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JP2006086368A - Piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric pump, ink-jet type recording head, ink-jet printer, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, thin-film piezoelectric resonator, and electronic appliance - Google Patents

Piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric pump, ink-jet type recording head, ink-jet printer, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, thin-film piezoelectric resonator, and electronic appliance Download PDF

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JP2006086368A
JP2006086368A JP2004270189A JP2004270189A JP2006086368A JP 2006086368 A JP2006086368 A JP 2006086368A JP 2004270189 A JP2004270189 A JP 2004270189A JP 2004270189 A JP2004270189 A JP 2004270189A JP 2006086368 A JP2006086368 A JP 2006086368A
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric element
layer
ink
substrate
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Withdrawn
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JP2004270189A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Miyazawa
弘 宮澤
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element having a good piezoelectric characteristic. <P>SOLUTION: The piezoelectric element 1 includes a substrate 2, a buffer layer 5 formed above the substrate 2, and a piezoelectric layer 6 formed on the buffer layer 5 and having a perovskite-type structure. The buffer layer 5 is conductive and made of a bismuth-based layered perovskite-structure compound oriented dominantly toward the c-axis (001). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電ポンプ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振子、および電子機器に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric actuator, a piezoelectric pump, an ink jet recording head, an ink jet printer, a surface acoustic wave element, a frequency filter, an oscillator, an electronic circuit, a thin film piezoelectric resonator, and an electronic apparatus.

高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを有し、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、PZT(Pb(Zr,Ti)O)に代表される圧電体層を用いた圧電素子が用いられている(例えば、特開2001−223404号公報参照)。 Inkjet printers are known as printers that enable high image quality and high-speed printing. The ink jet printer has an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes, and performs printing by ejecting ink droplets from the nozzle while scanning the head. As a head actuator in an ink jet recording head for such an ink jet printer, a piezoelectric element using a piezoelectric layer represented by PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has been conventionally used (for example, JP, 2001-223404, A).

また、表面弾性波素子や周波数フィルタ、発振器、電子回路などにおいても、その特性向上が望まれていることから、新たな圧電材料による良好な製品の提供が望まれている。   In addition, since surface acoustic wave elements, frequency filters, oscillators, electronic circuits, and the like are desired to have improved characteristics, it is desired to provide good products using new piezoelectric materials.

このような新たな圧電材料として、リラクサー材料が研究開発されている。リラクサー材料は、PZTなどに比べ、圧電定数が十分に高い。リラクサー材料からなる圧電体層を形成するには、例えば以下のような方法が用いられる(例えば、特開平10−81016号公報参照)。   As such a new piezoelectric material, a relaxor material has been researched and developed. The relaxor material has a sufficiently high piezoelectric constant compared to PZT or the like. In order to form a piezoelectric layer made of a relaxor material, for example, the following method is used (see, for example, JP-A-10-81016).

まず、レーザーアブレーション法を用い、かつイオンビームアシスト法などの複雑な手法を併用することでバッファ層を形成する。次に、バッファ層の上にペロブスカイト型の下部電極を形成することで下地を形成する。次に、下地の上に圧電体層を形成する。このような複雑な手法をとる理由は、以下の通りである。   First, a buffer layer is formed by using a laser ablation method and a complicated method such as an ion beam assist method. Next, a base is formed by forming a perovskite-type lower electrode on the buffer layer. Next, a piezoelectric layer is formed on the base. The reason for taking such a complicated method is as follows.

白金(Pt)やイリジウム(Ir)などの電極材料上にリラクサー材料の緻密な薄膜を形成するための製造マージンは小さい。一方、SrRuOなどのペロブスカイト型電極上では比較的容易に緻密な薄膜が得られる。SrRuOなどのペロブスカイト型電極の配向性をコントロールするためには、レーザーアブレーション法やイオンビームアシスト法が必要とされる。その結果、複雑な手法となる。このような方法では工程が複雑であり、したがってコストが高く、また、得られる圧電体層の圧電特性も十分に安定しない場合がある。
特開2001−223404号公報 特開平10−81016号公報
The manufacturing margin for forming a dense thin film of relaxor material on an electrode material such as platinum (Pt) or iridium (Ir) is small. On the other hand, a dense thin film can be obtained relatively easily on a perovskite electrode such as SrRuO 3 . In order to control the orientation of a perovskite electrode such as SrRuO 3 , a laser ablation method or an ion beam assist method is required. The result is a complex approach. In such a method, the process is complicated, the cost is high, and the piezoelectric characteristics of the obtained piezoelectric layer may not be sufficiently stable.
JP 2001-223404 A JP-A-10-81016

本発明の目的は、良好な圧電特性を有する圧電素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電素子を用いた圧電アクチュエーター、圧電ポンプ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振子、および電子機器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric element having good piezoelectric characteristics. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator, a piezoelectric pump, an ink jet recording head, an ink jet printer, a surface acoustic wave element, a frequency filter, an oscillator, an electronic circuit, a thin film piezoelectric resonator, and an electron using the above piezoelectric element. To provide equipment.

本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された、ペロブスカイト型構造を有する圧電体層と、を含み、
前記バッファ層は、導電性を有し、c軸(001)に優先配向しているビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物からなる。
The piezoelectric element according to the present invention is
A substrate,
A buffer layer formed above the substrate;
A piezoelectric layer having a perovskite structure formed above the buffer layer,
The buffer layer is made of a bismuth-based layered perovskite structure compound having conductivity and preferentially oriented along the c-axis (001).

本発明において、特定のもの(以下、「A」という)の上方に形成された他の特定のもの(以下、「B」という)とは、A上に直接形成されたBと、A上に、A上の他のものを介して形成されたBと、を含む。また、本発明において、Aの上方にBを形成するとは、A上に直接Bを形成する場合と、A上に、A上の他のものを介してBを形成する場合と、を含む。   In the present invention, other specific objects (hereinafter referred to as “B”) formed above a specific object (hereinafter referred to as “A”) are defined as B directly formed on A and A , B formed via the other on A. Further, in the present invention, forming B above A includes a case where B is formed directly on A and a case where B is formed on A via another on A.

また、本発明において、「優先配向」とは、100%の結晶が所望の(001)配向になっている場合と、所望の(001)配向にほとんどの結晶(例えば90%以上)が配向し、残りの結晶が他の配向(例えば(111)配向)となっている場合と、を含む。   In the present invention, “preferential orientation” means that when 100% of crystals have the desired (001) orientation, most crystals (for example, 90% or more) are oriented to the desired (001) orientation. , And the case where the remaining crystals are in other orientations (for example, (111) orientation).

この圧電素子によれば、前記バッファ層は導電性を有する。例えば前記バッファ層が誘電体材料からなる場合には、前記圧電体層自体に十分な電圧を印加することができない。これに対し、この圧電素子によれば、前記バッファ層が導電性を有するため、前記圧電体層自体に十分な電圧を印加することができる。   According to this piezoelectric element, the buffer layer has conductivity. For example, when the buffer layer is made of a dielectric material, a sufficient voltage cannot be applied to the piezoelectric layer itself. On the other hand, according to this piezoelectric element, since the buffer layer has conductivity, a sufficient voltage can be applied to the piezoelectric layer itself.

本発明に係る圧電素子において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、SrBiで示され、
Xは、TaおよびNbのうちの少なくとも一方を含み、さらに、Ti、Zr、Hf、Fe、Co、Ni、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含むことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by SrBi 2 X 2 O 9
X includes at least one of Ta and Nb, and can further include at least one of Ti, Zr, Hf, Fe, Co, Ni, W, Ru, and Rh.

本発明に係る圧電素子において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、(Bi1−xLa12で示され、
Xは、Tiを含み、さらに、Fe、Co、Ni、V、Nb、Ta、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含み、
xは、0<x≦0.4の範囲であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by (Bi 1-x La x ) 4 X 3 O 12
X includes Ti, and further includes at least one of Fe, Co, Ni, V, Nb, Ta, W, Ru, and Rh,
x can be in the range of 0 <x ≦ 0.4.

本発明に係る圧電素子において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、SrBi15で示され、
Xは、Tiを含み、さらに、Fe、Co、Ni、V、Nb、Ta、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含むことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by SrBi 4 X 4 O 15 ,
X contains Ti, and can further contain at least one of Fe, Co, Ni, V, Nb, Ta, W, Ru, and Rh.

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、Pb(Zr1−xTi)Oからなり、
xは、0≦x≦1の範囲であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric layer is made of Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 ,
x can be in the range of 0 ≦ x ≦ 1.

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、A(B1−b)Oの一般式で示される材料からなり、
Aは、Pbを含み、
Bは、ZrおよびTiを含み、ZrとTiとの組成比は、(1−a):aで示され、
Xは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種からなり、
aは、0.15≦a≦0.8の範囲であり、
bは、0.05≦b≦0.4の範囲であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric layer is made of a material represented by a general formula of A (B 1-b X b ) O 3 ,
A includes Pb,
B contains Zr and Ti, and the composition ratio of Zr and Ti is represented by (1-a): a,
X consists of at least one of V, Nb, and Ta,
a is in the range of 0.15 ≦ a ≦ 0.8,
b can be in the range of 0.05 ≦ b ≦ 0.4.

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、Si、または、SiおよびGeを含むことができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric layer may include Si or Si and Ge.

本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric layer may be made of a relaxor material.

本発明に係る圧電素子において、
前記リラクサー材料は、以下の式(1)〜(9)で示される材料のうちの少なくとも一種からなることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The relaxor material can be made of at least one of materials represented by the following formulas (1) to (9).

(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(1)
(ただし、xは0.10<x<0.42、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(2)
(ただし、xは0.10<x<0.37、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(3)
(ただし、xは0.10<x<0.50、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(4)
(ただし、xは0.10<x<0.45、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(5)
(ただし、xは0.10<x<0.35、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(6)
(ただし、xは0.01<x<0.10、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(7)
(ただし、xは0.01<x<0.10、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(8)
(ただし、xは0.10<x<0.38、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(9)
(ただし、xは0.10<x<0.42、yは、0≦y≦1)
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電体層は、ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(001)に優先配向していることができる。
(1-x) Pb (Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (1)
(Where x is 0.10 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (2)
(Where x is 0.10 <x <0.37, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (3)
(Where x is 0.10 <x <0.50, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (4)
(Where x is 0.10 <x <0.45, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (5)
(Where x is 0.10 <x <0.35, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (6)
(Where x is 0.01 <x <0.10, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (7)
(Where x is 0.01 <x <0.10, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (8)
(Where x is 0.10 <x <0.38, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (9)
(Where x is 0.10 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1)
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric layer may have a rhombohedral structure and be preferentially oriented to pseudo cubic (001).

本発明に係る圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子を有することができる。   The piezoelectric actuator according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明に係る圧電ポンプは、上述の圧電素子を有することができる。   The piezoelectric pump according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、上述の圧電素子を有することができる。   The ink jet recording head according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明に係るインクジェットプリンターは、上述のインクジェット式記録ヘッドを有することができる。   The ink jet printer according to the present invention can have the ink jet recording head described above.

本発明に係る表面弾性波素子は、上述の圧電素子を有することができる。   The surface acoustic wave device according to the present invention can have the above-described piezoelectric device.

本発明に係る薄膜圧電共振子は、上述の圧電素子を有することができる。   The thin film piezoelectric resonator according to the present invention can have the above-described piezoelectric element.

本発明に係る周波数フィルタは、上述の表面弾性波素子および上述の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有することができる。   The frequency filter according to the present invention can include at least one of the above-described surface acoustic wave device and the above-described thin film piezoelectric resonator.

本発明に係る発振器は、上述の表面弾性波素子および上述の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有することができる。   The oscillator according to the present invention can include at least one of the above-described surface acoustic wave device and the above-described thin film piezoelectric resonator.

本発明に係る電子回路は、上述の周波数フィルタおよび上述の発振器のうちの少なくとも一方を有することができる。   The electronic circuit according to the present invention can include at least one of the above-described frequency filter and the above-described oscillator.

本発明に係る電子機器は、上述の圧電ポンプおよび上述の電子回路のうちの少なくとも一方を有することができる。   The electronic device according to the present invention can include at least one of the above-described piezoelectric pump and the above-described electronic circuit.

以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.第1の実施形態
1−1.圧電素子
図1は、本発明を適用した第1の実施形態に係る圧電素子1を示す断面図である。この圧電素子1は、基板2と、基板2の上に形成された弾性膜3と、弾性膜3の上に形成された下部電極4と、下部電極4の上に形成されたバッファ層5と、バッファ層5の上に形成された圧電体層6と、圧電体層6の上に形成された上部電極7と、を含む。
1. 1. First embodiment 1-1. Piezoelectric Element FIG. 1 is a cross-sectional view showing a piezoelectric element 1 according to a first embodiment to which the present invention is applied. The piezoelectric element 1 includes a substrate 2, an elastic film 3 formed on the substrate 2, a lower electrode 4 formed on the elastic film 3, and a buffer layer 5 formed on the lower electrode 4. The piezoelectric layer 6 formed on the buffer layer 5 and the upper electrode 7 formed on the piezoelectric layer 6 are included.

基板2は、例えばシリコン基板を用いることができる。本実施形態において、基板2には、(110)配向の単結晶シリコン基板を用いている。なお、基板2としては、(100)配向の単結晶シリコン基板または(111)配向の単結晶シリコン基板なども用いることができる。また、基板2としては、シリコン基板の表面に、熱酸化膜または自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜を形成したものも用いることができる。基板2は加工されることにより、後述するようにインクジェット式記録ヘッド50においてインクキャビティー521を形成するものとなる(図9参照)。   As the substrate 2, for example, a silicon substrate can be used. In the present embodiment, the substrate 2 is a (110) -oriented single crystal silicon substrate. As the substrate 2, a (100) -oriented single crystal silicon substrate or a (111) -oriented single crystal silicon substrate can also be used. Further, as the substrate 2, a substrate in which an amorphous silicon oxide film such as a thermal oxide film or a natural oxide film is formed on the surface of a silicon substrate can be used. The substrate 2 is processed to form ink cavities 521 in the ink jet recording head 50 as described later (see FIG. 9).

弾性膜3は、後述するように、インクジェット式記録ヘッド50において弾性膜55として機能する。弾性膜3の膜厚は、例えば1μm程度に形成される。なお、後述するインクジェット式記録ヘッド50に複数の圧電素子1が形成される場合、各圧電素子1は、基板2および弾性膜3を共用することができる。   As will be described later, the elastic film 3 functions as an elastic film 55 in the ink jet recording head 50. The thickness of the elastic film 3 is, for example, about 1 μm. When a plurality of piezoelectric elements 1 are formed in an ink jet recording head 50 described later, each piezoelectric element 1 can share the substrate 2 and the elastic film 3.

下部電極4は、圧電体層6に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極4は、例えば、圧電体層6と同じ平面形状に形成されることができる。なお、後述するインクジェット式記録ヘッド50に複数の圧電素子1が形成される場合、下部電極4は、各圧電素子1に共通の電極として機能するよう、共通の弾性膜3と同じ平面形状に形成されることもできる。下部電極4の膜厚は、例えば100nm〜200nm程度に形成されている。   The lower electrode 4 is one electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer 6. For example, the lower electrode 4 can be formed in the same planar shape as the piezoelectric layer 6. When a plurality of piezoelectric elements 1 are formed in an ink jet recording head 50 described later, the lower electrode 4 is formed in the same planar shape as the common elastic film 3 so as to function as a common electrode for each piezoelectric element 1. Can also be done. The film thickness of the lower electrode 4 is, for example, about 100 nm to 200 nm.

バッファ層5は、c軸(001)に優先配向しているビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物(以下、「Bi層状化合物」ともいう。)からなる。Bi層状化合物は、例えば白金(Pt)やイリジウム(Ir)などからなる下部電極4上に、容易にc軸(001)に優先配向することができる。ここで、「優先配向」とは、所望配向のc軸(001)にすべての結晶が配向している場合と、所望配向のc軸(001)にほとんどの結晶が配向しており、c軸(001)に配向していない残りの結晶が他の配向となっている場合とを含むことができる。このように、ほとんどの結晶が所望配向のc軸(001)に配向していれば、後述するようにバッファ層5の上に圧電体層6を形成した際、圧電体層6は、バッファ層5の結晶配向を引き継いで、擬立方晶(001)に優先配向することができる。   The buffer layer 5 is made of a bismuth-based layered perovskite structure compound (hereinafter also referred to as “Bi layered compound”) preferentially oriented in the c-axis (001). The Bi layered compound can be easily preferentially oriented in the c-axis (001) on the lower electrode 4 made of, for example, platinum (Pt) or iridium (Ir). Here, “preferential orientation” means that all crystals are oriented along the c-axis (001) of the desired orientation, and that most crystals are oriented along the c-axis (001) of the desired orientation. And the case where the remaining crystals not oriented to (001) are in other orientations. Thus, if most crystals are oriented in the c-axis (001) of the desired orientation, when the piezoelectric layer 6 is formed on the buffer layer 5 as described later, the piezoelectric layer 6 By taking over the crystal orientation of 5, it can be preferentially oriented to pseudo cubic (001).

