンサー等の圧電素子においても同様に存在する。   However, the BiFeO3-BaTiO3 piezoelectric material has a higher Young's modulus than PZT, and it has been found that cracks may occur in the piezoelectric layer. In addition, since the stress applied to the interface between the piezoelectric layer and the first electrode is proportional to the film thickness, if the thickness of the piezoelectric layer exceeds a predetermined length, the occurrence of cracks becomes significant and the film thickness grows. It was difficult. Such a problem exists not only in the liquid ejecting head but also in a piezoelectric element such as a piezoelectric actuator or a sensor.

以上を鑑み、本発明の目的の1つは少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む圧電体層を備える圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させることにある。   In view of the above, one object of the present invention is to improve the performance of a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus that include a piezoelectric layer including at least Bi, Ba, Fe, and Ti.

上記目的の1つを達成するために、本発明では、ノズル開口に連通する圧力発生室と、圧電体層、第1電極及び第2電極を有する圧電素子と、備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層は、前記第1電極上に形成され、少なくとも鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むペロブスカイト型酸化物を有する第1の層と、前記第1の層上に形成され、少なくともビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むぺロブスカイト型酸化物を有する第2の層と、を備える。   In order to achieve one of the above objects, according to the present invention, there is provided a liquid ejecting head including a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening, a piezoelectric element having a piezoelectric layer, a first electrode, and a second electrode. The piezoelectric layer is formed on the first electrode, has a first layer having a perovskite oxide containing at least lead, zirconium, and titanium, and is formed on the first layer, and has at least bismuth, And a second layer having a perovskite oxide containing barium, iron, and titanium.

さらに、本発明では、圧電体層、第1電極及び第2電極を有する圧電素子であって、前記圧電体層は、前記第1電極上に形成され、少なくとも鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むペロブスカイト型酸化物を有する第1の層と、前記第1の層上に形成され、少なくともビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むぺロブスカイト型酸化物を有する第2の層と、を備える。   Furthermore, in the present invention, a piezoelectric element having a piezoelectric layer, a first electrode, and a second electrode, wherein the piezoelectric layer is formed on the first electrode and includes a perovskite containing at least lead, zirconium, and titanium. A first layer having a type oxide, and a second layer formed on the first layer and having a perovskite type oxide containing at least bismuth, barium, iron and titanium.

即ち、圧電素子に対して応力が高くなる下電極の上に少なくとも鉛、亜鉛、及びチタンを含む第1の層を形成する。この第1の層は、圧電体層と比べてヤング率が低い材料で形成されるため、クラックの発生を低減することができる。また、第1の層は、少なくとも、鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むことで一定の誘電率を確保することができ、圧電体層の駆動を阻害しない。   That is, a first layer containing at least lead, zinc, and titanium is formed on the lower electrode that increases stress with respect to the piezoelectric element. Since the first layer is formed of a material having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric layer, occurrence of cracks can be reduced. In addition, the first layer contains at least lead, zirconium, and titanium, so that a certain dielectric constant can be secured, and driving of the piezoelectric layer is not hindered.

本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子3の要部を示す垂直断面図である。FIG. 3 is a vertical cross-sectional view illustrating a main part of a piezoelectric element 3 included in a liquid ejecting head according to an embodiment of the invention. 液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド1を分解して示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head 1 which is an example of a liquid ejecting head in an exploded manner. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を説明するための断面図である。(A)-(c) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the recording head 1. FIG. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を説明するための断面図である。(A)-(c) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the recording head 1. FIG. 上述した記録ヘッド1を有する記録装置(液体噴射装置)200の外観を示している。2 shows an appearance of a recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200 having the recording head 1 described above. 実施例1の圧電体層の表面を示すSEM図である。3 is an SEM diagram showing the surface of a piezoelectric layer of Example 1. FIG. 比較例1の圧電体層の表面を示すSEM図である。6 is an SEM diagram showing the surface of a piezoelectric layer of Comparative Example 1. FIG. 実施例1と比較例1とのリーク電流の値を示すグラフである。6 is a graph showing values of leakage currents of Example 1 and Comparative Example 1.

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

(1)圧電素子、液体噴射ヘッドの概略構成
図1は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子3の要部を示す垂直断面図である。また、図2は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド1を分解して示す分解斜視図である。そして、図3(a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を説明するための断面図である。さらに、図4(a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を説明するための断面図である。
(1) Schematic Configuration of Piezoelectric Element and Liquid Ejecting Head FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the main part of the piezoelectric element 3 included in the liquid ejecting head according to the embodiment of the invention. FIG. 2 is an exploded perspective view showing the ink jet recording head 1 which is an example of the liquid ejecting head in an exploded manner. 3A to 3C are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the recording head 1. 4A to 4C are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the recording head 1.

図2に例示する記録ヘッド(液体噴射ヘッド)1は、圧電体層30、及び電極(20、40)を有する圧電素子3と、ノズル開口71に連通し圧電素子3により圧力変化が生じる圧力発生室12とを備えている。より具体的には、圧電素子3は、弾性膜を備える振動板16上に下電極20、圧電体層30及び上電極40の順に積層して構成されている。また、圧力発生室12は流路形成基板10の一部を構成するシリコン基板15に形成されている。そして、振動板16の圧電素子3が積層されない側には、流路形成基板10が固着されている。また、流路形成基板10の振動板16と固着されない側には、ノズルプレート70が固着されている。このノズルプレート70にはインクが吐出する流路の一部と成るノズル開口71が複数穿設されている。さらに、振動板16の圧電素子3が固着される側には、コンプライアンス基板60が固着された保護基板50が固着されている。   The recording head (liquid ejecting head) 1 illustrated in FIG. 2 includes a piezoelectric element 3 having a piezoelectric layer 30 and electrodes (20, 40), and pressure generation that causes a pressure change by the piezoelectric element 3 communicating with the nozzle opening 71. And a chamber 12. More specifically, the piezoelectric element 3 is configured by laminating the lower electrode 20, the piezoelectric layer 30, and the upper electrode 40 in this order on the diaphragm 16 having an elastic film. The pressure generation chamber 12 is formed on a silicon substrate 15 that constitutes a part of the flow path forming substrate 10. The flow path forming substrate 10 is fixed to the side of the diaphragm 16 where the piezoelectric element 3 is not laminated. A nozzle plate 70 is fixed to the side of the flow path forming substrate 10 that is not fixed to the diaphragm 16. The nozzle plate 70 has a plurality of nozzle openings 71 that are part of a flow path for ejecting ink. Further, a protective substrate 50 to which a compliance substrate 60 is fixed is fixed to the side of the diaphragm 16 to which the piezoelectric element 3 is fixed.

まずは、図1を参照して、圧電素子3の構成を説明する。
圧電素子3は、下電極(第1の電極)20と上電極(第2の電極)40との間に圧電体層30挟むよう各層を積層させて形成されている。また、圧電体層30は、下電極20の直上に鉛を含んだ第1の層31と、第1の層31の上にビスマス(Bi)及びバリウム(Ba)を含んだ第2の層32とを積層することで、圧電体層30におけるクラックの発生を抑制する構成である。
即ち、圧電素子3において応力は振動板16との界面付近において最大となる。一方、Biを含有する複合酸化物では、(i)脆性が強く、延性に乏しい、又(ii)ヤング率が大きくなる(例えば、150Gpa)、特徴がある。そのため、上記(i)(ii)の特徴により、圧電体層30において応力の発生が顕著となる下電極20との界面付近においてクラックが生じやすくなる。そこで、圧電体層30では、下電極20の直上にヤング率が小さい第1の層31を設けることでクラックの発生を抑制している。
First, the configuration of the piezoelectric element 3 will be described with reference to FIG.
The piezoelectric element 3 is formed by stacking layers so that the piezoelectric layer 30 is sandwiched between a lower electrode (first electrode) 20 and an upper electrode (second electrode) 40. The piezoelectric layer 30 includes a first layer 31 containing lead immediately above the lower electrode 20 and a second layer 32 containing bismuth (Bi) and barium (Ba) on the first layer 31. Are stacked to suppress the occurrence of cracks in the piezoelectric layer 30.
That is, in the piezoelectric element 3, the stress becomes maximum near the interface with the diaphragm 16. On the other hand, the composite oxide containing Bi is characterized by (i) strong brittleness and poor ductility, and (ii) a high Young's modulus (for example, 150 Gpa). Therefore, due to the features (i) and (ii) above, cracks are likely to occur in the vicinity of the interface with the lower electrode 20 where the generation of stress is significant in the piezoelectric layer 30. Therefore, in the piezoelectric layer 30, the generation of cracks is suppressed by providing the first layer 31 having a small Young's modulus immediately above the lower electrode 20.

図1に示すように、振動板16の直上には、白金(Pt)とチタン(Ti)の少なくとも一方を含有する層を有する下電極20が積層されている。   As shown in FIG. 1, a lower electrode 20 having a layer containing at least one of platinum (Pt) and titanium (Ti) is laminated immediately above the diaphragm 16.

そして、下電極20の直上には、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)を少なくとも含む第1の層31が積層されている。この第1の層31は、ぺロブスカイト型酸化物により構成され、Aサイト元素にPbを含み、Bサイト元素にZr及びTiをそれぞれ含むチタン酸ジルコン酸鉛により構成されている。このようなペロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表される組成のペロブスカイト型酸化物が含まれる。
Pb(Zr、Ti)Ox … (1)
(Pb、MA)(Zr、Ti)Ox … (2)
Pb(Zr、Ti、MB)Ox …(3)
(Pb、MA)(Zr、Ti、MB)Ox … (4)
ここで、MAはPbを除く1種類以上の金属元素であり、MBはZr、Ti及びPbを除く1種類以上の金属元素である。xは3が標準であるが、ぺロブスカイト構造を取り得る範囲で3からずれてもよい。Aサイト元素とBサイト元素との比は1:1が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で1:1からずれてもよい。
MB元素には、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、等が含まれる。
A first layer 31 containing at least lead (Pb), zirconium (Zr), and titanium (Ti) is laminated immediately above the lower electrode 20. The first layer 31 is made of a perovskite oxide, and is made of lead zirconate titanate containing Pb as the A site element and Zr and Ti as the B site element. Such a perovskite oxide includes a perovskite oxide having a composition represented by the following general formula.
Pb (Zr, Ti) Ox (1)
(Pb, MA) (Zr, Ti) Ox (2)
Pb (Zr, Ti, MB) Ox (3)
(Pb, MA) (Zr, Ti, MB) Ox (4)
Here, MA is one or more metal elements excluding Pb, and MB is one or more metal elements excluding Zr, Ti, and Pb. x is 3 as a standard, but may deviate from 3 within a range where a perovskite structure can be taken. The ratio of the A site element to the B site element is 1: 1 as a standard, but may be deviated from 1: 1 within a range where a perovskite structure can be taken.
The MB element includes niobium (Nb), tantalum (Ta), and the like.