また、バッファ層5は、導電性を有する。具体的には、バッファ層5の室温での電気伝導率は、例えば10A/cm以上とすることができる。導電性を有するBi層状化合物は、例えば、SrBi(以下、「SBXO」とも言う。)で示されることができる。ここで、Xは、TaおよびNbのうちの少なくとも一方を含む。さらに、Xは、TaおよびNbの価数(+5価)と異なる価数の原子を含むことができる。具体的には、Xは、Ti(+4価)、Zr(+4価)、Hf(+4価)、Fe(+3価)、Co(+3価)、Ni(+3価)、W(+6価)、Ru(+3価)、およびRh(+3価)のうちの少なくとも一種を含むことができる。これにより、Bi層状化合物の結晶構造全体が電気的に中性ではなくなり、Bi層状化合物が導電性を有することができる。XにおけるTaおよびNbの価数と異なる価数の原子を含む割合は、Bi層状化合物が導電性を有するならば、特に限定されない。例えば、XにおけるTaおよびNbの価数と異なる価数の原子を含む割合は、遷移金属原子の総和に対して3〜40原子%が適している。 The buffer layer 5 has conductivity. Specifically, the electric conductivity at room temperature of the buffer layer 5 can be set to 10 A / cm 2 or more, for example. The Bi layered compound having conductivity can be represented by, for example, SrBi 2 X 2 O 9 (hereinafter also referred to as “SBXO”). Here, X includes at least one of Ta and Nb. Furthermore, X can contain atoms having a valence different from that of Ta and Nb (+5 valence). Specifically, X is Ti (+4 valence), Zr (+4 valence), Hf (+4 valence), Fe (+3 valence), Co (+3 valence), Ni (+3 valence), W (+6 valence), At least one of Ru (+ trivalent) and Rh (+ trivalent) can be contained. Thereby, the whole crystal structure of the Bi layered compound is not electrically neutral, and the Bi layered compound can have conductivity. The proportion of atoms having a valence different from the valences of Ta and Nb in X is not particularly limited as long as the Bi layered compound has conductivity. For example, the ratio of atoms containing valences different from those of Ta and Nb in X is suitably 3 to 40 atomic% with respect to the total of transition metal atoms.

なお、Xは、上述したTaおよびNbの価数と異なる価数の原子であって、Fe、Co、Ni、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。この理由は、以下の通りである。   X is an atom having a valence different from that of Ta and Nb described above, and preferably contains at least one of Fe, Co, Ni, Ru, and Rh. The reason for this is as follows.

図2は、酸素の2p軌道のエネルギー準位を基準とした場合における、様々な遷移金属原子のd軌道のエネルギー準位の相対値を計算により求めた結果である。この計算は、局所密度近似の範囲での密度汎関数法に従い、真空中に浮かせた中性の原子について、スカラーリラティビスティックな範囲でディラック方程式を解くことによって行った。また、酸素の2p軌道のエネルギー準位は、無限遠の真空準位を基準とした場合、−0.68eVである。図2に示すように、価電子状態にあるs電子の数とd電子の数との総和が増えるにつれて、遷移金属原子のd軌道のエネルギー準位は、酸素の2p軌道のエネルギー準位に近づいていく。上述した遷移金属原子(Fe、Co、Ni、Ru、Rh)は、d軌道のエネルギー準位が、上述した他の遷移金属原子(Ti、Zr、Hf)に比べ、酸素の2p軌道のエネルギー準位に近い。ペロブスカイト型の遷移金属酸化物の最高占有状態は、酸素の2p軌道から主に構成される。一方、最低非占有軌道は、遷移金属のd軌道から主に構成される。従って、両者のエネルギー準位が近くなると、十分な幅のバンドギャップが形成されにくくなる。そして、遷移金属酸化物の電気抵抗は低下し、導電性が高まる。すなわち、ペロブスカイト型の遷移金属酸化物構造を有するBi層状化合物においては、これらの遷移金属原子(Fe、Co、Ni、Ru、Rh)は、より導電性を高めることができるので好ましい。   FIG. 2 shows the results of calculation of relative values of d-orbital energy levels of various transition metal atoms based on oxygen 2p-orbital energy levels. This calculation was performed by solving the Dirac equation in a scalar relativistic range for neutral atoms floating in a vacuum according to the density functional method in the range of local density approximation. The energy level of the oxygen 2p orbit is −0.68 eV when the vacuum level at infinity is used as a reference. As shown in FIG. 2, as the sum of the number of s electrons and the number of d electrons in the valence state increases, the energy level of the transition metal atom in the d orbital approaches the energy level of the oxygen 2p orbital. To go. The transition metal atoms (Fe, Co, Ni, Ru, Rh) described above have energy levels in the 2p orbit of oxygen as compared with the other transition metal atoms (Ti, Zr, Hf) described above. Close to the rank. The highest occupied state of the perovskite transition metal oxide is mainly composed of oxygen 2p orbitals. On the other hand, the lowest unoccupied orbit is mainly composed of d-orbitals of transition metals. Therefore, when the energy levels of both are close, it is difficult to form a band gap having a sufficient width. And the electrical resistance of a transition metal oxide falls and electroconductivity increases. That is, in a Bi layered compound having a perovskite type transition metal oxide structure, these transition metal atoms (Fe, Co, Ni, Ru, Rh) are preferable because the conductivity can be further increased.

また、導電性を有するビスマス層状化合物は、例えば、(Bi1−xLa12で示されることができる。ここで、Xは、Tiを含む。さらに、Xは、Tiの価数(+4価)と異なる価数の原子を含むことができる。具体的には、Xは、Fe(+3価)、Co(+3価)、Ni(+3価)、V(+5価)、Nb(+5価)、Ta(+5価)、W(+6価)、Ru(+3価)、およびRh(+3価)のうちの少なくとも一種を含むことができる。これにより、上述したSBXOと同様に、Bi層状化合物の結晶構造全体が電気的に中性ではなくなり、Bi層状化合物が導電性を有することができる。XにおけるTiの価数と異なる価数の原子を含む割合は、Bi層状化合物が導電性を有するならば、特に限定されない。例えば、XにおけるTiの価数と異なる価数の原子を含む割合は、遷移金属原子の総和に対して3〜40原子%が適している。 Also, the bismuth layered compound having conductivity, for example, it can be represented by (Bi 1-x La x) 4 X 3 O 12. Here, X includes Ti. Furthermore, X can contain an atom having a valence different from that of Ti (+4 valence). Specifically, X is Fe (+ trivalent), Co (+ trivalent), Ni (+ trivalent), V (+ pentavalent), Nb (+ pentavalent), Ta (+ pentavalent), W (+ hexavalent), At least one of Ru (+ trivalent) and Rh (+ trivalent) can be contained. Thereby, like the SBXO described above, the entire crystal structure of the Bi layered compound is not electrically neutral, and the Bi layered compound can have conductivity. The proportion of atoms containing a valence atom different from the valence of Ti in X is not particularly limited as long as the Bi layered compound has conductivity. For example, the ratio of atoms having a valence different from the valence of Ti in X is suitably 3 to 40 atomic% with respect to the total of transition metal atoms.

なお、Xは、上述したTiの価数と異なる価数の原子であって、Fe、Co、Ni、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。この理由は、上述したSBXOの場合と同様である。また、xは、
0<x≦0.4
の範囲である。xがこの範囲であれば、結晶構造は安定である。xが0.4より大きくなると、層状の結晶構造を維持できない。
X is an atom having a valence different from that of Ti described above, and preferably contains at least one of Fe, Co, Ni, Ru, and Rh. The reason is the same as in the case of SBXO described above. X is
0 <x ≦ 0.4
Range. If x is in this range, the crystal structure is stable. When x is larger than 0.4, the layered crystal structure cannot be maintained.

また、導電性を有するビスマス層状化合物は、例えば、SrBi15で示されることができる。ここで、Xは、Tiを含む。さらに、Xは、Tiの価数(+4価)と異なる価数の原子を含むことができる。具体的には、Xは、Fe(+3価)、Co(+3価)、Ni(+3価)、V(+5価)、Nb(+5価)、Ta(+5価)、W(+6価)、Ru(+3価)、およびRh(+3価)のうちの少なくとも一種を含むことができる。これにより、上述したSBXOと同様に、Bi層状化合物の結晶構造全体が電気的に中性ではなくなり、Bi層状化合物が導電性を有することができる。XにおけるTiの価数と異なる価数の原子を含む割合は、Bi層状化合物が導電性を有するならば、特に限定されない。例えば、XにおけるTiの価数と異なる価数の原子を含む割合は、遷移金属原子の総和に対して3〜40原子%が適している。 Also, the bismuth layered compound having conductivity, for example, it can be represented by SrBi 4 X 4 O 15. Here, X includes Ti. Furthermore, X can contain an atom having a valence different from that of Ti (+4 valence). Specifically, X is Fe (+ trivalent), Co (+ trivalent), Ni (+ trivalent), V (+ pentavalent), Nb (+ pentavalent), Ta (+ pentavalent), W (+ hexavalent), At least one of Ru (+ trivalent) and Rh (+ trivalent) can be contained. Thereby, like the SBXO described above, the entire crystal structure of the Bi layered compound is not electrically neutral, and the Bi layered compound can have conductivity. The proportion of atoms containing a valence atom different from the valence of Ti in X is not particularly limited as long as the Bi layered compound has conductivity. For example, the ratio of atoms having a valence different from the valence of Ti in X is suitably 3 to 40 atomic% with respect to the total of transition metal atoms.

なお、Xは、上述したTiの価数と異なる価数の原子であって、Fe、Co、Ni、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。この理由は、上述したSBXOの場合と同様である。   X is an atom having a valence different from that of Ti described above, and preferably contains at least one of Fe, Co, Ni, Ru, and Rh. The reason is the same as in the case of SBXO described above.

バッファ層5は、後述するバッファ層としての作用・効果を奏することができる膜厚であれば特に限定されない。具体的には、バッファ層5の膜厚としては、例えば1nm〜10nm程度とすることができる。   The buffer layer 5 is not particularly limited as long as the buffer layer 5 has a film thickness that can provide an effect and effect as a buffer layer described later. Specifically, the thickness of the buffer layer 5 can be, for example, about 1 nm to 10 nm.

圧電体層6は、ペロブスカイト型構造を有する。圧電体層6は、ロンボヘドラル構造であり、かつ擬立方晶(001)に優先配向していることが望ましい。ロンボヘドラル構造で擬立方晶(001)に優先配向している圧電体層6は、特に温度等の成膜条件を調整することで得られる。このように、圧電体層6は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(001)に優先配向したもので、エンジニアードドメイン配置と呼ばれるものである。従って、圧電体層6は、高い圧電定数(d31)を有する。ここで、「優先配向」とは、前述したように、所望配向の擬立方晶(001)にすべての結晶が配向している場合と、所望配向の擬立方晶(001)にほとんどの結晶が配向しており、擬立方晶(001)に配向していない残りの結晶が他の配向となっている場合とを含むことができる。圧電体層6は、c軸(001)に優先配向したバッファ層5上に形成され、バッファ層5の結晶配向を引き継いで、擬立方晶(001)に優先配向することができる。すなわち、バッファ層5は、c軸(001)に優先配向していることから、バッファ層5には、(111)や(110)に配向した結晶の混入がほとんどない。従って、バッファ層5上に形成される圧電体層6にも、(111)や(110)に配向した結晶の混入がほとんどない。 The piezoelectric layer 6 has a perovskite structure. The piezoelectric layer 6 preferably has a rhombohedral structure and is preferentially oriented to pseudo cubic (001). The piezoelectric layer 6 having a rhombohedral structure and preferentially oriented to pseudo cubic (001) can be obtained by adjusting film forming conditions such as temperature. Thus, the piezoelectric layer 6 has a perovskite type and a rhombohedral structure and is preferentially oriented to pseudo cubic (001), and is called an engineered domain arrangement. Therefore, the piezoelectric layer 6 has a high piezoelectric constant (d 31 ). Here, as described above, the “preferential orientation” means that all crystals are oriented in the pseudo-cubic crystal (001) having a desired orientation and most crystals are in the pseudo-cubic crystal (001) having the desired orientation. It can include the case where the remaining crystals that are oriented and not oriented to pseudo cubic (001) have other orientations. The piezoelectric layer 6 is formed on the buffer layer 5 preferentially oriented with respect to the c-axis (001), and can take over the crystal orientation of the buffer layer 5 and preferentially be oriented to pseudo cubic (001). That is, since the buffer layer 5 is preferentially oriented along the c-axis (001), the buffer layer 5 is hardly mixed with crystals oriented in (111) or (110). Therefore, the piezoelectric layer 6 formed on the buffer layer 5 is hardly mixed with crystals oriented in (111) or (110).

本実施形態では、圧電体層6は、例えば、リラクサー材料からなることができる。リラクサー材料としては、例えば以下の式(1)〜(9)で示される材料が挙げられる。これらのうちから選択された一種あるいは複数種が後述するように液相法または気相法で成膜されることにより、圧電体層6が得られる。   In the present embodiment, the piezoelectric layer 6 can be made of, for example, a relaxor material. As a relaxer material, the material shown by the following formula | equation (1)-(9) is mentioned, for example. One or a plurality of types selected from these are deposited by a liquid phase method or a gas phase method as described later, whereby the piezoelectric layer 6 is obtained.

(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(1)
(ただし、xは、0.10<x<0.42、好ましくは0.20<x<0.42、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(2)
(ただし、xは、0.10<x<0.37、好ましくは0.20<x<0.37、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(3)
(ただし、xは、0.10<x<0.50、好ましくは0.30<x<0.50、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(4)
(ただし、xは、0.10<x<0.45、好ましくは0.20<x<0.45、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(5)
(ただし、xは、0.10<x<0.35、好ましくは0.20<x<0.35、さらに好ましくは、X=0.3、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(6)
(ただし、xは、0.01<x<0.10、好ましくは0.03<x<0.10、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(7)
(ただし、xは、0.01<x<0.10、好ましくは0.03<x<0.09、さらに好ましくは、X=0.09、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(8)
(ただし、xは、0.10<x<0.38、好ましくは0.20<x<0.38、さらに好ましくは、X=0.3、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(9)
(ただし、xは、0.10<x<0.42、好ましくは0.20<x<0.42、yは、0≦y≦1、好ましくは0.7≦y≦1)
リラクサー材料とは、図3に示すように、バルクにおいて誘電率の温度依存がブロードな(幅が広い)ピークを示す材料であって、該ピークが周波数に応じてシフトする材料をいう。図3に示す矢印hは、周波数を高くしていった場合のピークのシフトの方向を示している。また、リラクサー材料は、圧電定数の温度依存がブロードな(幅が広い)ピークを示す材料である。これに対し、Pb(Zr,Ti)O(以下、「PZT」ともいう)等の非リラクサー材料である圧電体材料は、図4に示すように誘電率、および圧電定数の温度依存が非常に鋭いピークを示すものである。従って、圧電体層6としてリラクサー材料を用いることにより、得られた圧電素子1は広い温度範囲で良好な圧電特性を発揮し、これにより信頼性が高く特性が安定したものとなる。ただしリラクサー材料の膜厚が100nm〜1μm程度においては、必ずしも図3に示す明瞭なピークを示すとは限らない。100nm〜1μm程度の膜厚を有するリラクサー材料は、室温から100℃の間で、よりなだらかな誘電率の変化を示すものもある。
(1-x) Pb (Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (1)
(Where x is 0.10 <x <0.42, preferably 0.20 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (2)
(Where x is 0.10 <x <0.37, preferably 0.20 <x <0.37, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (3)
(Where x is 0.10 <x <0.50, preferably 0.30 <x <0.50, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (4)
(Where x is 0.10 <x <0.45, preferably 0.20 <x <0.45, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (5)
(Where x is 0.10 <x <0.35, preferably 0.20 <x <0.35, more preferably X = 0.3, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0 .7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (6)
(Where x is 0.01 <x <0.10, preferably 0.03 <x <0.10, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (7)
(Where x is 0.01 <x <0.10, preferably 0.03 <x <0.09, more preferably X = 0.09, and y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0 .7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (8)
(Where x is 0.10 <x <0.38, preferably 0.20 <x <0.38, more preferably X = 0.3, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0 .7 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (9)
(Where x is 0.10 <x <0.42, preferably 0.20 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1, preferably 0.7 ≦ y ≦ 1)
As shown in FIG. 3, the relaxor material is a material that exhibits a broad (wide) peak in the temperature dependence of the dielectric constant in the bulk, and the peak shifts depending on the frequency. An arrow h shown in FIG. 3 indicates a peak shift direction when the frequency is increased. The relaxor material is a material that exhibits a broad (wide) peak in temperature dependence of the piezoelectric constant. On the other hand, a piezoelectric material that is a non-relaxer material such as Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter also referred to as “PZT”) has a very high temperature dependence of dielectric constant and piezoelectric constant as shown in FIG. Shows a sharp peak. Therefore, by using a relaxor material as the piezoelectric layer 6, the obtained piezoelectric element 1 exhibits good piezoelectric characteristics over a wide temperature range, which makes the characteristics highly reliable and stable. However, when the film thickness of the relaxor material is about 100 nm to 1 μm, the clear peak shown in FIG. 3 is not always shown. Some relaxor materials having a film thickness of about 100 nm to 1 μm exhibit a more gentle change in dielectric constant between room temperature and 100 ° C.

圧電体層6の形成材料(リラクサー材料)において、前述したように材料間におけるPb(Zr1−yTi)O(以下、「PZT」ともいう)側の組成比を表すxの範囲については、特にその上限値としては、圧電体層6の結晶構造の相境界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)におけるxの値(以下、「xMPB」ともいう。)となる。相境界におけるxの値(xMPB)とは、ロンボヘドラル構造とテトラゴナル構造とが相転移するときのPZT側の組成比を示す値である。そして、このxの範囲としては、相転移するときの組成比より小さく、これによりロンボヘドラル構造となる範囲とされる。ここで、圧電定数(d31)は、相境界付近で極大値をとる。従って、xの下限値としては、相境界におけるxの値(xMPB)に近い値が選択される。よって、xの範囲としては、本発明を構成するうえでは比較的小さい値まで許容できるものの、より高い圧電定数(d31)を得るためには、好ましいxの値、すなわち相境界におけるxの値(xMPB)により近い値が選択される。従って、xの範囲の下限値は、圧電素子1を動作させる際に、許容される圧電定数(d31)の下限値のときのxの値となる。上述の内容を式で示すと、例えば、xは、
(xMPB−0.05)≦x≦xMPB
の範囲であることができる。xが上述の範囲内であれば、容易に圧電体層6をロンボヘドラル構造にコントロールすることができ、高い圧電特性を発現できる。圧電体層6は、圧電体層6の結晶構造の相境界におけるx(xMPB)を有することもできる。これにより、圧電定数(d31)を、極大値とすることができる。
In the material for forming the piezoelectric layer 6 (relaxer material), as described above, the range of x representing the composition ratio on the Pb (Zr 1-y Ti y ) O 3 (hereinafter also referred to as “PZT”) side between the materials. In particular, the upper limit thereof is the value of x (hereinafter also referred to as “x MPB ”) at the phase boundary (MPB: Morphotropic Phase Boundary) of the crystal structure of the piezoelectric layer 6. The value of x at the phase boundary (x MPB ) is a value indicating the composition ratio on the PZT side when the rhombohedral structure and the tetragonal structure undergo phase transition. The range of x is smaller than the composition ratio at the time of phase transition, and is thus a range in which a rhombohedral structure is obtained. Here, the piezoelectric constant (d 31 ) takes a local maximum near the phase boundary. Accordingly, a value close to the value of x (x MPB ) at the phase boundary is selected as the lower limit value of x. Therefore, as a range of x, although a relatively small value can be allowed in constructing the present invention, in order to obtain a higher piezoelectric constant (d 31 ), a preferable value of x, that is, a value of x at the phase boundary. A value closer to (x MPB ) is selected. Accordingly, the lower limit value of the range of x is the value of x when the piezoelectric constant (d 31 ) is allowed when the piezoelectric element 1 is operated. When the above content is expressed by an equation, for example, x is
(X MPB −0.05) ≦ x ≦ x MPB
Can range. If x is in the above-mentioned range, the piezoelectric layer 6 can be easily controlled to a rhombohedral structure, and high piezoelectric characteristics can be expressed. The piezoelectric layer 6 can also have x (x MPB ) at the phase boundary of the crystal structure of the piezoelectric layer 6. Thereby, the piezoelectric constant (d 31 ) can be set to the maximum value.

なお、上述した例では、圧電体層6は、リラクサー材料からなる場合について説明したが、圧電体層6の材料は、ペロブスカイト型構造を有するものであれば、特に限定されない。例えば、圧電体層6は、Pb(Zr1−xTi)Oからなり、xは、0≦x≦1の範囲であることができる。また、圧電体層6は、ペロブスカイト型のA(B1−b)Oの一般式で示される材料からなることができる。Aは、Pbを含む。Bは、ZrおよびTiを含み、ZrとTiとの組成比は、(1−a):aで示される。Xは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種からなることができる。例えば、圧電体層6は、ペロブスカイト型のPb((Zr1−aTi1−b)O(以下、「PZTX」ともいう)からなることができる。 In the above-described example, the piezoelectric layer 6 is made of a relaxor material. However, the material of the piezoelectric layer 6 is not particularly limited as long as it has a perovskite structure. For example, the piezoelectric layer 6 is made of Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 , and x can be in a range of 0 ≦ x ≦ 1. The piezoelectric layer 6 can be made of a material represented by the general formula of perovskite type A (B 1-b X b ) O 3 . A includes Pb. B contains Zr and Ti, and the composition ratio of Zr and Ti is represented by (1-a): a. X may be composed of at least one of V, Nb, and Ta. For example, the piezoelectric layer 6 can be made of perovskite Pb ((Zr 1-a Ti a ) 1-b X b ) O 3 (hereinafter also referred to as “PZTX”).

Pb((Zr1−aTi1−b)Oにおけるaは、ある範囲を有する。aの上限値としては、圧電体層6の結晶構造の相境界(MPB)におけるaの値(以下、「aMPB」ともいう。)となる。相境界におけるaの値(aMPB)とは、ロンボヘドラル構造とテトラゴナル構造とが相転移するときのTiの組成比を示す値である。そして、aの範囲としては、相転移するときの組成比より小さく、これによりロンボヘドラル構造となる範囲とされる。ここで、圧電定数(d31)は、相境界付近で極大値をとる。従って、aの下限値としては、相境界におけるaの値(aMPB)に近い値が選択される。よって、aの範囲としては、本発明を構成するうえでは比較的小さい値まで許容できるものの、より高い圧電定数(d31)を得るためには、好ましいaの値、すなわち相境界におけるaの値(aMPB)により近い値が選択される。従って、aの範囲の下限値は、圧電素子1を動作させる際に、許容される圧電定数(d31)の下限値のときのaの値となる。上述の内容を式で示すと、例えば、aは、
(aMPB−0.05)≦a≦aMPB
の範囲であることができる。aMPBは、例えば、0.5程度である。なお、aMPBは、膜応力などによって変り得るため、特に限定されず、
0.2≦aMPB≦0.8
の範囲であることができる。従って、aは、
0.15≦a≦0.8
の範囲であることができる。
A in Pb ((Zr 1-a Ti a ) 1-b X b ) O 3 has a certain range. The upper limit value of a is the value of a at the phase boundary (MPB) of the crystal structure of the piezoelectric layer 6 (hereinafter also referred to as “a MPB ”). The value of a (a MPB ) at the phase boundary is a value indicating the composition ratio of Ti when the rhombohedral structure and the tetragonal structure undergo phase transition. The range of “a” is smaller than the composition ratio at the time of phase transition, and thus the range becomes a rhombohedral structure. Here, the piezoelectric constant (d 31 ) takes a local maximum near the phase boundary. Therefore, a value close to the value of a (a MPB ) at the phase boundary is selected as the lower limit value of a. Therefore, as the range of a, although a relatively small value can be allowed in configuring the present invention, in order to obtain a higher piezoelectric constant (d 31 ), a preferable value of a, that is, a value at the phase boundary. A value closer to (a MPB ) is selected. Accordingly, the lower limit value of the range of a is the value of a when the lower limit value of the piezoelectric constant (d 31 ) allowed when the piezoelectric element 1 is operated. When the above-mentioned content is expressed by a formula, for example, a is
(A MPB −0.05) ≦ a ≦ a MPB
Can range. a MPB is about 0.5, for example. Note that a MPB is not particularly limited because it can change depending on the film stress, etc.
0.2 ≦ a MPB ≦ 0.8
Can range. Therefore, a is
0.15 ≦ a ≦ 0.8
Can range.

aが上述の範囲内であれば、容易にPZTXからなる圧電体層6をロンボヘドラル構造にコントロールすることができ、高い圧電特性を発現できる。圧電体層6は、圧電体層6の結晶構造の相境界におけるa(aMPB)を有することもできる。これにより、圧電定数(d31)を、極大値とすることができる。 If a is in the above-mentioned range, the piezoelectric layer 6 made of PZTX can be easily controlled to a rhombohedral structure, and high piezoelectric characteristics can be expressed. The piezoelectric layer 6 can also have a (a MPB ) at the phase boundary of the crystal structure of the piezoelectric layer 6. Thereby, the piezoelectric constant (d 31 ) can be set to the maximum value.

Pb系のペロブスカイト型構造を有するもの、例えばPZTなどは、Pbの蒸気圧が高いために、ペロブスカイト型構造のAサイトに位置するPbが蒸発しやすい。上述のPZTXでは、組成式がPb((Zr1−aTi1−b)Oで示される場合について説明したが、PZTXの組成式がPb1−(b/2)((Zr1−aTi1−b)Oで示されることもできる。この場合、Xは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種からなることができる。PZTXの組成式において、(b/2)がPbの欠損量を表している。 A Pb-based perovskite structure, such as PZT, has a high vapor pressure of Pb, so that Pb located at the A site of the perovskite structure is likely to evaporate. In the above-described PZTX, the case where the composition formula is represented by Pb ((Zr 1−a Ti a ) 1−b X b ) O 3 has been described. However, the composition formula of PZTX is Pb 1− (b / 2) (( Zr 1-a Ti a) can also 1-b X b) be represented by O 3. In this case, X can be composed of at least one of V, Nb, and Ta. In the composition formula of PZTX, (b / 2) represents the amount of deficiency of Pb.

PbがAサイトから抜けると、電荷中性の原理によって同時に酸素が欠損する。この現象は、Schottoky欠陥と呼ばれる。例えば、PZTにおいて酸素が欠損すると、PZTのバンドギャップが低下する。このバンドギャップの低下によって、電極界面でのバンドオフセットが減少し、PZTからなる圧電体層の絶縁性が低下する。   When Pb escapes from the A site, oxygen is simultaneously lost due to the principle of charge neutrality. This phenomenon is called a Schottky defect. For example, when oxygen is lost in PZT, the band gap of PZT decreases. Due to the reduction of the band gap, the band offset at the electrode interface is reduced, and the insulating property of the piezoelectric layer made of PZT is lowered.

しかし、圧電体層6がPZTXからなる場合では、ZrおよびTiの価数(+4価)より価数の高いX(+5価)を、Bサイトの元素(Zr,Ti)と置換させることで、Pb欠損が生じても酸素を欠損させることなく、結晶構造全体としての中性を保持することができる。これにより圧電体層6の絶縁性は良好なものとなり、電流リークを防止することができる。   However, in the case where the piezoelectric layer 6 is made of PZTX, by replacing X (+5 valence) higher than the valence (+4 valence) of Zr and Ti with the element (Zr, Ti) of the B site, Even if Pb deficiency occurs, the neutrality of the entire crystal structure can be maintained without oxygen deficiency. Thereby, the insulation property of the piezoelectric layer 6 becomes favorable, and current leakage can be prevented.

例えば、XがNbからなる場合に、NbはTiとサイズ(イオン半径が近く、原子半径は同一である。)がほぼ同じで、重さが2倍であるため、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。更に、Nbは酸素との共有結合性が非常に強く、キュリー温度および分極モーメントなどで示される強誘電特性、並びに、圧電定数などで示される圧電特性を高めることが期待されている(H.Miyazawa,E.Natori,S.Miyashita;Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)5679)。なお、ここではXがNbからなる例について述べたが、Xとして、VおよびTaのうちの少なくとも一方を含む場合も同等あるいはそれに近い効果を有する。   For example, when X is made of Nb, Nb is almost the same size as Ti (the ionic radius is close and the atomic radius is the same) and the weight is twice, so collisions between atoms due to lattice vibrations. Makes it difficult for atoms to escape from the lattice. Furthermore, Nb has a very strong covalent bond with oxygen, and is expected to enhance the ferroelectric characteristics indicated by the Curie temperature and the polarization moment, and the piezoelectric characteristics indicated by the piezoelectric constant (H. Miyazawa). E. Natori, S. Miyashita; Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 5679). Although an example in which X is Nb has been described here, the case where X includes at least one of V and Ta has the same or similar effect.

Pbの欠損量は、Xの添加量bのほぼ半分であることが好ましい。すなわち、Pbの欠損量は、b/2で示される。これにより、PZTXは、電気的に中性を保つことができる。そして、Xの添加量bは、
0.05≦b≦0.4
の範囲であることが好ましい。Xの添加量bが0.05未満では、Xの添加による電流リーク防止効果が良好とならず、一方、Xの添加量bが0.4を越えても、それ以上は電流リーク防止効果の向上があまり期待できない。
The deficiency of Pb is preferably approximately half of the addition amount b of X. That is, the loss amount of Pb is indicated by b / 2. Thereby, PZTX can maintain neutrality electrically. And the addition amount b of X is:
0.05 ≦ b ≦ 0.4
It is preferable that it is the range of these. If the added amount b of X is less than 0.05, the current leakage preventing effect due to the addition of X is not good. On the other hand, even if the added amount b of X exceeds 0.4, the current leak preventing effect is not exceeded. I cannot expect much improvement.

圧電体層6は、0.5モル%以上であって、5モル%未満のケイ素(Si)、または、ケイ素およびゲルマニウム(Ge)を含むことができる。詳細については、圧電素子の製造方法の項にて述べる。   The piezoelectric layer 6 may contain 0.5 mol% or more and less than 5 mol% of silicon (Si), or silicon and germanium (Ge). Details will be described in the section of a method for manufacturing a piezoelectric element.

圧電体層6の膜厚は、例えば300nm〜3000nm程度、好ましくは500nm〜1000nm程度、より好ましくは500nm程度である。この厚みの上限値に関しては、薄膜としての緻密さ、結晶配向性を維持する範囲で厚くすることができ、10μm程度まで許容できる。   The film thickness of the piezoelectric layer 6 is, for example, about 300 nm to 3000 nm, preferably about 500 nm to 1000 nm, and more preferably about 500 nm. With respect to the upper limit of the thickness, the thickness can be increased within a range that maintains the denseness and crystal orientation as a thin film, and can be allowed to be about 10 μm.

上部電極7は、圧電体層6に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極7の厚さは、例えば50〜150nm程度である。   The upper electrode 7 is the other electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer 6. The thickness of the upper electrode 7 is, for example, about 50 to 150 nm.

なお、本実施形態において物質の組成の決定には、ICP法、XPS法およびSIMS法のうちの少なくとも1つを用いることができる。   In the present embodiment, at least one of the ICP method, the XPS method, and the SIMS method can be used to determine the composition of the substance.

1−2.圧電素子の製造方法
次に、本実施形態における圧電素子1の製造方法について説明する。
1-2. Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to this embodiment will be described.

(1)まず、表面が(110)面であるシリコン基板からなる基板2を用意する。次に、図5に示すように、基板2上に弾性膜3を形成する。弾性膜3は、後述するように、基板2をエッチングしてキャビティーを形成する際に、弾性膜3がエッチングストッパ層として機能するべく、基板2との間で十分なエッチング選択比がとれる材料で形成するのが好ましい。基板2としてシリコンを用いた場合には、このような材料としては、例えばSiOまたはZrOなどが挙げられる。弾性膜3は、例えばCVD法、スパッタ法、または、蒸着法などにより形成することができる。 (1) First, a substrate 2 made of a silicon substrate having a (110) surface is prepared. Next, the elastic film 3 is formed on the substrate 2 as shown in FIG. As will be described later, the elastic film 3 is a material having a sufficient etching selectivity with the substrate 2 so that the elastic film 3 functions as an etching stopper layer when the substrate 2 is etched to form a cavity. It is preferable to form by. When silicon is used as the substrate 2, examples of such a material include SiO 2 and ZrO 2 . The elastic film 3 can be formed by, for example, a CVD method, a sputtering method, or a vapor deposition method.

(2)次に、図6に示すように、弾性膜3の上に下部電極4を形成する。下部電極4は、例えばスパッタ法あるいは真空蒸着法などによって形成することができる。下部電極4は、例えばPt(白金)からなる。Ptは、比較的容易に(111)に優先配向するものである。従って、例えばスパッタ法等の比較的簡易な方法を採用して、弾性膜3の上にPtを容易に配向成長させることができる。なお、下部電極4の材料は、Ptに限定されることなく、例えば、Ir(イリジウム)、IrO(酸化イリジウム)、Ti(チタン)、または、SrRuOなどを用いることができる。下部電極4として、例えばSrRuOのようなペロブスカイト電極を用いることにより、製造工程において、下部電極4の上に形成されるバッファ層5をより容易にc軸(001)に優先配向させることができる。そしてさらに、バッファ層5の上に形成される圧電体層6をより容易に擬立方晶(001)に優先配向させることができる。 (2) Next, as shown in FIG. 6, the lower electrode 4 is formed on the elastic film 3. The lower electrode 4 can be formed by, for example, a sputtering method or a vacuum deposition method. The lower electrode 4 is made of, for example, Pt (platinum). Pt is preferentially oriented to (111) relatively easily. Therefore, for example, Pt can be easily oriented and grown on the elastic film 3 by employing a relatively simple method such as sputtering. The material of the lower electrode 4 is not limited to Pt, and for example, Ir (iridium), IrO x (iridium oxide), Ti (titanium), or SrRuO 3 can be used. By using a perovskite electrode such as SrRuO 3 as the lower electrode 4, the buffer layer 5 formed on the lower electrode 4 can be more easily preferentially oriented to the c-axis (001) in the manufacturing process. . Furthermore, the piezoelectric layer 6 formed on the buffer layer 5 can be more easily preferentially oriented to pseudo cubic (001).