さらに、第1の層31の直上には、第2の層32が積層されている。この第2の層32は、少なくとも、Aサイト元素にビスマス(Bi)及びバリウム(Ba)を含み、Bサイト元素に少なくとも鉄(Fe)及びチタン(Ti)を含む、非鉛系のぺロブスカイト型酸化物である。このようなぺロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表れる組成の非鉛系ペロブスカイト型酸化物が含まれる。
(Bi、Ba)(Fe、Ti)Ox … (5)
(Bi、Ba、MC)(Fe、Ti)Ox … (6)
(Bi、Ba)(Fe、Ti、MD)Ox …(7)
(Bi、Ba、MC)(Fe、Ti、MD)Ox … (8)
ここで、MCはBi、Baを除く1種類以上の金属元素であり、MDはFe、Ti、Bi、及びBaを除く1種類以上の金属元素である。xは3が標準であるが、ぺロブスカイト構造を取り得る範囲で3からずれてもよい。Aサイト元素とBサイト元素との比は1:1が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲で1:1からずれてもよい。
Further, a second layer 32 is laminated immediately above the first layer 31. This second layer 32 is a lead-free perovskite type containing at least bismuth (Bi) and barium (Ba) as the A site element and at least iron (Fe) and titanium (Ti) as the B site element. It is an oxide. Such a perovskite oxide includes a lead-free perovskite oxide having a composition represented by the following general formula.
(Bi, Ba) (Fe, Ti) Ox (5)
(Bi, Ba, MC) (Fe, Ti) Ox (6)
(Bi, Ba) (Fe, Ti, MD) Ox (7)
(Bi, Ba, MC) (Fe, Ti, MD) Ox (8)
Here, MC is one or more metal elements excluding Bi and Ba, and MD is one or more metal elements excluding Fe, Ti, Bi, and Ba. x is 3 as a standard, but may deviate from 3 within a range where a perovskite structure can be taken. The ratio of the A site element to the B site element is 1: 1 as a standard, but may be deviated from 1: 1 within a range where a perovskite structure can be taken.

Bi、Ba、MAのモル数合計に対するBiのモル数比は、例えば、65〜95%程度とすることができる。また、Bi、Ba、MAのモル数合計に対するBaのモル数比は、例えば、5〜35%程度とすることができる。そして、Bi、Ba、MAのモル数合計に対するMAのモル数比は、例えば、0.1〜30%程度とすることができる。
さらに、Fe、Ti、MDのモル数合計に対するFeのモル数比は、例えば、52〜95%程度とすることができる。さらに、Fe、Ti、MDのモル数合計に対するTiのモル数比は、例えば、5〜35%程度とすることができる。そして、Fe、Ti、MDのモル数合計に対するMDのモル数比は、例えば、0.1〜19%程度とすることができる。
MD元素には、Mn等が含まれる。Bサイト構成金属中のMnのモル数比は、Bサイト構成金属の全モル数比を100%として、例えば、0.1〜10%程度とすることができる。Mnを添加すると圧電体層の絶縁性を高く(リーク特性を改善)する効果が期待されるが、Mnが無くても圧電性能を有する圧電素子を形成することができる。
The molar ratio of Bi to the total molar number of Bi, Ba, and MA can be, for example, about 65 to 95%. Moreover, the mole number ratio of Ba with respect to the total mole number of Bi, Ba, and MA can be about 5 to 35%, for example. And the mole number ratio of MA with respect to the mole number total of Bi, Ba, and MA can be about 0.1 to 30%, for example.
Furthermore, the molar ratio of Fe to the total molar number of Fe, Ti, and MD can be, for example, about 52 to 95%. Furthermore, the mole number ratio of Ti with respect to the total mole number of Fe, Ti, and MD can be, for example, about 5 to 35%. And the mole number ratio of MD with respect to the mole number total of Fe, Ti, MD can be made into about 0.1 to 19%, for example.
The MD element includes Mn and the like. The molar ratio of Mn in the B site constituent metal can be, for example, about 0.1 to 10%, with the total molar ratio of the B site constituent metal being 100%. When Mn is added, an effect of increasing the insulating property of the piezoelectric layer (improving leakage characteristics) is expected, but a piezoelectric element having piezoelectric performance can be formed without Mn.

そして、第2の層32の上には、上電極40が積層されている。上電極40を構成する金属は、イリジウム(Ir)、金(Au)、白金(Pt)等を用いることができる。無論これ以外にも、上記した金属に異なる金属を含有するものであってもよい。
また、第2の層32の直上に上電極40を積層することは一例であり、これ以外にも、第2の層32と上電極40との間に他の層が積層された構成としてもよい。
An upper electrode 40 is stacked on the second layer 32. As the metal constituting the upper electrode 40, iridium (Ir), gold (Au), platinum (Pt), or the like can be used. Of course, in addition to this, a different metal may be contained in the above-described metal.
In addition, the upper electrode 40 may be stacked directly on the second layer 32. In addition to this, another layer may be stacked between the second layer 32 and the upper electrode 40. Good.

ここで、第1の層31と第2の層32の厚みの比は、圧電体層30(第1の層31と第2の層32との和)の厚みを100パーセントとした場合に、第1の層31の厚みの比が30パーセント以下となることが望ましい。より好ましくは、第1の層31の厚みの比が10パーセント付近となることが望ましい。第1の層31の厚みの比を30パーセント以下とすれば、圧電素子におけるPbの含有量を減らしつつ、本発明の目的を達成することができるからである。   Here, the ratio of the thicknesses of the first layer 31 and the second layer 32 is obtained when the thickness of the piezoelectric layer 30 (the sum of the first layer 31 and the second layer 32) is 100%. The thickness ratio of the first layer 31 is desirably 30% or less. More preferably, the thickness ratio of the first layer 31 is about 10%. This is because if the thickness ratio of the first layer 31 is 30% or less, the object of the present invention can be achieved while reducing the Pb content in the piezoelectric element.

(2)圧電素子及び液体噴射ヘッドの製造方法
図2〜図4を参照して、上述した圧電素子3及びこの圧電素子3を備える記録ヘッド(液体噴射ヘッド)1の製造方法を説明する。
(2) Manufacturing Method of Piezoelectric Element and Liquid Ejecting Head A manufacturing method of the above-described piezoelectric element 3 and a recording head (liquid ejecting head) 1 including the piezoelectric element 3 will be described with reference to FIGS.