(3)次に、図7に示すように、下部電極4の上に、上述したビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物(以下、「Bi層状化合物」ともいう。)からなるバッファ層5を形成する。具体的には、まず、Bi層状化合物の材料の前駆体溶液をスピンコート法や液滴吐出法等の公知の塗布法で下部電極4の上に塗布する。次に、焼成等の熱処理を行うことにより、バッファ層5を得る。   (3) Next, as shown in FIG. 7, the buffer layer 5 made of the bismuth-based layered perovskite structure compound (hereinafter also referred to as “Bi layered compound”) is formed on the lower electrode 4. Specifically, first, a precursor solution of a Bi layered compound material is applied onto the lower electrode 4 by a known application method such as a spin coating method or a droplet discharge method. Next, the buffer layer 5 is obtained by performing a heat treatment such as baking.

より具体的には、まず、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望する膜厚に応じて適宜回数繰り返す。次に、結晶化アニールを行うことでバッファ層5を形成する。   More specifically, first, a series of steps of the precursor solution coating step, the drying heat treatment step, and the degreasing heat treatment step is repeated as appropriate according to the desired film thickness. Next, the buffer layer 5 is formed by performing crystallization annealing.

バッファ層5の形成材料である前駆体溶液は、バッファ層5となるBi層状化合物の材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製される。Bi層状化合物の材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属としては、金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を用いることができる。具体的には、例えば、以下のものが挙げられる。   The precursor solution, which is a material for forming the buffer layer 5, is mixed with organic metals each containing a constituent metal of the Bi layered compound material to be the buffer layer 5 so that each constituent metal has a desired molar ratio, Furthermore, it is produced by dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. An organic metal such as a metal alkoxide or an organic acid salt can be used as the organic metal containing the constituent metal of the Bi layered compound material. Specific examples include the following.

ビスマス(Bi)を含む有機金属としては、例えば2エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。ストロンチウム(Sr)を含む有機金属としては、例えば2エチルヘキサン酸ストロンチウムなどが挙げられる。タンタル(Ta)を含む有機金属としては、例えば2エチルヘキサン酸タンタルなどが挙げられる。ニオブ(Nb)を含む有機金属としては、例えば2エチルヘキサン酸ニオブなどが挙げられる。チタン(Ti)を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。ジルコニウム(Zr)を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。ハフニウム(Hf)を含む有機金属としては、例えばハフニウムアセチルアセトナートまたはハフニウムtert−ブトキシドなどが挙げられる。鉄(Fe)を含む有機金属としては、例えば酢酸鉄などが挙げられる。コバルト(Co)を含む有機金属としては、例えばコバルト(II)アセチルアセトナートまたは酢酸コバルト(II)四水和物などが挙げられる。ニッケル(Ni)を含む有機金属としては、例えばニッケルアセチルアセトナートなどが挙げられる。タングステン(W)を含む有機金属としては、例えばタングステンヘキサカルボニルなどが挙げられる。ルテニウム(Ru)を含む有機金属としては、例えばルテニウム(III)アセチルアセトナートなどが挙げられる。ロジウム(Rh)を含む有機金属としては、例えばロジウム(III)アセチルアセトナートまたは酢酸ロジウムなどが挙げられる。ランタン(La)を含む有機金属としては、例えばランタンアセチルアセトナート二水和物または酢酸ランタン1.5水和物などが挙げられる。バナジウム(V)を含む有機金属としては、例えばバナジウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。なお、Bi層状化合物の材料の構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。   Examples of the organic metal containing bismuth (Bi) include bismuth 2-ethylhexanoate. Examples of the organic metal containing strontium (Sr) include strontium 2-ethylhexanoate. Examples of the organic metal containing tantalum (Ta) include tantalum 2-ethylhexanoate. Examples of the organic metal containing niobium (Nb) include niobium 2-ethylhexanoate. Examples of the organic metal containing titanium (Ti) include titanium isopropoxide. Examples of the organic metal containing zirconium (Zr) include zirconium butoxide. Examples of the organic metal containing hafnium (Hf) include hafnium acetylacetonate and hafnium tert-butoxide. Examples of the organic metal containing iron (Fe) include iron acetate. Examples of the organic metal containing cobalt (Co) include cobalt (II) acetylacetonate or cobalt (II) acetate tetrahydrate. Examples of the organic metal containing nickel (Ni) include nickel acetylacetonate. Examples of the organic metal containing tungsten (W) include tungsten hexacarbonyl. Examples of the organic metal containing ruthenium (Ru) include ruthenium (III) acetylacetonate. Examples of the organic metal containing rhodium (Rh) include rhodium (III) acetylacetonate and rhodium acetate. Examples of the organic metal containing lanthanum (La) include lanthanum acetylacetonate dihydrate and lanthanum acetate hemihydrate. Examples of the organic metal containing vanadium (V) include vanadium acetylacetonate. In addition, as an organic metal containing the constituent metal of the material of a Bi layered compound, it is not necessarily limited to these.

混合した有機金属を溶解、または分散させる有機溶媒としては、例えば、オクタン、ブトキシエタノール、またはキシレンなどを用いることができる。   As an organic solvent for dissolving or dispersing the mixed organic metal, for example, octane, butoxyethanol, xylene, or the like can be used.

前駆体溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。安定化剤としては、例えば、ジエタノールアミン、または酢酸などを用いることができる。さらに、前駆体溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、前駆体溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。   Various additives such as a stabilizer can be added to the precursor solution as necessary. As the stabilizer, for example, diethanolamine or acetic acid can be used. Furthermore, in the case where hydrolysis / polycondensation is caused in the precursor solution, an acid or a base can be added as a catalyst together with an appropriate amount of water to the precursor solution.

前駆体溶液の塗布工程では、上述した前駆体溶液を、下部電極4上に塗布する。この塗布工程については、例えばスピンコート法を採用した場合で説明すると、まず、下部電極4上に前駆体溶液を滴下する。そして、滴下された溶液を下部電極4の全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、例えば初期では500rpm程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpm程度に上げることができる。このようにして、塗布を完了させることができる。   In the precursor solution coating step, the above-described precursor solution is coated on the lower electrode 4. For example, when the spin coating method is employed for this coating step, first, the precursor solution is dropped on the lower electrode 4. Then, spin is performed for the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the lower electrode 4. The rotation speed of the spin is, for example, about 500 rpm in the initial stage, and then the rotation speed can be increased to about 2000 rpm so that coating unevenness does not occur. In this way, the application can be completed.

乾燥熱処理工程では、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば10℃程度高い温度で、熱処理(乾燥処理)を行う。   In the drying heat treatment step, heat treatment (drying treatment) is performed at a temperature, for example, about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent used in the precursor solution, using a hot plate or the like in an air atmosphere.

脱脂熱処理工程では、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解/除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、350℃程度で熱処理を行う。   In the degreasing heat treatment step, heat treatment is performed at about 350 ° C. using a hot plate in an air atmosphere in order to decompose / remove the organometallic ligand used in the precursor solution.

結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程では、酸素雰囲気中で、例えば600℃程度で熱処理を行う。この熱処理は、例えばラピッドサーマルアニーリング(RTA)などにより行うことができる。   In the crystallization annealing, that is, the firing step for crystallization, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at, for example, about 600 ° C. This heat treatment can be performed by, for example, rapid thermal annealing (RTA).

このようにして(111)配向のPtからなる下部電極4上に、導電性を有し、c軸(001)に優先配向したBi層状化合物からなるバッファ層5を形成することができる。なお、バッファ層5の形成方法については、上述した方法に限定されることなく、例えば、スパッタ法、または、レーザーアブレーション法などを採用することができる。例えばスパッタ法を採用する場合、スパッタリング時の電力は、例えば200Wとすることができる。スパッタ法によりバッファ層5を成膜した場合、成膜後、例えば700℃でラピッドサーマルアニーリング(RTA)を行うことができる。   In this way, the buffer layer 5 made of a Bi layered compound having conductivity and preferentially oriented in the c-axis (001) can be formed on the lower electrode 4 made of (111) oriented Pt. In addition, about the formation method of the buffer layer 5, it is not limited to the method mentioned above, For example, a sputtering method or a laser ablation method etc. are employable. For example, when the sputtering method is employed, the power during sputtering can be set to 200 W, for example. When the buffer layer 5 is formed by sputtering, rapid thermal annealing (RTA) can be performed at 700 ° C. after the formation, for example.

(4)次に、図8に示すように、バッファ層5上に圧電体層6を形成する。具体的には、まず、リラクサー材料の前駆体溶液をスピンコート法や液滴吐出法等の公知の塗布法でバッファ層5の上に塗布する。次に、焼成等の熱処理を行うことにより、圧電体層6を得る。   (4) Next, as shown in FIG. 8, the piezoelectric layer 6 is formed on the buffer layer 5. Specifically, first, a precursor solution of a relaxor material is applied onto the buffer layer 5 by a known application method such as a spin coating method or a droplet discharge method. Next, the piezoelectric layer 6 is obtained by performing a heat treatment such as firing.

より具体的には、まず、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望する膜厚に応じて適宜回数繰り返す。次に、結晶化アニールを行うことで圧電体層6を形成する。   More specifically, first, a series of steps of the precursor solution coating step, the drying heat treatment step, and the degreasing heat treatment step is repeated as appropriate according to the desired film thickness. Next, the piezoelectric layer 6 is formed by performing crystallization annealing.

圧電体層6の形成材料である前駆体溶液は、圧電体層6となるリラクサー材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製される。リラクサー材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属としては、金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を用いることができる。具体的には、リラクサー材料の構成金属を含むカルボン酸塩またはアセチルアセトナート錯体として、例えば、以下のものが挙げられる。   The precursor solution, which is a material for forming the piezoelectric layer 6, is mixed with organic metals each containing a constituent metal of the relaxor material that becomes the piezoelectric layer 6 so that each constituent metal has a desired molar ratio, These are prepared by dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. An organic metal such as a metal alkoxide or an organic acid salt can be used as the organic metal containing the constituent metals of the relaxor material. Specifically, examples of the carboxylate or acetylacetonate complex containing the constituent metal of the relaxor material include the following.

鉛(Pb)を含む有機金属としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム(Zr)を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。チタン(Ti)を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。マグネシウム(Mg)を含む有機金属としては、例えば酢酸マグネシウムなどが挙げられる。ニオブ(Nb)を含む有機金属としては、例えばニオブエトキシドなどが挙げられる。ニッケル(Ni)を含む有機金属としては、例えばニッケルアセチルアセトナートなどが挙げられる。スカンジウム(Sc)を含む有機金属としては、例えば酢酸スカンジウムなどが挙げられる。インジウム(In)を含む有機金属としては、例えばインジウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。亜鉛(Zn)を含む有機金属としては、例えば酢酸亜鉛などが挙げられる。鉄(Fe)を含む有機金属としては、例えば酢酸鉄などが挙げられる。ガリウム(Ga)を含む有機金属としては、例えばガリウムイソプロポキシドなどが挙げられる。タンタル(Ta)を含む有機金属としては、例えばタンタルエトキシドなどが挙げられる。タングステン(W)を含む有機金属としては、例えばタングステンヘキサカルボニルなどが挙げられる。なお、リラクサー材料の構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。   Examples of the organic metal containing lead (Pb) include lead acetate. Examples of the organic metal containing zirconium (Zr) include zirconium butoxide. Examples of the organic metal containing titanium (Ti) include titanium isopropoxide. Examples of the organic metal containing magnesium (Mg) include magnesium acetate. Examples of the organic metal containing niobium (Nb) include niobium ethoxide. Examples of the organic metal containing nickel (Ni) include nickel acetylacetonate. Examples of the organic metal containing scandium (Sc) include scandium acetate. Examples of the organic metal containing indium (In) include indium acetylacetonate. Examples of the organic metal containing zinc (Zn) include zinc acetate. Examples of the organic metal containing iron (Fe) include iron acetate. Examples of the organic metal containing gallium (Ga) include gallium isopropoxide. Examples of the organic metal containing tantalum (Ta) include tantalum ethoxide. Examples of the organic metal containing tungsten (W) include tungsten hexacarbonyl. The organic metal containing the constituent metal of the relaxor material is not limited to these.

前駆体溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。安定化剤としては、例えば、ジエタノールアミン、または酢酸などを用いることができる。さらに、前駆体溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、前駆体溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。   Various additives such as a stabilizer can be added to the precursor solution as necessary. As the stabilizer, for example, diethanolamine or acetic acid can be used. Furthermore, in the case where hydrolysis / polycondensation is caused in the precursor solution, an acid or a base can be added as a catalyst together with an appropriate amount of water to the precursor solution.

前駆体溶液の塗布工程では、上述した前駆体溶液を、バッファ層5上に塗布する。この塗布工程については、例えばスピンコート法を採用した場合で説明すると、まず、バッファ層5上に前駆体溶液を滴下する。そして、滴下された溶液をバッファ層5の全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、例えば初期では500rpm程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpm程度に上げることができる。このようにして、塗布を完了させることができる。   In the precursor solution coating step, the above-described precursor solution is coated on the buffer layer 5. For example, when this spin coating method is employed, the coating solution is first dropped onto the buffer layer 5. Then, spinning is performed for the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the buffer layer 5. The rotation speed of the spin is, for example, about 500 rpm in the initial stage, and then the rotation speed can be increased to about 2000 rpm so that coating unevenness does not occur. In this way, the application can be completed.

乾燥熱処理工程では、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば10℃程度高い温度で、熱処理(乾燥処理)を行う。   In the drying heat treatment step, heat treatment (drying treatment) is performed at a temperature, for example, about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent used in the precursor solution, using a hot plate or the like in an air atmosphere.

脱脂熱処理工程では、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解/除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、350℃程度で熱処理を行う。   In the degreasing heat treatment step, heat treatment is performed at about 350 ° C. using a hot plate in an air atmosphere in order to decompose / remove the organometallic ligand used in the precursor solution.

結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程では、酸素雰囲気中で、例えば600℃程度で熱処理を行う。この熱処理は、例えばラピッドサーマルアニーリング(RTA)などにより行うことができる。   In the crystallization annealing, that is, the firing step for crystallization, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at, for example, about 600 ° C. This heat treatment can be performed by, for example, rapid thermal annealing (RTA).

なお、上述した例では、圧電体層6が、リラクサー材料からなる場合の製造方法について説明したが、例えば、圧電体層6がペロブスカイト型のA(B1−b)Oの一般式で示される材料(以下、「ABXO」ともいう。)からなる場合の製造方法については以下の通りである。Aは、Pbを含み、Bは、ZrおよびTiを含み、Xは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種からなることができる。なお、ここでは、ABXOとして代表的な、Pb((Zr1−aTi1−b)O(以下、「PZTX」ともいう。)の製造方法について説明する。なお、例えば、圧電体層6が、Pb1−(b/2)((Zr1−aTi1−b)Oなどからなる場合の製造方法については、以下のPZTXの製造方法と同様である。 In the example described above, the manufacturing method in the case where the piezoelectric layer 6 is made of a relaxor material has been described. For example, the piezoelectric layer 6 has a general formula of perovskite type A (B 1-b X b ) O 3 . The manufacturing method in the case of the material shown below (hereinafter also referred to as “ABXO”) is as follows. A includes Pb, B includes Zr and Ti, and X can include at least one of V, Nb, and Ta. Here, representative as ABXO, Pb ((Zr 1- a Ti a) 1-b X b) O 3 ( hereinafter, also referred to. As "PZTX") manufacturing method will be described. For example, regarding the manufacturing method in the case where the piezoelectric layer 6 is made of Pb 1- (b / 2) ((Zr 1-a Ti a ) 1-b X b ) O 3 or the like, the following manufacturing of PZTX is performed. It is the same as the method.

まず、Pb、Zr、Ti、およびXの少なくともいずれかを含む第1〜第3の原料溶液を用いて、圧電体層6が所望の組成比となるように、第1〜第3の原料溶液を所望の比で混合する。この混合溶液(前駆体溶液)をスピンコート法や液滴吐出法等の塗布法でバッファ層5上に配する。次に、焼成等の熱処理を行うことにより、圧電体層6を得る。   First, using the first to third raw material solutions containing at least one of Pb, Zr, Ti, and X, the first to third raw material solutions so that the piezoelectric layer 6 has a desired composition ratio. Are mixed in the desired ratio. This mixed solution (precursor solution) is disposed on the buffer layer 5 by a coating method such as a spin coating method or a droplet discharge method. Next, the piezoelectric layer 6 is obtained by performing a heat treatment such as firing.