記録ヘッド1の製造方法として、まずは、シリコン単結晶基板等から流路形成基板10を形成する。そして、例えば、膜厚が約625μmと比較的厚く剛性の高いシリコン基板15の一方の面を約1100℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン(SiO2)から成る弾性膜(振動板16)を一体的に形成する。弾性膜の厚みは、弾性を有する限り限定されないが、例えば0.5〜2μm程度とすることができる。   As a method for manufacturing the recording head 1, first, the flow path forming substrate 10 is formed from a silicon single crystal substrate or the like. Then, for example, one surface of the relatively thick and rigid silicon substrate 15 having a film thickness of about 625 μm is thermally oxidized by a diffusion path of about 1100 ° C. to thereby form an elastic film made of silicon dioxide (SiO 2) (the diaphragm 16 ) Are integrally formed. The thickness of the elastic film is not limited as long as it has elasticity, but can be, for example, about 0.5 to 2 μm.

次いで、図3(a)に示すように、スパッタ法等により弾性膜16上に下電極20を形成する。図3(b)に示す例では、下電極20を形成した後にパターニングしている。下電極20の構成金属は、Pt、Au、Ir、Ti、等の1種類以上の金属を用いることができる。下電極の厚みは特に限定されないが、例えば50〜500nm程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、TiAlN(窒化チタンアルミ)膜、Ir膜、IrO(酸化イリジュウム)膜、ZrO2(酸化ジルコニウム)膜等の層を弾性膜16上に形成したうえで、下電極20を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 3A, the lower electrode 20 is formed on the elastic film 16 by sputtering or the like. In the example shown in FIG. 3B, patterning is performed after the lower electrode 20 is formed. As a constituent metal of the lower electrode 20, one or more kinds of metals such as Pt, Au, Ir, Ti, and the like can be used. Although the thickness of a lower electrode is not specifically limited, For example, it can be set as about 50-500 nm. A layer such as a TiAlN (titanium aluminum nitride) film, an Ir film, an IrO (iridium oxide) film, or a ZrO2 (zirconium oxide) film is formed on the elastic film 16 as the adhesion layer or the diffusion prevention layer, and then the lower electrode 20 may be formed.

次いで、少なくとも、鉛塩、ジルコニウム塩、及びチタン塩、を含む前駆体溶液を下電極20の表面に塗布する。前駆体溶液中の金属モル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができる。上述した式(1)〜(4)におけるAサイト元素及びBサイト元素のモル比は1:1が標準であるが、ペロブスカイト酸化物が形成される範囲内で1:1からずれてもよい。   Next, a precursor solution containing at least a lead salt, a zirconium salt, and a titanium salt is applied to the surface of the lower electrode 20. The metal molar concentration ratio in the precursor solution can be determined according to the composition of the perovskite oxide to be formed. The molar ratio of the A site element and the B site element in the above formulas (1) to (4) is 1: 1 as a standard, but may be deviated from 1: 1 within the range in which the perovskite oxide is formed.

そして、図3(a)に示すように塗布した前駆体溶液81を結晶化させて第1の層31を形成する。一例として、好ましくは、前駆体溶液81を、140〜190℃程度で加熱して乾燥させ、その後、例えば、300℃〜400℃程度で加熱して脱脂し、例えば、550℃〜850℃程度で加熱して結晶化させる。
形成される第1の層31の厚みは、例えば、100nm程度とすることができる。無論、第1の層31の膜厚は、これに限定されないが、圧電体層30の厚みに対して、厚みの比が30パーセント以下に設定されることが望ましい。
Then, as shown in FIG. 3A, the applied precursor solution 81 is crystallized to form the first layer 31. As an example, preferably, the precursor solution 81 is heated and dried at about 140 to 190 ° C., and then degreased by heating at about 300 to 400 ° C., for example, at about 550 to 850 ° C. Heat to crystallize.
The thickness of the formed first layer 31 can be about 100 nm, for example. Of course, the thickness of the first layer 31 is not limited to this, but it is desirable that the ratio of the thickness to the thickness of the piezoelectric layer 30 is set to 30% or less.

次に、少なくとも、ビスマス塩、バリウム塩、鉄塩、並びに、チタン化合物を含む前駆体溶液を第1の層31の上部に塗布する。前駆体溶液中の金属モル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができる。上述した式(5)〜(8)におけるAサイト元素及びBサイト元素のモル比は1:1が標準であるが、ペロブスカイト酸化物が形成される範囲内で1:1からずれてもよい。   Next, a precursor solution containing at least a bismuth salt, a barium salt, an iron salt, and a titanium compound is applied to the upper portion of the first layer 31. The metal molar concentration ratio in the precursor solution can be determined according to the composition of the perovskite oxide to be formed. In the above formulas (5) to (8), the molar ratio of the A site element and the B site element is 1: 1 as a standard, but may be deviated from 1: 1 within the range in which the perovskite oxide is formed.

そして、図3(b)に示すように、塗布した前駆体溶液31を結晶化させてペロブスカイト型酸化物を含む第2の層32を形成する。結晶化の工程は、上記した第1の層31と同様である。即ち、好ましくは、前駆体溶液31を、140〜190℃程度で加熱して乾燥させ、その後、例えば、300℃〜400℃程度で加熱して脱脂し、例えば、550℃〜850℃程度で加熱して焼成し、結晶化させる。
なお、第2の層32を厚くするため、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程と焼成工程の組合せを複数回行ってもよい。焼成工程を減らすために、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを複数回行った後に焼成工程を行ってもよい。さらに、これらの工程の組合せを複数回行ってもよい。
Then, as shown in FIG. 3B, the applied precursor solution 31 is crystallized to form a second layer 32 containing a perovskite oxide. The crystallization process is the same as that of the first layer 31 described above. That is, preferably, the precursor solution 31 is heated and dried at about 140 to 190 ° C., and then degreased by heating at about 300 to 400 ° C., for example, heated at about 550 to 850 ° C. Then, it is fired and crystallized.
In addition, in order to thicken the 2nd layer 32, you may perform the combination of an application | coating process, a drying process, a degreasing process, and a baking process in multiple times. In order to reduce the firing process, the firing process may be performed after the combination of the coating process, the drying process, and the degreasing process is performed a plurality of times. Further, a combination of these steps may be performed a plurality of times.