より具体的には、まず、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、および脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行う。次に、結晶化アニールを行うことで圧電体層6を形成する。   More specifically, first, a series of steps of the precursor solution coating step, the drying heat treatment step, and the degreasing heat treatment step is performed a desired number of times. Next, the piezoelectric layer 6 is formed by performing crystallization annealing.

圧電体層6の形成材料である前駆体溶液については、PZTXの構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を各金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製する。PZTXの構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属としては、金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を用いることができる。具体的には、PZTXの構成金属を含むカルボン酸塩またはアセチルアセトナート錯体として、例えば、以下のものが挙げられる。   For the precursor solution, which is a material for forming the piezoelectric layer 6, organic metals each containing a constituent metal of PZTX are mixed so that each metal has a desired molar ratio, and further an organic solvent such as alcohol is used. These are prepared by dissolving or dispersing them. An organic metal such as a metal alkoxide or an organic acid salt can be used as the organic metal containing each constituent metal of PZTX. Specifically, examples of the carboxylate or acetylacetonate complex containing the constituent metal of PZTX include the following.

鉛(Pb)を含む有機金属としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム(Zr)を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。チタン(Ti)を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。バナジウム(V)を含む有機金属としては、例えば酸化バナジウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。ニオブ(Nb)を含む有機金属としては、例えばニオブエトキシドなどが挙げられる。タンタル(Ta)を含む有機金属としては、例えばタンタルエトキシドなどが挙げられる。なお、PZTXの構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。   Examples of the organic metal containing lead (Pb) include lead acetate. Examples of the organic metal containing zirconium (Zr) include zirconium butoxide. Examples of the organic metal containing titanium (Ti) include titanium isopropoxide. Examples of the organic metal containing vanadium (V) include vanadium oxide acetylacetonate. Examples of the organic metal containing niobium (Nb) include niobium ethoxide. Examples of the organic metal containing tantalum (Ta) include tantalum ethoxide. Note that the organic metal containing the constituent metal of PZTX is not limited to these.

例えば、第1の原料溶液としては、PZTXの構成金属元素のうち、PbおよびZrによるPbZrOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。 For example, as the first raw material solution, a solution in which a polycondensation polymer for forming a PbZrO 3 perovskite crystal composed of Pb and Zr among constituent metal elements of PZTX is dissolved in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state is used. It can be illustrated.

例えば、第2の原料溶液としては、PZTXの構成金属元素のうち、PbおよびTiによるPbTiOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。 For example, as the second raw material solution, a solution obtained by dissolving a polycondensation polymer for forming a PbTiO 3 perovskite crystal of Pb and Ti among the constituent metal elements of PZTX in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state. It can be illustrated.

例えば、第3の原料溶液としては、PZTXの構成金属元素のうち、PbおよびXによるPbXOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。なお、Xが二種以上の元素からなる場合は、第3の原料溶液は、複数の原料溶液からなることができる。例えば、Xが、V、Nb、およびTaの三種からなる場合、第3の原料溶液は、三種の原料溶液からなることができる。具体的には、例えば、第3の原料溶液は、PbおよびVによるPbVOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、PbおよびNbによるPbNbOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、PbおよびTaによるPbTaOペロブスカイト結晶を形成するための縮重合体を、n−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液と、からなることができる。 For example, as the third raw material solution, a solution obtained by dissolving a polycondensation product for forming a PbXO 3 perovskite crystal by Pb and X in a constituent metal element of PZTX in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state. It can be illustrated. In addition, when X consists of 2 or more types of elements, the 3rd raw material solution can consist of a several raw material solution. For example, when X consists of three kinds of V, Nb, and Ta, the third raw material solution can consist of three kinds of raw material solutions. Specifically, for example, the third raw material solution includes a solution obtained by dissolving a polycondensation product for forming a PbVO 3 perovskite crystal with Pb and V in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state, and Pb and Nb. a polycondensation product for forming a PbNbO 3 perovskite crystal containing a solution prepared by dissolving in an anhydrous state in a solvent such as n- butanol, the polycondensation product for forming a PbTaO 3 perovskite crystal containing Pb and Ta, n- And a solution dissolved in an anhydrous state in a solvent such as butanol.

原料溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。さらに、原料溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、原料溶液に適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加することができる。   Various additives such as a stabilizer can be added to the raw material solution as necessary. Furthermore, when hydrolysis / polycondensation is caused in the raw material solution, an acid or a base can be added as a catalyst together with an appropriate amount of water to the raw material solution.

前駆体溶液の塗布工程では、混合液の塗布をスピンコートなどの塗布法で行う。まず、バッファ層5上に混合溶液を滴下する。滴下された溶液をバッファ層5全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、例えば初期では500rpm程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpm程度に上げることができる。このようにして、塗布を完了させることができる。   In the precursor solution coating step, the mixed solution is coated by a coating method such as spin coating. First, the mixed solution is dropped on the buffer layer 5. Spin is performed for the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the buffer layer 5. The rotation speed of the spin is, for example, about 500 rpm in the initial stage, and then the rotation speed can be increased to about 2000 rpm so that coating unevenness does not occur. In this way, the application can be completed.

乾燥熱処理工程では、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば10℃程度高い温度で熱処理(乾燥処理)を行う。   In the drying heat treatment step, a heat plate (drying treatment) is performed at a temperature, for example, about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent used in the precursor solution, using a hot plate or the like in an air atmosphere.

脱脂熱処理工程では、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解/除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、350℃〜400℃程度で熱処理を行う。   In the degreasing heat treatment step, heat treatment is performed at about 350 ° C. to 400 ° C. using a hot plate in an air atmosphere in order to decompose / remove the organometallic ligand used in the precursor solution.

結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程では、酸素雰囲気中で、例えば600℃程度で熱処理を行う。この熱処理は、例えばラピッドサーマルアニーリング(RTA)などにより行うことができる。   In the crystallization annealing, that is, the firing step for crystallization, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at, for example, about 600 ° C. This heat treatment can be performed by, for example, rapid thermal annealing (RTA).

ABXOからなる圧電体層6を形成する際には、さらにPbSiOシリケートを、例えば1モル%以上、5モル%以下の割合で添加することが好ましい。これによりABXOの結晶化エネルギーを軽減させることができる。すなわち、圧電体層6として例えばPZTXを用いる場合、X添加とともに、PbSiOシリケートとを添加することでPZTXの結晶化温度の低減を図ることができる。具体的には、上述した第1〜第3の原料溶液に加え、第4の原料溶液を用いることができる。第4の原料溶液としては、PbSiO結晶を形成するため縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液が例示できる。結晶化を促進する添加剤としては、ゲルマネートを用いることもできる。圧電体層6を形成する際に、PbSiOシリケートまたはゲルマネートを用いることにより、圧電体層6は、SiまたはSiおよびGeを含む場合がある。具体的には、圧電体層6は、0.5モル%以上であって、5モル%未満のSi、またはSiおよびGeを含むことができる。 When forming the piezoelectric layer 6 made of ABXO, it is preferable to further add PbSiO 3 silicate at a ratio of, for example, 1 mol% or more and 5 mol% or less. Thereby, the crystallization energy of ABXO can be reduced. That is, for example, when PZTX is used as the piezoelectric layer 6, it is possible to reduce the crystallization temperature of PZTX by adding PbSiO 3 silicate together with the addition of X. Specifically, in addition to the first to third raw material solutions described above, a fourth raw material solution can be used. Examples of the fourth raw material solution include a solution obtained by dissolving a condensation polymer in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state in order to form a PbSiO 3 crystal. As an additive for promoting crystallization, germanate can also be used. When the piezoelectric layer 6 is formed, the piezoelectric layer 6 may contain Si or Si and Ge by using PbSiO 3 silicate or germanate. Specifically, the piezoelectric layer 6 can contain 0.5 mol% or more and less than 5 mol% of Si, or Si and Ge.

圧電体層6は、c軸(001)に優先配向したバッファ層5の上に形成されることで、擬立方晶(001)に配向し易くなる。その結果、圧電体層6は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造となり、かつ擬立方晶(001)に優先配向したものとなることができる。   By forming the piezoelectric layer 6 on the buffer layer 5 preferentially oriented with respect to the c-axis (001), the piezoelectric layer 6 is easily oriented to pseudo cubic (001). As a result, the piezoelectric layer 6 can be a perovskite type, a rhombohedral structure, and can be preferentially oriented to pseudo cubic (001).

なお、上述した例では、圧電体層6を液相法で形成する例について述べたが、スパッタ法、分子線エピタキシー法、またはレーザーアブレーション法等の気相法を用いて、圧電体層6を形成することもできる。   In the example described above, an example in which the piezoelectric layer 6 is formed by the liquid phase method has been described. However, the piezoelectric layer 6 is formed by using a vapor phase method such as a sputtering method, a molecular beam epitaxy method, or a laser ablation method. It can also be formed.

(7)次に、図1に示すように、圧電体層6上に上部電極7を形成する。上部電極7は、例えばスパッタ法あるいは真空蒸着法などによって形成することができる。上部電極7は、例えばPt(白金)からなる。なお、上部電極7の材料は、Ptに限定されることなく、例えば、Ir(イリジウム)、IrO(酸化イリジウム)、Ti(チタン)、または、SrRuOなどを用いることができる。 (7) Next, as shown in FIG. 1, the upper electrode 7 is formed on the piezoelectric layer 6. The upper electrode 7 can be formed by, for example, a sputtering method or a vacuum evaporation method. The upper electrode 7 is made of, for example, Pt (platinum). The material of the upper electrode 7 is not limited to Pt, and for example, Ir (iridium), IrO x (iridium oxide), Ti (titanium), SrRuO 3 or the like can be used.

以上の工程によって、本実施形態に係る圧電素子1を製造することができる。   Through the above steps, the piezoelectric element 1 according to this embodiment can be manufactured.

1−3.作用・効果
本実施形態に係る圧電素子1によれば、基板2の上に形成されたビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物からなるバッファ層5と、バッファ層5の上に形成された、リラクサー材料からなる圧電体層6とを含むことができる。ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、層状化合物であり、白金(Pt)やイリジウム(Ir)などからなる下部電極4上に、容易にc軸(001)に優先配向することができる。そして、本実施形態に係る圧電素子1によれば、リラクサー材料からなる圧電体層6が、c軸(001)に優先配向したバッファ層5上に形成されているため、圧電体層6も擬立方晶(001)に良好に優先配向したものとなる。従って、本実施形態に係る圧電素子1は、圧電特性の良好な圧電体層6を有することができる。言い換えるならば、本実施形態に係る圧電素子1は、圧電定数が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなる。
1-3. Action / Effect According to the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the buffer layer 5 made of a bismuth-based layered perovskite structure compound formed on the substrate 2 and the relaxor material formed on the buffer layer 5 are used. The piezoelectric layer 6 can be included. The bismuth-based layered perovskite structure compound is a layered compound and can be easily preferentially oriented in the c-axis (001) on the lower electrode 4 made of platinum (Pt), iridium (Ir), or the like. According to the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, since the piezoelectric layer 6 made of the relaxor material is formed on the buffer layer 5 preferentially oriented with respect to the c-axis (001), the piezoelectric layer 6 is also simulated. It is preferably preferentially oriented to cubic (001). Therefore, the piezoelectric element 1 according to the present embodiment can have the piezoelectric layer 6 having good piezoelectric characteristics. In other words, the piezoelectric element 1 according to the present embodiment has a high piezoelectric constant and undergoes greater deformation with respect to the applied voltage.

また、本実施形態に係る圧電素子1によれば、圧電体層6として上述の各式で示されるリラクサー材料を用いることができる。その結果、本実施形態に係る圧電素子1は、圧電定数が十分に高いものとなる。従って、本実施形態に係る圧電素子1、より具体的には圧電体層6は、より良好な変形をなすものとなる。   Moreover, according to the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, the relaxor material represented by the above-described formulas can be used as the piezoelectric layer 6. As a result, the piezoelectric element 1 according to the present embodiment has a sufficiently high piezoelectric constant. Therefore, the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, more specifically, the piezoelectric layer 6 is more deformed.

また、本実施形態に係る圧電素子1によれば、バッファ層5は導電性を有する。例えばバッファ層が誘電体材料からなる場合には、圧電体層自体に十分な電圧を印加することができない。これに対し、本実施形態に係る圧電素子1によれば、バッファ層5が導電性を有するため、圧電体層6自体に十分な電圧を印加することができる。   Moreover, according to the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, the buffer layer 5 has conductivity. For example, when the buffer layer is made of a dielectric material, a sufficient voltage cannot be applied to the piezoelectric layer itself. On the other hand, according to the piezoelectric element 1 according to this embodiment, since the buffer layer 5 has conductivity, a sufficient voltage can be applied to the piezoelectric layer 6 itself.

本実施形態に係る圧電体層6の圧電定数(d31)は、例えば絶対値で400pC/N以上であることができる。本実施形態に係る圧電素子1のリーク電流は、例えば印加電圧が100kV/cmのときに、10−5A/cm未満であることができる。本実施形態に係る圧電素子1の繰り返し耐久性は、印加電圧が300kV/cmのときに、10回を保証することができる。 The piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric layer 6 according to this embodiment can be, for example, 400 pC / N or more in absolute value. For example, when the applied voltage is 100 kV / cm, the leakage current of the piezoelectric element 1 according to the present embodiment can be less than 10 −5 A / cm 2 . Repeated durability of the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the applied voltage is at 300 kV / cm, it is possible to ensure 10 9 times.

1−4.実験例
上述の圧電素子の製造方法に基づき、圧電素子1を以下のようにして作製した。
1-4. Experimental Example Based on the above-described method for manufacturing a piezoelectric element, the piezoelectric element 1 was manufactured as follows.

まず、基板2上に弾性膜3を介して(111)配向の白金(Pt)からなる下部電極4をスパッタ法で形成した。下部電極4の膜厚は、100nmとした。スパッタリング時の電力は、200Wとした。   First, the lower electrode 4 made of platinum (Pt) with (111) orientation was formed on the substrate 2 through the elastic film 3 by sputtering. The film thickness of the lower electrode 4 was 100 nm. The power during sputtering was 200 W.

次に、下部電極4の上に、Bi(Ti0.90Ni0.1012(以下、「BTNO」ともいう。)からなるバッファ層5を形成した。 Next, a buffer layer 5 made of Bi 4 (Ti 0.90 Ni 0.10 ) 3 O 12 (hereinafter also referred to as “BTNO”) was formed on the lower electrode 4.

まず、2エチルヘキサン酸ビスマス、チタンイソプロポキシド、およびニッケルアセチルアセトナートといった金属試薬をそれぞれ用意した。次に、形成するBTNOに対応したモル比となるようにこれらを混合するとともに、これらをブトキシエタノールに溶解(分散)させた。このようにして、BTNOの前駆体溶液を作製した。   First, metal reagents such as bismuth 2-ethylhexanoate, titanium isopropoxide, and nickel acetylacetonate were prepared. Next, these were mixed so as to have a molar ratio corresponding to BTNO to be formed, and dissolved (dispersed) in butoxyethanol. In this way, a precursor solution of BTNO was prepared.

次に、前駆体溶液をスピンコート法によって下部電極4上に塗布した(前駆体溶液の塗布工程)。次に、溶媒の沸点(ブトキシエタノールの場合、171℃程度)より約10℃高い温度で熱処理(乾燥処理)を行い、溶媒を除去し、ゲル化させた(乾燥熱処理工程)。次に、350℃程度で熱処理を行い、膜中に残存している溶媒以外の有機成分を分解/除去し(脱脂熱処理工程)、アモルファス膜を形成した。次に、酸素雰囲気中において、600℃程度でラピッドサーマルアニーリング(RTA)を行い、結晶化を行った。このようにしてバッファ層5を形成した。バッファ層5の膜厚は、20nmとした。   Next, the precursor solution was applied onto the lower electrode 4 by spin coating (precursor solution application step). Next, heat treatment (drying treatment) was performed at a temperature about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent (in the case of butoxyethanol, about 171 ° C.), and the solvent was removed and gelled (dry heat treatment step). Next, heat treatment was performed at about 350 ° C. to decompose / remove organic components other than the solvent remaining in the film (degreasing heat treatment step) to form an amorphous film. Next, rapid thermal annealing (RTA) was performed at about 600 ° C. in an oxygen atmosphere for crystallization. Thus, the buffer layer 5 was formed. The film thickness of the buffer layer 5 was 20 nm.

次に、バッファ層5の上に、0.70Pb(Mg1/3Nb2/3)O−0.30PbTiO(以下、「PMN−PT」ともいう)からなる圧電体層6を形成した。 Next, a piezoelectric layer 6 made of 0.70 Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.30 PbTiO 3 (hereinafter also referred to as “PMN-PT”) was formed on the buffer layer 5. .