なお、上記した乾燥及び脱脂を行うための加熱装置には、ホットプレート、赤外線ランプの照射により加熱する赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。また、上記焼成を行うための加熱装置には、赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。好ましくは、RTA(Rapid Thermal Annealing)法等を用いて昇温レートを比較的早くするとよい。   In addition, as a heating apparatus for performing the above-described drying and degreasing, a hot plate, an infrared lamp annealing apparatus that heats by irradiation with an infrared lamp, or the like can be used. An infrared lamp annealing device or the like can be used as the heating device for performing the firing. Preferably, the temperature rising rate may be made relatively fast by using an RTA (Rapid Thermal Annealing) method or the like.

こうして形成された圧電体層30の上に、図3(b)に示すように、スパッタ法等によって上電極40を形成する。上電極を構成する金属には、Ir、Au、Pt等の1種類以上の金属を用いることができる。また、上電極の厚みは、特に限定されないが、例えば、50〜200nm程度とすることができる。なお、図3(c)に示す例では、上電極40を形成した後に、圧電体層30、及び上電極40を各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子3を形成している。
一般には、圧電素子3の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層30を圧力発生室12毎にパターニングして圧電素子3を構成する。なお、図2、4に示す圧電素子3では、下電極20を共通電極とし、上電極40を個別電極としているが、上電極40を共通電極とし、下電極を個別電極とするものであってもよい。
On the piezoelectric layer 30 thus formed, as shown in FIG. 3B, the upper electrode 40 is formed by sputtering or the like. As the metal constituting the upper electrode, one or more kinds of metals such as Ir, Au, and Pt can be used. Moreover, the thickness of the upper electrode is not particularly limited, but can be, for example, about 50 to 200 nm. In the example shown in FIG. 3C, after the upper electrode 40 is formed, the piezoelectric layer 30 and the upper electrode 40 are patterned in regions facing the pressure generation chambers 12 to form the piezoelectric element 3. Yes.
In general, any one electrode of the piezoelectric element 3 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 30 are patterned for each pressure generating chamber 12 to constitute the piezoelectric element 3. 2 and 4, the lower electrode 20 is a common electrode and the upper electrode 40 is an individual electrode, but the upper electrode 40 is a common electrode and the lower electrode is an individual electrode. Also good.

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

続いて、図3(c)に示すように、リード電極45を形成する。例えば、流路形成基板10の前面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子3毎にパターニングすることにより、リード電極45が設けられる。図2に示す各上電極40には、インク供給路14側の端部付近から振動板16に延びたリード電極45が接続されている。   Subsequently, as shown in FIG. 3C, a lead electrode 45 is formed. For example, the lead electrode 45 is provided by forming a gold layer over the front surface of the flow path forming substrate 10 and then patterning each piezoelectric element 3 through a mask pattern made of a resist or the like. A lead electrode 45 extending from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side to the diaphragm 16 is connected to each upper electrode 40 shown in FIG.

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

次に、図4(a)に示すように、圧電素子保持部52等を予め形成した保護基板50を流路形成基板10上に例えば接着剤によって接合する。保護基板50には、例えば、シリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料等を用いることができる。保護基板50の厚みは、特に限定されないが、例えば400μm程度とすることができる。保護基板50の厚み方向に貫通したリザーバ部51は、連通部13とともに、共通のインク室となるリザーバ9を構成する。圧電素子3に対向する領域に設けられた圧電素子保持部52は、圧電素子3の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板50の貫通孔53内には、各圧電素子3から引き出されたリード電極45の端部付近が露出する。   Next, as shown in FIG. 4A, the protective substrate 50 on which the piezoelectric element holding portion 52 and the like are formed in advance is bonded onto the flow path forming substrate 10 with an adhesive, for example. As the protective substrate 50, for example, a silicon single crystal substrate, glass, a ceramic material, or the like can be used. Although the thickness of the protective substrate 50 is not specifically limited, For example, it can be set as about 400 micrometers. The reservoir portion 51 penetrating in the thickness direction of the protective substrate 50 constitutes the reservoir 9 serving as a common ink chamber together with the communication portion 13. The piezoelectric element holding portion 52 provided in the region facing the piezoelectric element 3 has a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 3. In the through hole 53 of the protective substrate 50, the vicinity of the end portion of the lead electrode 45 drawn from each piezoelectric element 3 is exposed.

次いで、シリコン基板15をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板15を所定の厚み(例えば70μm程度)にする。次いで、図4(b)に示すように、シリコン基板15上にマスク膜17を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜17には、窒化シリコン(SiN)等を用いることができる。次いで、KOH等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板15を異方性エッチング(ウェットエッチング)する。これにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12と細幅のインク供給路14を備えた複数の液体流路と、各インク供給路14に繋がる共通の液体流路である連通部13とが形成される。液体流路(12,14)は、圧力発生室12の短手方向である幅方向D1へ並べられている。
なお、圧力発生室12は、圧電素子3の形成前に形成されてもよい。
Next, after polishing the silicon substrate 15 to a certain thickness, the silicon substrate 15 is further etched to a predetermined thickness (for example, about 70 μm) by wet etching with hydrofluoric acid. Next, as shown in FIG. 4B, a mask film 17 is newly formed on the silicon substrate 15 and patterned into a predetermined shape. Silicon nitride (SiN) or the like can be used for the mask film 17. Next, the silicon substrate 15 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH. As a result, a plurality of liquid flow paths including the pressure generating chambers 12 defined by the plurality of partition walls 11 and the narrow ink supply paths 14, and a communication portion 13 that is a common liquid flow path connected to each ink supply path 14. And are formed. The liquid flow paths (12, 14) are arranged in the width direction D1, which is the short direction of the pressure generating chamber 12.
The pressure generation chamber 12 may be formed before the piezoelectric element 3 is formed.

次いで、流路形成基板10及び保護基板50の周縁部の不要部分を例えばダイシングにより切断して除去する。次いで、図4(c)に示すように、シリコン基板15の保護基板50とは反対側の面にノズルプレート70を接合する。ノズルプレート70は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼、等を用いることができ、流路形成基板10の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート70には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口71が穿設されている。従って、圧力発生室12は、液体を吐出するノズル開口71に連通している。   Next, unnecessary portions at the peripheral portions of the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 50 are removed by cutting, for example, by dicing. Next, as shown in FIG. 4C, the nozzle plate 70 is bonded to the surface of the silicon substrate 15 opposite to the protective substrate 50. The nozzle plate 70 can be made of glass ceramics, silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like, and is fixed to the opening surface side of the flow path forming substrate 10. For this fixation, an adhesive, a heat welding film, or the like can be used. The nozzle plate 70 is formed with nozzle openings 71 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14. Therefore, the pressure generation chamber 12 communicates with the nozzle opening 71 that discharges the liquid.

次いで、封止膜61及び固定板62を有するコンプライアンス基板60を保護基板50上に接合し、所定のチップサイズに分割する。封止膜61は、例えば厚み6μm程度のポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルムといった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、リザーバ部51の一方の面を封止する。固定板62は、例えば厚み30μm程度のステンレス鋼(SUS)といった金属等の硬質の材料が用いられ、リザーバ9に対向する領域が開口部63とされている。   Next, the compliance substrate 60 having the sealing film 61 and the fixing plate 62 is bonded onto the protective substrate 50 and divided into a predetermined chip size. The sealing film 61 is made of, for example, a material having low rigidity such as a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of about 6 μm, and seals one surface of the reservoir unit 51. The fixed plate 62 is made of a hard material such as a metal such as stainless steel (SUS) having a thickness of about 30 μm, for example, and an area facing the reservoir 9 is an opening 63.

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

本記録ヘッド1は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ9からノズル開口71に至るまで内部をインクで満たす。駆動回路65からの記録信号に従い、圧力発生室12毎に下電極20と上電極40との間に電圧を印加すると、圧電体層30、下電極20及び振動板16の変形によりノズル開口71からインク滴が吐出する。   The recording head 1 takes in ink from an ink introduction port connected to an external ink supply unit (not shown), and fills the interior from the reservoir 9 to the nozzle opening 71 with ink. When a voltage is applied between the lower electrode 20 and the upper electrode 40 for each pressure generating chamber 12 in accordance with a recording signal from the drive circuit 65, the deformation of the piezoelectric layer 30, the lower electrode 20 and the diaphragm 16 causes deformation from the nozzle opening 71. Ink droplets are ejected.

(3)液体噴射装置:
図5は、上述した記録ヘッド1を有する記録装置(液体噴射装置)200の外観を示している。記録ヘッド1を記録ヘッドユニット211,212に組み込むと、記録装置200を製造することができる。図5に示す記録装置200は、記録ヘッドユニット211,212のそれぞれに、記録ヘッド1が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ221,222が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット211,212を搭載したキャリッジ203は、装置本体204に取り付けられたキャリッジ軸205に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター206の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト207を介してキャリッジ203に伝達されると、キャリッジ203がキャリッジ軸205に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録シート290は、プラテン208上に搬送され、インクカートリッジ221,222から供給され記録ヘッド1から吐出するインクにより印刷がなされる。
(3) Liquid ejecting apparatus:
FIG. 5 shows the appearance of a recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200 having the recording head 1 described above. When the recording head 1 is incorporated in the recording head units 211 and 212, the recording apparatus 200 can be manufactured. In the recording apparatus 200 shown in FIG. 5, the recording head 1 is provided in each of the recording head units 211 and 212, and ink cartridges 221 and 222 as external ink supply units are detachably provided. A carriage 203 on which the recording head units 211 and 212 are mounted is provided so as to be able to reciprocate along a carriage shaft 205 attached to the apparatus main body 204. When the driving force of the driving motor 206 is transmitted to the carriage 203 via a plurality of gears and a timing belt 207 (not shown), the carriage 203 moves along the carriage shaft 205. A recording sheet 290 fed by a sheet feeding roller (not shown) is conveyed onto the platen 208 and printed by ink supplied from the ink cartridges 221 and 222 and ejected from the recording head 1.

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

[下電極を積層した基板の作製]
Pt/TiOx(酸化チタン)/SiO2/Siの各層を有する基板を次のようにして作製した。
まず、Si基板を拡散炉中で1100℃の熱酸化を行い、膜厚1.3μmのSiO2膜をSi基板表面に形成した。次に、SiO2膜表面にDCスパッタ法により膜厚20nmのTi膜を成膜して、ランプ熱処理装置(RTA法)で酸素中700℃5分間の熱処理を行い、TiOx膜を形成した。さらに、TiOx膜表面に330℃300WのDCスパッタ法により膜厚130nmのPt膜を形成した。
[Fabrication of substrate with lower electrode laminated]
A substrate having each layer of Pt / TiOx (titanium oxide) / SiO2 / Si was prepared as follows.
First, the Si substrate was thermally oxidized at 1100 ° C. in a diffusion furnace to form a 1.3 μm thick SiO 2 film on the Si substrate surface. Next, a Ti film having a thickness of 20 nm was formed on the SiO2 film surface by DC sputtering, and heat treatment was performed in oxygen at 700 [deg.] C. for 5 minutes with a lamp heat treatment apparatus (RTA method) to form a TiOx film. Further, a 130 nm thick Pt film was formed on the surface of the TiOx film by DC sputtering at 330 ° C. and 300 W.