まず、酢酸鉛、チタンイソプロポキシド、酢酸マグネシウム、およびニオブエトキシドといった金属試薬をそれぞれ用意した。次に、形成するPMN−PTに対応したモル比となるようにこれらを混合するとともに、これらをブチルセロソルブに溶解(分散)させた。さらに、この溶液の安定化剤としてジエタノールアミンを添加した。このようにして、PMN−PTの前駆体溶液を作製した。   First, metal reagents such as lead acetate, titanium isopropoxide, magnesium acetate, and niobium ethoxide were prepared. Next, while mixing these so that it might become a molar ratio corresponding to PMN-PT to form, these were melt | dissolved (dispersed) in the butyl cellosolve. Furthermore, diethanolamine was added as a stabilizer for this solution. Thus, the precursor solution of PMN-PT was produced.

次に、前駆体溶液をスピンコート法によってバッファ層5上に塗布した(前駆体溶液の塗布工程)。次に、溶媒の沸点(ブチルセロソルブの場合、170℃程度)より約10℃高い温度で熱処理(乾燥処理)を行い、溶媒を除去し、ゲル化させた(乾燥熱処理工程)。次に、350℃程度で熱処理を行い、膜中に残存している溶媒以外の有機成分を分解/除去し(脱脂熱処理工程)、アモルファス膜を形成した。次に、酸素雰囲気中において、600℃程度でラピッドサーマルアニーリング(RTA)を行い、結晶化を行った。このようにして圧電体層6を形成した。圧電体層6の膜厚は、500nmとした。   Next, the precursor solution was applied onto the buffer layer 5 by spin coating (precursor solution application step). Next, heat treatment (drying treatment) was performed at a temperature about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent (in the case of butyl cellosolve, about 170 ° C.), and the solvent was removed and gelled (dry heat treatment step). Next, heat treatment was performed at about 350 ° C. to decompose / remove organic components other than the solvent remaining in the film (degreasing heat treatment step) to form an amorphous film. Next, rapid thermal annealing (RTA) was performed at about 600 ° C. in an oxygen atmosphere for crystallization. In this way, the piezoelectric layer 6 was formed. The film thickness of the piezoelectric layer 6 was 500 nm.

次に、スパッタ法によって圧電体層6上に白金(Pt)からなる上部電極7を形成し、圧電素子1を得た。   Next, the upper electrode 7 made of platinum (Pt) was formed on the piezoelectric layer 6 by sputtering, and the piezoelectric element 1 was obtained.

このようにして得られた圧電素子1について、特にその圧電体層6をX線回折(XRD)法によって解析したところ、圧電体層6は、室温にてロンボヘドラル構造を有し、擬立方晶(001)に優先配向していることが確認された。   The piezoelectric element 1 obtained in this way was analyzed especially by the X-ray diffraction (XRD) method of the piezoelectric layer 6. The piezoelectric layer 6 had a rhombohedral structure at room temperature, and had a pseudo cubic structure ( (001) was confirmed to be preferentially oriented.

また、この圧電体層6の圧電定数(d31)を測定したところ、絶対値で400pC/Nであった。また、リーク電流は、100kV/cmのとき、10−5A/cm未満であった。さらに、圧電素子1の300kV/cm印加時における繰り返し耐久性を調べたところ、1×10回を保証できる耐久性を備えていた。 Further, when the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric layer 6 was measured, it was 400 pC / N in absolute value. Moreover, the leakage current was less than 10 −5 A / cm 2 at 100 kV / cm. Furthermore, when the repeated durability of the piezoelectric element 1 when 300 kV / cm was applied was examined, the piezoelectric element 1 had a durability capable of guaranteeing 1 × 10 9 times.

なお、以下の表1に示す材料を用いて圧電体層6を作製し、圧電定数(d31)を調べたところ、いずれもd31は絶対値で400pC/N以上という高い圧電特性を示した。なお、バッファ層5としては、SrBi(Ta0.70Ni0.30を用いた。表1にはd31の絶対値を示している。圧電定数(d31)の測定方法は以下のように行った。 In addition, when the piezoelectric body layer 6 was produced using the material shown in the following Table 1 and the piezoelectric constant (d 31 ) was examined, all showed high piezoelectric characteristics where d 31 was 400 pC / N or more in absolute value. . As the buffer layer 5, SrBi 2 (Ta 0.70 Ni 0.30 ) 2 O 9 was used. The Table 1 shows the absolute value of d 31. The piezoelectric constant (d 31 ) was measured as follows.

まず、実際のインクジェット式記録ヘッド50(図9参照)における電圧印加時の圧電体層6の変位量S1を、レーザー変位計を用いて実測する。この値S1と、有限要素法による圧電変位のシミュレーションで得られた変位量S2とを比較することで、圧電体層6の実際の圧電定数(d31)と、有限要素法で仮定した圧電体層6の圧電定数(d'31)との差分を求めることができる。その結果、圧電体層6の圧電定数(d31)を測定することができる。なお、有限要素法による圧電変位のシミュレーションで必要になる物理量は、各膜のヤング率、膜応力、および仮定した圧電体層6の圧電定数(d'31)である。 First, the displacement S1 of the piezoelectric layer 6 at the time of voltage application in the actual ink jet recording head 50 (see FIG. 9) is measured using a laser displacement meter. By comparing this value S1 with the displacement amount S2 obtained by the piezoelectric displacement simulation by the finite element method, the actual piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric layer 6 and the piezoelectric body assumed by the finite element method are used. The difference from the piezoelectric constant (d ′ 31 ) of the layer 6 can be obtained. As a result, the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric layer 6 can be measured. The physical quantities required for the simulation of piezoelectric displacement by the finite element method are the Young's modulus of each film, the film stress, and the assumed piezoelectric constant (d ′ 31 ) of the piezoelectric layer 6.

Figure 2006086368
Figure 2006086368

2.第2の実施形態
2−1.インクジェット式記録ヘッド
次に、第1の実施形態に係る圧電素子1を有するインクジェット式記録ヘッドの一実施形態について説明する。図9は、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図10は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図10は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
2. Second embodiment 2-1. Inkjet Recording Head Next, an embodiment of an inkjet recording head having the piezoelectric element 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 9 is a side sectional view showing a schematic configuration of the ink jet recording head according to the present embodiment, and FIG. 10 is an exploded perspective view of the ink jet recording head. In addition, FIG. 10 is shown upside down from the state normally used.

インクジェット式記録ヘッド(以下、「ヘッド」ともいう)50は、図9に示すように、ヘッド本体57と、ヘッド本体57の上に設けられた圧電部54と、を含む。なお、図9に示す圧電部54は、図1に示す圧電素子1における弾性膜3、下部電極4、バッファ層5、圧電体層6、および上部電極7に相当する。本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子1は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。圧電アクチュエーターとは、ある物質を動かす機能を有する素子である。   As shown in FIG. 9, the ink jet recording head (hereinafter also referred to as “head”) 50 includes a head main body 57 and a piezoelectric portion 54 provided on the head main body 57. 9 corresponds to the elastic film 3, the lower electrode 4, the buffer layer 5, the piezoelectric layer 6, and the upper electrode 7 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. In the ink jet recording head according to the present embodiment, the piezoelectric element 1 can function as a piezoelectric actuator. A piezoelectric actuator is an element having a function of moving a certain substance.

また、図1に示す圧電素子1における弾性膜3は、図9において弾性膜55に相当する。基板2(図1参照)は、ヘッド本体57の要部を構成するものとなっている。   Further, the elastic film 3 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 corresponds to the elastic film 55 in FIG. The substrate 2 (see FIG. 1) constitutes a main part of the head main body 57.

すなわち、ヘッド50は、図10に示すようにノズル板51と、インク室基板52と、弾性膜55と、弾性膜55に接合された圧電部(振動源)54と、を含み、これらが基体56に収納されて構成されている。なお、このヘッド50は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。   That is, the head 50 includes a nozzle plate 51, an ink chamber substrate 52, an elastic film 55, and a piezoelectric part (vibration source) 54 bonded to the elastic film 55, as shown in FIG. 56 is housed. The head 50 constitutes an on-demand piezo jet head.

ノズル板51は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル511を一列に形成したものである。これらノズル511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。   The nozzle plate 51 is composed of, for example, a stainless steel rolling plate or the like, and has a large number of nozzles 511 for ejecting ink droplets formed in a line. The pitch between these nozzles 511 is appropriately set according to the printing accuracy.

ノズル板51には、インク室基板52が固着(固定)されている。インク室基板52は、基板2(図1参照)によって形成されたものである。インク室基板52は、ノズル板51、側壁(隔壁)522、および弾性膜55によって、複数のキャビティー(インクキャビティー)521と、リザーバ523と、供給口524と、を区画形成したものである。リザーバ523は、インクカートリッジ631(図13参照)から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口524によって、リザーバ523から各キャビティー521にインクが供給される。   An ink chamber substrate 52 is fixed (fixed) to the nozzle plate 51. The ink chamber substrate 52 is formed by the substrate 2 (see FIG. 1). The ink chamber substrate 52 has a plurality of cavities (ink cavities) 521, a reservoir 523, and a supply port 524 formed by a nozzle plate 51, side walls (partition walls) 522, and an elastic film 55. . The reservoir 523 temporarily stores ink supplied from the ink cartridge 631 (see FIG. 13). Ink is supplied from the reservoir 523 to each cavity 521 through the supply port 524.

キャビティー521は、図9および図10に示すように、各ノズル511に対応して配設されている。キャビティー521は、弾性膜55の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティー521は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。   As shown in FIGS. 9 and 10, the cavity 521 is disposed corresponding to each nozzle 511. The cavities 521 each have a variable volume due to the vibration of the elastic film 55. The cavity 521 is configured to eject ink by this volume change.

インク室基板52を得るための母材、すなわち基板2(図1参照)としては、(110)配向のシリコン単結晶基板が用いられている。この(110)配向のシリコン単結晶基板は、異方性エッチングに適しているのでインク室基板52を、容易にかつ確実に形成することができる。なお、このようなシリコン単結晶基板は、図1に示す弾性膜3の形成面、すなわち弾性膜55の形成面が(110)面となるようにして用いられている。   As a base material for obtaining the ink chamber substrate 52, that is, the substrate 2 (see FIG. 1), a (110) -oriented silicon single crystal substrate is used. Since this (110) -oriented silicon single crystal substrate is suitable for anisotropic etching, the ink chamber substrate 52 can be formed easily and reliably. Such a silicon single crystal substrate is used such that the formation surface of the elastic film 3 shown in FIG. 1, that is, the formation surface of the elastic film 55 is the (110) surface.

インク室基板52のノズル板51と反対の側には弾性膜55が配設されている。さらに弾性膜55のインク室基板52と反対の側には複数の圧電部54が設けられている。弾性膜55は、前述したように図1に示す圧電素子1における弾性膜3によって形成されたものである。弾性膜55の所定位置には、図10に示すように、弾性膜55の厚さ方向に貫通して連通孔531が形成されている。連通孔531により、インクカートリッジ631からリザーバ523へのインクの供給がなされる。   An elastic film 55 is disposed on the side of the ink chamber substrate 52 opposite to the nozzle plate 51. Further, a plurality of piezoelectric portions 54 are provided on the side of the elastic film 55 opposite to the ink chamber substrate 52. The elastic film 55 is formed by the elastic film 3 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 as described above. As shown in FIG. 10, a communication hole 531 is formed at a predetermined position of the elastic film 55 so as to penetrate in the thickness direction of the elastic film 55. Ink is supplied from the ink cartridge 631 to the reservoir 523 through the communication hole 531.

各圧電部54は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各圧電部54はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエーター)として機能する。弾性膜55は、圧電部54の振動(たわみ)によって振動し(たわみ)、キャビティー521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。   Each piezoelectric portion 54 is electrically connected to a piezoelectric element driving circuit described later, and is configured to operate (vibrate, deform) based on a signal from the piezoelectric element driving circuit. That is, each piezoelectric part 54 functions as a vibration source (head actuator). The elastic film 55 vibrates (deflection) due to vibration (deflection) of the piezoelectric portion 54 and functions to instantaneously increase the internal pressure of the cavity 521.

基体56は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図10に示すように、この基体56にインク室基板52が固定、支持されている。   The base 56 is made of, for example, various resin materials, various metal materials, or the like. As shown in FIG. 10, the ink chamber substrate 52 is fixed and supported on the base body 56.

2−2.インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の動作について説明する。本実施形態におけるヘッド50は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電部54の下部電極4と上部電極7との間に電圧が印加されていない状態では、図11に示すように圧電体層6に変形が生じない。このため、弾性膜55にも変形が生じず、キャビティー521には容積変化が生じない。従って、ノズル511からインク滴は吐出されない。
2-2. Operation of Inkjet Recording Head Next, the operation of the inkjet recording head 50 in this embodiment will be described. In the head 50 in this embodiment, a predetermined ejection signal is not input via the piezoelectric element driving circuit, that is, a state where no voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 7 of the piezoelectric portion 54. Then, as shown in FIG. 11, the piezoelectric layer 6 is not deformed. For this reason, the elastic film 55 is not deformed and the volume of the cavity 521 is not changed. Accordingly, no ink droplet is ejected from the nozzle 511.

一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電部54の下部電極4と上部電極7との間に電圧が印加された状態では、図12に示すように、圧電体層6においてその短軸方向(図12に示す矢印sの方向)にたわみ変形が生じる。これにより、弾性膜55がたわみ、キャビティー521の容積変化が生じる。このとき、キャビティー521内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル511からインク滴58が吐出される。   On the other hand, in a state where a predetermined ejection signal is input via the piezoelectric element driving circuit, that is, in a state where a voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 7 of the piezoelectric portion 54, as shown in FIG. In the piezoelectric layer 6, bending deformation occurs in the minor axis direction (the direction of the arrow s shown in FIG. 12). As a result, the elastic film 55 bends and the volume of the cavity 521 changes. At this time, the pressure in the cavity 521 increases instantaneously, and the ink droplet 58 is ejected from the nozzle 511.

すなわち、電圧を印加すると、圧電体層6の結晶格子は面方向に対して垂直な方向(図12に示す矢印dの方向)に引き伸ばされるが、同時に面方向には圧縮される。この状態では、圧電体層6にとっては面内に引っ張り応力fが働いていることになる。従って、この引っ張り応力fによって弾性膜55をそらせ、たわませることになる。キャビティー521の短軸方向での圧電体層6の変位量(絶対値)が大きければ大きいほど、弾性膜55のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。   That is, when a voltage is applied, the crystal lattice of the piezoelectric layer 6 is stretched in the direction perpendicular to the plane direction (the direction of the arrow d shown in FIG. 12), but is simultaneously compressed in the plane direction. In this state, the tensile stress f is in-plane for the piezoelectric layer 6. Therefore, the elastic film 55 is deflected and bent by the tensile stress f. The greater the amount of displacement (absolute value) of the piezoelectric layer 6 in the minor axis direction of the cavity 521, the greater the amount of deflection of the elastic film 55, making it possible to eject ink droplets more efficiently. .

1回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極4と上部電極7との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電部54は図11に示す元の形状に戻り、キャビティー521の容積が増大する。なお、このとき、インクには、インクカートリッジ631からノズル511へ向かう圧力(正方向への圧力)が作用している。このため、空気がノズル511からキャビティー521へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ631からリザーバ523を経てキャビティー521へ供給される。   When the ejection of one ink is completed, the piezoelectric element driving circuit stops applying the voltage between the lower electrode 4 and the upper electrode 7. Thereby, the piezoelectric part 54 returns to the original shape shown in FIG. 11, and the volume of the cavity 521 increases. At this time, pressure (pressure in the positive direction) from the ink cartridge 631 toward the nozzle 511 acts on the ink. For this reason, air is prevented from entering the cavity 521 from the nozzle 511, and an amount of ink corresponding to the ink ejection amount is supplied from the ink cartridge 631 to the cavity 521 through the reservoir 523.

このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電部54に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の(所望の)文字や図形等を印刷することができる。   In this way, arbitrary (desired) characters and figures are printed by sequentially inputting ejection signals via the piezoelectric element driving circuit to the piezoelectric unit 54 at the position where ink droplets are to be ejected. be able to.

2−3.インクジェット式記録ヘッドの製造方法
次に、本実施形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の製造方法の一例について説明する。
2-3. Method for Manufacturing Inkjet Recording Head Next, an example of a method for manufacturing the inkjet recording head 50 in the present embodiment will be described.

まず、インク室基板52となる母材、すなわち(110)配向のシリコン単結晶基板からなる基板2を用意する。次に、図1、図5〜図8に示すように、基板2上に弾性膜3、下部電極4、バッファ層5、圧電体層6、および上部電極7を順次形成する。なお、ここで形成した弾性膜3が、弾性膜55となるのは前述した通りである。   First, a base material to be an ink chamber substrate 52, that is, a substrate 2 made of a (110) oriented silicon single crystal substrate is prepared. Next, as shown in FIGS. 1 and 5 to 8, the elastic film 3, the lower electrode 4, the buffer layer 5, the piezoelectric layer 6, and the upper electrode 7 are sequentially formed on the substrate 2. The elastic film 3 formed here becomes the elastic film 55 as described above.