[実施例1]
(PZT前駆体溶液作成)
Pb,Zr,Ti各金属元素の前駆体材料として酢酸鉛3水和物(Pb(CH3COOH)2・3H2O)、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシド(Zr{CH3(CH2)3O}4)、チタニウムイソプロポキシド(Ti{(CH3)2CHO}4)をそれぞれ用いた。
溶媒には2−n−ブトキシエタノールを用い、上記前駆体材料が溶媒に対して0.3〜0.6(mol/l)となるよう使用した。
[Example 1]
(PZT precursor solution preparation)
Pb, Zr, Ti As precursor materials for each metal element, lead acetate trihydrate (Pb (CH3COOH) 2 · 3H2O), zirconium tetra-n-butoxide (Zr {CH3 (CH2) 3O} 4), titanium isopropoxy (Ti {(CH3) 2CHO} 4) was used.
2-n-butoxyethanol was used as a solvent, and the precursor material was used so as to be 0.3 to 0.6 (mol / l) with respect to the solvent.

(PZT膜作製)
PZTの前駆体溶液をPt/TiOx/SiO2/Si基板上に3000rpmでスピンコートし(塗布工程)、3分間加熱して乾燥し(乾燥工程)、さらに3分間加熱して脱脂した(脱脂工程)。そして、ランプ熱処理装置(RTA法)で750℃で5分間の熱処理をした。これらの工程を2回繰り返し、結晶化させてPt/TiOx/SiO2/Si基板上にPZT膜を成膜した(第1の層)。
(PZT film production)
A PZT precursor solution was spin-coated on a Pt / TiOx / SiO2 / Si substrate at 3000 rpm (coating process), dried by heating for 3 minutes (drying process), and further degreased by heating for 3 minutes (degreasing process). . And it heat-processed for 5 minutes at 750 degreeC with the lamp | ramp heat processing apparatus (RTA method). These steps were repeated twice and crystallized to form a PZT film on the Pt / TiOx / SiO2 / Si substrate (first layer).

(BFM−BT前駆体溶液作製)
Bi,Fe,Mn,Ba各金属元素の前駆体材料としてビスマス−n−ブトキシド(Bi{(CH3)2CHO}4)、鉄アセチルアセテート(Fe{CH3COCHCOCH3}3)、マンガンアセチルアセトナート(Mn{CH3COCHCOCH3}2)、酢酸バリウム(Ba(CH3COO)2)、チタニウムイソプロポキシド(Ti{(CH3)2CHO}4)をそれぞれを用いた。
溶媒には酢酸イソアミルを用い、上記前駆体材料が溶媒に対して0.3〜0.6(mol/l)となるよう使用した。
(Preparation of BFM-BT precursor solution)
Bi, Fe, Mn, Ba As precursor materials for each metal element, bismuth-n-butoxide (Bi {(CH3) 2CHO} 4), iron acetyl acetate (Fe {CH3COCHCOCH3} 3), manganese acetylacetonate (Mn {CH3COCHCOCH3) } 2), barium acetate (Ba (CH3COO) 2), and titanium isopropoxide (Ti {(CH3) 2CHO} 4) were used.
Isoamyl acetate was used as the solvent, and the precursor material was used in an amount of 0.3 to 0.6 (mol / l) based on the solvent.

(BFM−BT膜作製)
それぞれの前駆体溶液を第一の層80上に3000rpmでスピンコートし(塗布工程)、加熱して乾燥し(乾燥工程)、さらに加熱して脱脂した(脱脂工程)。そして、ランプ熱処理装置(RTA法)で750℃で5分間の熱処理をした。これらの工程を10回繰り返し、結晶化させてPZT膜上にBFM−BT膜を成膜した(第2の層)。
(BFM-BT film production)
Each precursor solution was spin-coated on the first layer 80 at 3000 rpm (application process), dried by heating (drying process), and further degreased by heating (degreasing process). And it heat-processed for 5 minutes at 750 degreeC with the lamp | ramp heat processing apparatus (RTA method). These steps were repeated 10 times and crystallized to form a BFM-BT film on the PZT film (second layer).

上記実施例1に対して、PZT膜を有しない比較例1を作成した。この比較例1はPZT膜を有しない以外は、実施例1と同様の条件及び手法により作成を行った。
そして、このPZT膜上に上電極を形成して圧電素子を作成した。
In contrast to Example 1, Comparative Example 1 having no PZT film was prepared. This Comparative Example 1 was prepared under the same conditions and method as in Example 1 except that it did not have a PZT film.
And the upper electrode was formed on this PZT film | membrane, and the piezoelectric element was created.

表1に実施例1及び比較例1のPZT膜とBFM−BT膜の膜厚を示している。なお、PZT膜を有さない場合は0nmと記載した。

Table 1 shows the film thicknesses of the PZT film and the BFM-BT film of Example 1 and Comparative Example 1. In the case where the PZT film was not provided, 0 nm was described.

図6は、実施例1の圧電体層の表面を示すSEM(Scanning Electron Microscope)図である。また、図7は、比較例1の圧電体層の表面を示すSEM図である。
上記した実施例1の圧電体層表面と比較例1の圧電体層表面とを走査型電子顕微鏡を用いて観察した結果、比較例1においてクラックの発生が観察された。一方、実施例1ではクラックの発生が観察されなかった。以上により下電極直上にPZTの層を形成するBFM−BTの層においてクラックを抑制できることが分かった。
また、上記構成を採用することで、1000nm以上の厚みで圧電体層を形成する場合でも、クラックの発生を抑制できることが分かった。
6 is an SEM (Scanning Electron Microscope) diagram showing the surface of the piezoelectric layer of Example 1. FIG. FIG. 7 is an SEM diagram showing the surface of the piezoelectric layer of Comparative Example 1.
As a result of observing the surface of the piezoelectric layer of Example 1 and the surface of the piezoelectric layer of Comparative Example 1 using a scanning electron microscope, generation of cracks was observed in Comparative Example 1. On the other hand, in Example 1, generation | occurrence | production of the crack was not observed. From the above, it was found that cracks can be suppressed in the BFM-BT layer that forms the PZT layer immediately above the lower electrode.
Moreover, it has been found that by adopting the above configuration, the occurrence of cracks can be suppressed even when the piezoelectric layer is formed with a thickness of 1000 nm or more.

(その他の評価)
図8は、実施例1と比較例1とのリーク電流の値を示すグラフである。図8では、横軸に印加電圧を示し、縦軸に単位面積当たりの電流密度で示されたリーク電流(A/m2))を示す。
図8に示すように、印加電圧が3V以下の領域においては、実施例1と比較例1とのBFM−BT膜の間で電流密度の差は変化がなかった。一方、印加電圧が3V以上の領域では、実施例1のBFM−BT膜の方が比較例1のBFM−BT膜に比べてリーク電流が低くなっている。
(Other evaluation)
FIG. 8 is a graph showing the values of leakage current between Example 1 and Comparative Example 1. In FIG. 8, the applied voltage is shown on the horizontal axis, and the leakage current (A / m 2) shown in current density per unit area is shown on the vertical axis.
As shown in FIG. 8, in the region where the applied voltage was 3 V or less, the difference in current density between the BFM-BT films of Example 1 and Comparative Example 1 did not change. On the other hand, in the region where the applied voltage is 3 V or higher, the BFM-BT film of Example 1 has a lower leakage current than the BFM-BT film of Comparative Example 1.

一般に、低電圧域(図8では印加電圧が3V未満の領域)では、リーク電流の値は印加電圧に対してオームの法則に従って変化し、圧電素子の組成等が絶縁性に与える影響は小さいことが解っている。一方で、高電圧域(図8では印加電圧が3V以上の領域)では、リーク電流の変化は、オームの法則に従わず、動作環境又は圧電素子の組成等に大きく影響を受ける。
そのため、実施例1において高電圧域におけるリーク電流が比較例1と比べて小さくなっているため、第1の層を下電極と第2の層との間に設けることで、この高電圧域でのリーク電流の低下に寄与していると考えられる。これは、第2の層内に発生した欠陥、イオン等の移動を第1の層でブロックする働きがあるからであると推測される。
In general, in a low voltage range (region where the applied voltage is less than 3 V in FIG. 8), the value of the leakage current changes according to Ohm's law with respect to the applied voltage, and the influence of the composition of the piezoelectric element on the insulation is small. Is understood. On the other hand, in the high voltage range (region where the applied voltage is 3 V or more in FIG. 8), the change in leakage current does not follow Ohm's law and is greatly affected by the operating environment or the composition of the piezoelectric element.
For this reason, since the leakage current in the high voltage region in Example 1 is smaller than that in Comparative Example 1, by providing the first layer between the lower electrode and the second layer, in this high voltage region It is thought that this contributes to a decrease in the leakage current. This is presumed to be due to the function of blocking the movement of defects, ions, etc. generated in the second layer in the first layer.

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

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

以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む圧電体層を有する圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる技術等を提供することができる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
As described above, according to the present invention, according to various embodiments, a piezoelectric element having a piezoelectric layer containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti, a technique for improving the performance of the liquid ejecting head, and the liquid ejecting apparatus are provided. can do.
In addition, the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually replaced, the combinations are changed, the known technology, and the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually connected. It is possible to implement a configuration in which replacement or combination is changed. The present invention includes these configurations and the like.

1…記録ヘッド、2…圧電アクチュエーター、3…圧電素子、10…流路形成基板、12…圧力発生室、15…シリコン基板、16…振動板、20…下電極、30…圧電体層、40…上電極、50…保護基板、60…コンプライアンス基板、70…ノズルプレート、71…ノズル開口、200…記録装置   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Recording head, 2 ... Piezoelectric actuator, 3 ... Piezoelectric element, 10 ... Channel formation substrate, 12 ... Pressure generating chamber, 15 ... Silicon substrate, 16 ... Vibration plate, 20 ... Lower electrode, 30 ... Piezoelectric layer, 40 ... Upper electrode, 50 ... Protective substrate, 60 ... Compliance substrate, 70 ... Nozzle plate, 71 ... Nozzle opening, 200 ... Recording apparatus

Claims (5)

ノズル開口に連通する圧力発生室と、
圧電体層、第1電極及び第2電極を有する圧電素子と、備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、
前記第1電極上に形成され、少なくとも鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むペロブスカイト型酸化物を有する第1の層と、
前記第1の層上に形成され、少なくともビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むぺロブスカイト型酸化物を有する第2の層と、を備える液体噴射ヘッド。
A pressure generating chamber communicating with the nozzle opening;
A piezoelectric element having a piezoelectric layer, a first electrode and a second electrode, and a liquid jet head comprising:
The piezoelectric layer is
A first layer formed on the first electrode and having a perovskite oxide containing at least lead, zirconium, and titanium;
And a second layer having a perovskite oxide that includes at least bismuth, barium, iron, and titanium, and is formed on the first layer.
前記第1の層と前記第2の層との厚みの和に対する前記第1の層の厚みの比が30パーセント以下である、請求項1に記載の液体噴射ヘッド。   2. The liquid jet head according to claim 1, wherein a ratio of a thickness of the first layer to a sum of thicknesses of the first layer and the second layer is 30% or less. 前記第2の層のペロブスカイト型酸化物にマンガンが含まれている、請求項1又は請求項2に記載の液体噴射ヘッド。   The liquid ejecting head according to claim 1, wherein manganese is contained in the perovskite oxide of the second layer. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 1. 圧電体層、第1電極及び第2電極を有する圧電素子であって、
前記圧電体層は、
前記第1電極上に形成され、少なくとも鉛、ジルコニウム、及びチタンを含むペロブスカイト型酸化物を有する第1の層と、
前記第1の層上に形成され、少なくともビスマス、バリウム、鉄及びチタンを含むぺロブスカイト型酸化物を有する第2の層と、を備える圧電素子。
A piezoelectric element having a piezoelectric layer, a first electrode and a second electrode,
The piezoelectric layer is
A first layer formed on the first electrode and having a perovskite oxide containing at least lead, zirconium, and titanium;
And a second layer having a perovskite-type oxide containing at least bismuth, barium, iron and titanium formed on the first layer.
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