次に、上部電極7、圧電体層6、バッファ層5、および下部電極4を、図11および図12に示すように、個々のキャビティー521に対応させてパターニングし、図9に示すように、キャビティー521の数に対応した数の圧電部54を形成する。   Next, the upper electrode 7, the piezoelectric layer 6, the buffer layer 5, and the lower electrode 4 are patterned to correspond to the individual cavities 521, as shown in FIGS. 11 and 12, and as shown in FIG. The number of piezoelectric portions 54 corresponding to the number of cavities 521 is formed.

次に、インク室基板52となる母材(基板2)をパターニングし、圧電部54に対応する位置にそれぞれキャビティー521となる凹部を、また、所定位置にリザーバ523および供給口524となる凹部を形成する。   Next, the base material (substrate 2) to be the ink chamber substrate 52 is patterned, and concave portions to be the cavities 521 are respectively provided at positions corresponding to the piezoelectric portions 54, and concave portions to be the reservoir 523 and the supply port 524 at predetermined positions. Form.

本実施形態では、母材(基板2)として(110)配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング(異方性エッチング)が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、前述したように弾性膜3をエッチングストッパとして機能させることができる。従って、インク室基板52の形成をより容易に行うことができる。   In the present embodiment, since a (110) -oriented silicon substrate is used as the base material (substrate 2), wet etching (anisotropic etching) using a high-concentration alkaline aqueous solution is suitably employed. In wet etching with a high-concentration alkaline aqueous solution, the elastic film 3 can function as an etching stopper as described above. Therefore, the ink chamber substrate 52 can be formed more easily.

このようにして母材(基板2)を、その厚さ方向に弾性膜55が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板52を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁522となる。露出した弾性膜55は、弾性膜としての機能を発揮し得る状態となる。   In this manner, the ink chamber substrate 52 is formed by removing the base material (substrate 2) by etching until the elastic film 55 is exposed in the thickness direction. At this time, a portion left without being etched becomes the side wall 522. The exposed elastic film 55 is in a state where it can function as an elastic film.

次に、複数のノズル511が形成されたノズル板51を、各ノズル511が各キャビティー521となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティー521、リザーバ523および複数の供給口524が形成される。ノズル板51の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板52を基体56に取り付ける。   Next, the nozzle plate 51 on which the plurality of nozzles 511 are formed is aligned so that each nozzle 511 corresponds to a concave portion that becomes each cavity 521, and bonded in that state. Thereby, a plurality of cavities 521, a reservoir 523, and a plurality of supply ports 524 are formed. For the joining of the nozzle plate 51, for example, an adhesive method using an adhesive or a fusion method may be used. Next, the ink chamber substrate 52 is attached to the base 56.

以上の工程によって、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド50を製造することができる。   The ink jet recording head 50 according to this embodiment can be manufactured through the above steps.

2−4.作用・効果
本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド50によれば、前述したように、圧電部54の圧電体層6の圧電定数(d31)が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっている。すなわち、圧電部54が良好な圧電特性を有する。これにより、弾性膜55のたわみ量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル511のピッチをより高密度に形成することなどができる。従って、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、キャビティー521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。
2-4. Action / Effect According to the ink jet recording head 50 according to the present embodiment, as described above, the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric layer 6 of the piezoelectric portion 54 is high, and the deformation is larger than the applied voltage. It is what constitutes. That is, the piezoelectric portion 54 has good piezoelectric characteristics. Thereby, the amount of deflection of the elastic film 55 is increased, and ink droplets can be ejected more efficiently. Here, “efficient” means that the same amount of ink droplets can be ejected with a smaller voltage. That is, the driver circuit can be simplified and the power consumption can be reduced at the same time, so that the pitch of the nozzles 511 can be formed at a higher density. Therefore, high-density printing and high-speed printing are possible. Furthermore, since the length of the long axis of the cavity 521 can be shortened, the entire head can be reduced in size.

3.第3の実施形態
3−1.インクジェットプリンター
次に、第2の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド50を有するインクジェットプリンターの一実施形態について説明する。図13は、本実施形態に係るインクジェットプリンター600を示す概略構成図である。インクジェットプリンター600は、紙などに印刷可能なプリンターとして機能することができる。なお、以下の説明では、図13中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
3. Third Embodiment 3-1. Inkjet Printer Next, an embodiment of an inkjet printer having the inkjet recording head 50 according to the second embodiment will be described. FIG. 13 is a schematic configuration diagram illustrating an inkjet printer 600 according to the present embodiment. The ink jet printer 600 can function as a printer that can print on paper or the like. In the following description, the upper side in FIG. 13 is referred to as “upper part” and the lower side is referred to as “lower part”.

インクジェットプリンター600は、装置本体620を有し、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。   The ink jet printer 600 has an apparatus main body 620, a tray 621 for installing the recording paper P in the upper rear, a discharge port 622 for discharging the recording paper P in the lower front, and an operation panel 670 on the upper surface. Have.

装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を有する印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。   Inside the apparatus main body 620, there are mainly a printing apparatus 640 having a reciprocating head unit 630, a paper feeding apparatus 650 for feeding the recording paper P one by one to the printing apparatus 640, the printing apparatus 640 and the paper feeding apparatus 650. And a control unit 660 for controlling.

印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642と、を含む。   The printing apparatus 640 includes a head unit 630, a carriage motor 641 serving as a driving source for the head unit 630, and a reciprocating mechanism 642 that receives the rotation of the carriage motor 641 to reciprocate the head unit 630.

ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数のノズル511を有するインクジェット式記録ヘッド50と、このインクジェット式記録ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。   The head unit 630 includes an ink jet recording head 50 having a large number of the nozzles 511 described above, an ink cartridge 631 that supplies ink to the ink jet recording head 50, and the ink jet recording head 50 and the ink cartridge 631. And a carriage 632 mounted thereon.

往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド50から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。   The reciprocating mechanism 642 includes a carriage guide shaft 643 whose both ends are supported by a frame (not shown), and a timing belt 644 extending in parallel with the carriage guide shaft 643. The carriage 632 is supported by the carriage guide shaft 643 so as to reciprocate and is fixed to a part of the timing belt 644. When the timing belt 644 travels forward and backward through a pulley by the operation of the carriage motor 641, the head unit 630 reciprocates while being guided by the carriage guide shaft 643. During this reciprocation, ink is appropriately discharged from the ink jet recording head 50 and printing on the recording paper P is performed.

給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。   The sheet feeding device 650 includes a sheet feeding motor 651 serving as a driving source thereof, and a sheet feeding roller 652 that rotates by the operation of the sheet feeding motor 651. The paper feed roller 652 includes a driven roller 652 a and a drive roller 652 b that are opposed to each other across the feeding path (recording paper P) of the recording paper P, and the driving roller 652 b is connected to the paper feeding motor 651. Has been.

3−2.作用・効果
本実施形態に係るインクジェットプリンター600によれば、前述したように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド50を有するので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
3-2. Action / Effect According to the ink jet printer 600 according to the present embodiment, as described above, since the ink jet recording head 50 having high performance and high nozzle density is provided, high density printing and high speed printing are possible. .

なお、本発明のインクジェットプリンター600は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。   The ink jet printer 600 of the present invention can also be used as a droplet discharge device used industrially. In that case, as the ink to be ejected (liquid material), various functional materials can be used by adjusting them to an appropriate viscosity with a solvent or a dispersion medium.

4.第4の実施形態
4−1.圧電ポンプ
次に、第1の実施形態に係る圧電素子1を有する圧電ポンプの一実施形態について図面を参照しながら説明する。図14および図15は、本実施形態に係る圧電ポンプ20の概略断面図である。本実施形態に係る圧電ポンプ20において、圧電素子は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。図14および図15に示す圧電部22は、図1に示す圧電素子1における下部電極4と、バッファ層5と、圧電体層6と、上部電極7とからなるものであり、図1に示す圧電素子1における弾性膜3は、図14および図15において振動板24となっている。また、基板2(図1参照)は、圧電ポンプ20の要部を構成する基体21となっている。圧電ポンプ20は、基体21と、圧電部22と、ポンプ室23と、振動板24と、吸入側逆止弁26aと、吐出側逆止弁26bと、吸入口28aと、吐出口28bとを含む。
4). Fourth embodiment 4-1. Next, an embodiment of a piezoelectric pump having the piezoelectric element 1 according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 14 and 15 are schematic cross-sectional views of the piezoelectric pump 20 according to the present embodiment. In the piezoelectric pump 20 according to the present embodiment, the piezoelectric element can function as a piezoelectric actuator. 14 and 15 includes the lower electrode 4, the buffer layer 5, the piezoelectric layer 6, and the upper electrode 7 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1, and is shown in FIG. The elastic film 3 in the piezoelectric element 1 is a diaphragm 24 in FIGS. 14 and 15. The substrate 2 (see FIG. 1) serves as a base 21 that constitutes a main part of the piezoelectric pump 20. The piezoelectric pump 20 includes a base 21, a piezoelectric unit 22, a pump chamber 23, a diaphragm 24, a suction side check valve 26a, a discharge side check valve 26b, a suction port 28a, and a discharge port 28b. Including.

4−2.圧電ポンプの動作
次に、上述の圧電ポンプの動作について説明する。まず、圧電部22に電圧が供給されると、圧電体層6(図1参照)の膜厚方向に電圧が印加される。そして、図14に示すように、圧電部22は、ポンプ室23が広がる方向(図14に示す矢印aの方向)にたわむ。また、圧電部22と共に振動板24もポンプ室23が広がる方向にたわむ。このため、ポンプ室23内の圧力が変化し、逆止弁26a、26bの働きによって流体が吸入口28aからポンプ室23内に流れる(図14に示す矢印bの方向)。
4-2. Next, the operation of the above-described piezoelectric pump will be described. First, when a voltage is supplied to the piezoelectric portion 22, the voltage is applied in the film thickness direction of the piezoelectric layer 6 (see FIG. 1). And as shown in FIG. 14, the piezoelectric part 22 bends in the direction (direction of arrow a shown in FIG. 14) where the pump chamber 23 spreads. Further, the diaphragm 24 together with the piezoelectric portion 22 bends in the direction in which the pump chamber 23 expands. For this reason, the pressure in the pump chamber 23 changes, and the fluid flows from the suction port 28a into the pump chamber 23 by the action of the check valves 26a and 26b (in the direction of arrow b shown in FIG. 14).

次に、圧電部22への電圧の供給を停止すると、圧電体層6(図1参照)の膜厚方向への電圧の印加が停止される。そして、図15に示すように、圧電部22は、ポンプ室23が狭まる方向(図15に示す矢印aの方向)にたわむ。また、圧電部22と共に振動板24もポンプ室23が狭まる方向にたわむ。このため、ポンプ室23内の圧力が変化し、逆止弁26a、26bの働きによって流体が吐出口28bから外部に吐出される(図15に示す矢印bの方向)。   Next, when the supply of voltage to the piezoelectric portion 22 is stopped, the application of voltage in the film thickness direction of the piezoelectric layer 6 (see FIG. 1) is stopped. And as shown in FIG. 15, the piezoelectric part 22 bends in the direction (direction of arrow a shown in FIG. 15) where the pump chamber 23 narrows. Further, the diaphragm 24 together with the piezoelectric portion 22 bends in the direction in which the pump chamber 23 narrows. For this reason, the pressure in the pump chamber 23 changes, and the fluid is discharged from the discharge port 28b to the outside by the action of the check valves 26a and 26b (in the direction of arrow b shown in FIG. 15).

圧電ポンプ20は、電子機器、例えばパソコン用、好ましくはノートパソコン用の水冷モジュールとして用いることができる。水冷モジュールは、冷却液の駆動に上述の圧電ポンプ20を用い、圧電ポンプ20と循環水路等とを含む構造を有する。   The piezoelectric pump 20 can be used as a water cooling module for electronic equipment, for example, a personal computer, preferably a notebook personal computer. The water cooling module uses the above-described piezoelectric pump 20 for driving the coolant, and has a structure including the piezoelectric pump 20 and a circulating water channel.

4−3.作用・効果
本実施形態に係る圧電ポンプ20によれば、前述したように、圧電部22の圧電体層6が良好な圧電特性を有することによって、流体の吸入・吐出を効率的に行うことができる。従って、本実施形態に係る圧電ポンプ20によれば、大きな吐出圧および吐出量を有することができる。また、圧電ポンプ20の高速動作が可能となる。さらには、圧電ポンプ20の全体の小型化を図ることができる。
4-3. Action / Effect According to the piezoelectric pump 20 according to the present embodiment, as described above, the piezoelectric layer 6 of the piezoelectric portion 22 has good piezoelectric characteristics, so that fluid can be sucked and discharged efficiently. it can. Therefore, the piezoelectric pump 20 according to this embodiment can have a large discharge pressure and discharge amount. In addition, the piezoelectric pump 20 can be operated at high speed. Furthermore, the overall size of the piezoelectric pump 20 can be reduced.

5.第5の実施形態
5−1.表面弾性波素子
次に、本発明を適用した第5の実施形態に係る表面弾性波素子の一例について、図面を参照しながら説明する。本実施形態の一例である表面弾性波素子30は、図16に示すように、基板11と、導電層12と、バッファ層13と、圧電体層14と、保護層15と、電極16と、を含む。基板11、導電層12、バッファ層13、圧電体層14、および保護層15は、基体18を構成する。
5. Fifth embodiment 5-1. Surface Acoustic Wave Element Next, an example of a surface acoustic wave element according to a fifth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 16, the surface acoustic wave device 30 as an example of this embodiment includes a substrate 11, a conductive layer 12, a buffer layer 13, a piezoelectric layer 14, a protective layer 15, an electrode 16, including. The substrate 11, the conductive layer 12, the buffer layer 13, the piezoelectric layer 14, and the protective layer 15 constitute a base 18.

基板11としては、例えば、(100)単結晶シリコン基板を用いることができる。導電層12としては、例えば、IrOまたはTiOなどの薄膜を用いることができる。バッファ層13は、図1に示す圧電素子1におけるバッファ層5からなることができる。圧電体層14は、図1に示す圧電素子1における圧電体層6からなることができる。保護層15は、例えば、酸化物または窒化物などからなることができる。電極16としては、例えば、アルミニウムなどの薄膜を用いることができる。電極16は、インターディジタル型電極(Inter−Digital Transducer:以下、「IDT電極」という)である。電極16は、上部から観察すると、例えば図17および図18に示すインターディジタル型電極141、142、151、152、153のような形状を有する。 As the substrate 11, for example, a (100) single crystal silicon substrate can be used. As the conductive layer 12, for example, a thin film such as IrO 2 or TiO 2 can be used. The buffer layer 13 can be composed of the buffer layer 5 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. The piezoelectric layer 14 can be composed of the piezoelectric layer 6 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. The protective layer 15 can be made of, for example, an oxide or a nitride. As the electrode 16, for example, a thin film such as aluminum can be used. The electrode 16 is an inter-digital type electrode (Inter-Digital Transducer: hereinafter referred to as “IDT electrode”). When viewed from the top, the electrode 16 has a shape such as interdigital electrodes 141, 142, 151, 152, and 153 shown in FIGS.

5−2.作用・効果
本実施形態に係る表面弾性波素子30によれば、図1に示す圧電素子1における圧電体層6からなる圧電体層14が良好な圧電特性を有していることにより、表面弾性波素子30自体も高性能なものとなる。
5-2. Action / Effect According to the surface acoustic wave element 30 according to the present embodiment, the piezoelectric layer 14 formed of the piezoelectric layer 6 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. The wave element 30 itself has high performance.

6.第6の実施形態
6−1.周波数フィルタ
次に、本発明を適用した第6の実施形態に係る周波数フィルタの一例について、図面を参照しながら説明する。図17は、本実施形態の一例である周波数フィルタを模式的に示す図である。
6). Sixth Embodiment 6-1. Frequency Filter Next, an example of a frequency filter according to a sixth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 17 is a diagram schematically illustrating a frequency filter that is an example of the present embodiment.

図17に示すように、周波数フィルタは基体140を有する。この基体140としては、図16に示す表面弾性波素子30の基体18を用いることができる。   As shown in FIG. 17, the frequency filter has a base 140. As the substrate 140, the substrate 18 of the surface acoustic wave device 30 shown in FIG. 16 can be used.

基体140の上面には、IDT電極141、142が形成されている。また、IDT電極141、142を挟むように、基体140の上面には吸音部143、144が形成されている。吸音部143、144は、基体140の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基体140上に形成されたIDT電極141には高周波信号源145が接続されており、IDT電極142には信号線が接続されている。   IDT electrodes 141 and 142 are formed on the upper surface of the substrate 140. Further, sound absorbing portions 143 and 144 are formed on the upper surface of the base 140 so as to sandwich the IDT electrodes 141 and 142. The sound absorbing parts 143 and 144 absorb surface acoustic waves that propagate on the surface of the base 140. A high frequency signal source 145 is connected to the IDT electrode 141 formed on the base 140, and a signal line is connected to the IDT electrode 142.

6−2.周波数フィルタの動作
次に、上述の周波数フィルタの動作について説明する。前記構成において、高周波信号源145から高周波信号が出力されると、この高周波信号はIDT電極141に印加され、これによって基体140の上面に表面弾性波が発生する。IDT電極141から吸音部143側へ伝播した表面弾性波は、吸音部143で吸収されるが、IDT電極142側へ伝播した表面弾性波のうち、IDT電極142のピッチ等に応じて定まる特定の周波数または特定の帯域の周波数の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子146a、146bに取り出される。なお、前記特定の周波数または特定の帯域の周波数以外の周波数成分は、大部分がIDT電極142を通過して吸音部144に吸収される。このようにして、本実施形態の周波数フィルタが有するIDT電極141に供給した電気信号のうち、特定の周波数または特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る(フィルタリングする)ことができる。
6-2. Operation of Frequency Filter Next, the operation of the above frequency filter will be described. In the above configuration, when a high frequency signal is output from the high frequency signal source 145, the high frequency signal is applied to the IDT electrode 141, thereby generating a surface acoustic wave on the upper surface of the substrate 140. The surface acoustic wave propagated from the IDT electrode 141 to the sound absorbing portion 143 side is absorbed by the sound absorbing portion 143. Of the surface acoustic waves propagated to the IDT electrode 142 side, the specific surface acoustic wave is determined according to the pitch of the IDT electrode 142 or the like. A surface acoustic wave having a frequency or a frequency in a specific band is converted into an electric signal and taken out to terminals 146a and 146b through signal lines. Note that most of the frequency components other than the specific frequency or the frequency in the specific band pass through the IDT electrode 142 and are absorbed by the sound absorbing unit 144. In this way, it is possible to obtain (filter) only a surface acoustic wave having a specific frequency or a specific band of the electric signal supplied to the IDT electrode 141 included in the frequency filter of the present embodiment.

7.第7の実施形態
7−1.発振器
次に、本発明を適用した第7の実施形態に係る発振器の一例について、図面を参照しながら説明する。図18は、本実施形態の一例である発振器を模式的に示す図である。
7). Seventh Embodiment 7-1. Oscillator Next, an example of an oscillator according to a seventh embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 18 is a diagram schematically illustrating an oscillator which is an example of the present embodiment.

図18に示すように、発振器は基体150を有する。この基体150としては、上述した周波数フィルタと同様に、図16に示す表面弾性波素子30の基体18を用いることができる。   As shown in FIG. 18, the oscillator has a base 150. As the base 150, the base 18 of the surface acoustic wave device 30 shown in FIG. 16 can be used as in the frequency filter described above.

基体150の上面には、IDT電極151が形成されており、さらに、IDT電極151を挟むように、IDT電極152、153が形成されている。IDT電極151を構成する一方の櫛歯状電極151aには、高周波信号源154が接続されており、他方の櫛歯状電極151bには、信号線が接続されている。なお、IDT電極151は、電気信号印加用電極に相当し、IDT電極152、153は、IDT電極151によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。   An IDT electrode 151 is formed on the upper surface of the substrate 150, and IDT electrodes 152 and 153 are formed so as to sandwich the IDT electrode 151. A high frequency signal source 154 is connected to one comb-like electrode 151a constituting the IDT electrode 151, and a signal line is connected to the other comb-like electrode 151b. The IDT electrode 151 corresponds to an electric signal applying electrode, and the IDT electrodes 152 and 153 are used for resonance to resonate a specific frequency component of a surface acoustic wave generated by the IDT electrode 151 or a frequency component of a specific band. It corresponds to an electrode.

7−2.発振器の動作
次に、上述の発振器の動作について説明する。前記構成において、高周波信号源154から高周波信号が出力されると、この高周波信号は、IDT電極151の一方の櫛歯状電極151aに印加され、これによって基体150の上面にIDT電極152側に伝播する表面弾性波およびIDT電極153側に伝播する表面弾性波が発生する。これらの表面弾性波のうちの特定の周波数成分の表面弾性波は、IDT電極152およびIDT電極153で反射され、IDT電極152とIDT電極153との間には定在波が発生する。この特定の周波数成分の表面弾性波がIDT電極152、153で反射を繰り返すことにより、特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分が共振して、振幅が増大する。この特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分の表面弾性波の一部は、IDT電極151の他方の櫛歯状電極151bから取り出され、IDT電極152とIDT電極153との共振周波数に応じた周波数(または、ある程度の帯域を有する周波数)の電気信号が端子155aと端子155bに取り出すことができる。
7-2. Next, the operation of the above-described oscillator will be described. In the above configuration, when a high-frequency signal is output from the high-frequency signal source 154, this high-frequency signal is applied to one comb-like electrode 151a of the IDT electrode 151, and thereby propagates to the IDT electrode 152 side on the upper surface of the base 150. The surface acoustic wave that propagates to the IDT electrode 153 side is generated. Among these surface acoustic waves, the surface acoustic wave having a specific frequency component is reflected by the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153, and a standing wave is generated between the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153. The surface acoustic wave having the specific frequency component is repeatedly reflected by the IDT electrodes 152 and 153, whereby the specific frequency component or the frequency component in the specific band resonates and the amplitude increases. A part of the surface acoustic wave of the specific frequency component or the frequency component of the specific band is extracted from the other comb-shaped electrode 151b of the IDT electrode 151, and corresponds to the resonance frequency of the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153. An electric signal having a frequency (or a frequency having a certain band) can be taken out to the terminals 155a and 155b.

7−3.電圧制御SAW発振器
図19および図20は、上述した発振器をVCSO(Voltage Controlled SAW Oscillator:電圧制御SAW発振器)に応用した場合の一例を模式的に示す図であり、図19は側面透視図であり、図20は上面透視図である。
7-3. Voltage Control SAW Oscillator FIGS. 19 and 20 are diagrams schematically showing an example in which the above-described oscillator is applied to a VCSO (Voltage Controlled SAW Oscillator), and FIG. 19 is a side perspective view. FIG. 20 is a top perspective view.

VCSOは、金属製(Alまたはステンレススチール製)の筐体60内部に実装されて構成されている。基板61上には、IC(Integrated Circuit)62および発振器63が実装されている。この場合、IC62は、外部の回路(不図示)から入力される電圧値に応じて、発振器63に印加する周波数を制御する発振回路である。   The VCSO is configured to be mounted inside a metal (Al or stainless steel) housing 60. On the substrate 61, an IC (Integrated Circuit) 62 and an oscillator 63 are mounted. In this case, the IC 62 is an oscillation circuit that controls the frequency applied to the oscillator 63 in accordance with a voltage value input from an external circuit (not shown).

発振器63は、基体64上に、IDT電極65a〜65cが形成されており、その構成は、図18に示す発振器とほぼ同様である。基体64としては、上述した図18に示す発振器と同様に、図16に示す表面弾性波素子30の基体18を用いることができる。   In the oscillator 63, IDT electrodes 65a to 65c are formed on a base 64, and the configuration thereof is substantially the same as that of the oscillator shown in FIG. As the base 64, the base 18 of the surface acoustic wave device 30 shown in FIG. 16 can be used, similarly to the oscillator shown in FIG. 18 described above.

基板61上には、IC62と発振器63とを電気的に接続するための配線66がパターニングされている。IC62および配線66が、例えば金線等のワイヤー線67によって接続され、発振器63および配線66が金線等のワイヤー線68によって接続されている。これにより、IC62と発振器63とが配線66を介して電気的に接続されている。   A wiring 66 for electrically connecting the IC 62 and the oscillator 63 is patterned on the substrate 61. The IC 62 and the wiring 66 are connected by a wire line 67 such as a gold wire, for example, and the oscillator 63 and the wiring 66 are connected by a wire line 68 such as a gold wire. As a result, the IC 62 and the oscillator 63 are electrically connected via the wiring 66.

なお、VCSOは、IC62と発振器63を同一基板上に集積させて形成することも可能である。図21に、IC62と発振器63とを同一基板61上に集積させたVCSOの概略図を示す。なお、図21中において発振器63は、図16に示す表面弾性波素子30において導電層12の形成を省略した構造を有している。   The VCSO can also be formed by integrating the IC 62 and the oscillator 63 on the same substrate. FIG. 21 shows a schematic diagram of a VCSO in which an IC 62 and an oscillator 63 are integrated on the same substrate 61. In FIG. 21, the oscillator 63 has a structure in which the formation of the conductive layer 12 is omitted in the surface acoustic wave device 30 shown in FIG.

図21に示すように、VCSOは、IC62と発振器63とにおいて、基板61を共有させて形成されている。基板61としては、例えば図16に示す表面弾性波素子30の基板11を用いることができる。IC62と、発振器63の有する電極65aとは、図示しないものの電気的に接続されている。電極65aとしては、例えば図16に示す表面弾性波素子30の電極16を用いることができる。IC62を構成するトランジスタとしては、TFT(薄膜トランジスタ)を採用することができる。   As shown in FIG. 21, the VCSO is formed by sharing the substrate 61 in the IC 62 and the oscillator 63. As the substrate 61, for example, the substrate 11 of the surface acoustic wave device 30 shown in FIG. 16 can be used. Although not shown, the IC 62 and the electrode 65a of the oscillator 63 are electrically connected. As the electrode 65a, for example, the electrode 16 of the surface acoustic wave element 30 shown in FIG. 16 can be used. As a transistor constituting the IC 62, a TFT (Thin Film Transistor) can be adopted.

図19〜図21に示すVCSOは、例えば、図22に示すPLL回路のVCO(Voltage Controlled Oscillator)として用いられる。ここで、PLL回路について簡単に説明する。   19 to 21 is used as, for example, a VCO (Voltage Controlled Oscillator) of the PLL circuit shown in FIG. Here, the PLL circuit will be briefly described.

図22は、PLL回路の基本構成を示すブロック図である。PLL回路は、位相比較器71、低域フィルタ72、増幅器73、およびVCO74から構成されている。位相比較器71は、入力端子70から入力される信号の位相(または周波数)と、VCO74から出力される信号の位相(または周波数)とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力するものである。低域フィルタ72は、位相比較器71から出力される誤差電圧信号の位置の低周波成分のみを通過させるものである。増幅器73は、低域フィルタ72から出力される信号を増幅するものである。VCO74は、入力された電圧値に応じて発振する周波数が、ある範囲で連続的に変化する発振回路である。   FIG. 22 is a block diagram showing a basic configuration of the PLL circuit. The PLL circuit includes a phase comparator 71, a low-pass filter 72, an amplifier 73, and a VCO 74. The phase comparator 71 compares the phase (or frequency) of the signal input from the input terminal 70 with the phase (or frequency) of the signal output from the VCO 74, and an error whose value is set according to the difference. A voltage signal is output. The low pass filter 72 passes only the low frequency component at the position of the error voltage signal output from the phase comparator 71. The amplifier 73 amplifies the signal output from the low-pass filter 72. The VCO 74 is an oscillation circuit in which the frequency that oscillates according to the input voltage value changes continuously within a certain range.

このような構成のもとにPLL回路は、入力端子70から入力される位相(または周波数)と、VCO74から出力される信号の位相(または周波数)との差が減少するように動作し、VCO74から出力される信号の周波数を入力端子70から入力される信号の周波数に同期させる。VCO74から出力される信号の周波数が入力端子70から入力される信号の周波数に同期すると、その後は一定の位相差を除いて入力端子70から入力される信号に一致し、また、入力信号の変化に追従するような信号を出力するようになる。   Under such a configuration, the PLL circuit operates so that the difference between the phase (or frequency) input from the input terminal 70 and the phase (or frequency) of the signal output from the VCO 74 is reduced. Is synchronized with the frequency of the signal input from the input terminal 70. When the frequency of the signal output from the VCO 74 is synchronized with the frequency of the signal input from the input terminal 70, the frequency thereafter matches the signal input from the input terminal 70 except for a certain phase difference, and the input signal changes. A signal that follows the signal is output.

8.第8の実施形態
次に、本発明を適用した第8の実施形態に係る電子回路および電子機器の一例について、図面を参照しながら説明する。図23は、本実施形態の一例である電子機器300の電気的構成を示すブロック図である。電子機器300とは、例えば携帯電話機である。
8). Eighth Embodiment Next, an example of an electronic circuit and an electronic apparatus according to an eighth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 23 is a block diagram illustrating an electrical configuration of an electronic device 300 that is an example of the present embodiment. The electronic device 300 is, for example, a mobile phone.

図23に示す電子機器300は、電子回路310、送話部80、受話部91、入力部94、表示部95、およびアンテナ部86を有する。電子回路310は、送信信号処理回路81、送信ミキサ82、送信フィルタ83、送信電力増幅器84、送受分波器85、低雑音増幅器87、受信フィルタ88、受信ミキサ89、受信信号処理回路90、周波数シンセサイザ92、および制御回路93を有する。   An electronic device 300 illustrated in FIG. 23 includes an electronic circuit 310, a transmission unit 80, a reception unit 91, an input unit 94, a display unit 95, and an antenna unit 86. The electronic circuit 310 includes a transmission signal processing circuit 81, a transmission mixer 82, a transmission filter 83, a transmission power amplifier 84, a transmission / reception duplexer 85, a low noise amplifier 87, a reception filter 88, a reception mixer 89, a reception signal processing circuit 90, and a frequency. It has a synthesizer 92 and a control circuit 93.

電子回路310において、送信フィルタ83および受信フィルタ88として、図17に示す周波数フィルタを用いることができる。フィルタリングする周波数(通過させる周波数)は、送信ミキサ82から出力される信号のうちの必要となる周波数、および、受信ミキサ89で必要となる周波数に応じて、送信フィルタ83および受信フィルタ88で個別に設定されている。また、周波数シンセサイザ92内に設けられるPLL回路(図22参照)のVCO74として、図18に示す発振器、または図19〜図21に示すVCSOを用いることができる。   In the electronic circuit 310, the frequency filter shown in FIG. 17 can be used as the transmission filter 83 and the reception filter 88. The frequency to be filtered (frequency to be passed) is individually determined by the transmission filter 83 and the reception filter 88 according to the frequency required from the signal output from the transmission mixer 82 and the frequency required by the reception mixer 89. It is set. Further, as the VCO 74 of the PLL circuit (see FIG. 22) provided in the frequency synthesizer 92, the oscillator shown in FIG. 18 or the VCSO shown in FIGS. 19 to 21 can be used.

送話部80は、例えば音波信号を電気信号に変換するマイクロフォン等で実現されるものである。送信信号処理回路81は、送話部80から出力される電気信号に対して、例えばD/A変換処理、変調処理等の処理を施す回路である。送信ミキサ82は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて送信信号処理回路81から出力される信号をミキシングするものである。送信フィルタ83は、中間周波数(以下、「IF」と表記する)の必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。送信フィルタ83から出力される信号は、変換回路(図示せず)によってRF信号に変換される。送信電力増幅器84は、送信フィルタ83から出力されるRF信号の電力を増幅し、送受分波器85へ出力するものである。   The transmitter 80 is realized by, for example, a microphone that converts a sound wave signal into an electric signal. The transmission signal processing circuit 81 is a circuit that performs processing such as D / A conversion processing and modulation processing on the electrical signal output from the transmitter 80. The transmission mixer 82 mixes the signal output from the transmission signal processing circuit 81 using the signal output from the frequency synthesizer 92. The transmission filter 83 passes only a signal having a frequency that requires an intermediate frequency (hereinafter referred to as “IF”) and cuts a signal having an unnecessary frequency. A signal output from the transmission filter 83 is converted into an RF signal by a conversion circuit (not shown). The transmission power amplifier 84 amplifies the power of the RF signal output from the transmission filter 83 and outputs it to the transmission / reception duplexer 85.

送受分波器85は、送信電力増幅器84から出力されるRF信号をアンテナ部86へ出力し、アンテナ部86から電波の形で送信するものである。また、送受分波器85は、アンテナ部86で受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器87へ出力するものである。低雑音増幅器87は、送受分波器85からの受信信号を増幅するものである。低雑音増幅器87から出力される信号は、変換回路(図示せず)によってIFに変換される。   The transmitter / receiver demultiplexer 85 outputs the RF signal output from the transmission power amplifier 84 to the antenna unit 86 and transmits the RF signal from the antenna unit 86 in the form of a radio wave. The transmitter / receiver demultiplexer 85 demultiplexes the received signal received by the antenna unit 86 and outputs the demultiplexed signal to the low noise amplifier 87. The low noise amplifier 87 amplifies the received signal from the transmitter / receiver demultiplexer 85. The signal output from the low noise amplifier 87 is converted into IF by a conversion circuit (not shown).

受信フィルタ88は、変換回路(図示せず)によって変換されたIFの必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。受信ミキサ89は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて、受信フィルタ88から出力される信号をミキシングするものである。受信信号処理回路90は、受信ミキサ89から出力される信号に対して、例えばA/D変換処理、復調処理等の処理を施す回路である。受話部91は、例えば電気信号を音波に変換する小型スピーカ等で実現されるものである。   The reception filter 88 passes only a signal having a frequency necessary for IF converted by a conversion circuit (not shown), and cuts a signal having an unnecessary frequency. The reception mixer 89 uses the signal output from the frequency synthesizer 92 to mix the signal output from the reception filter 88. The reception signal processing circuit 90 is a circuit that performs processing such as A / D conversion processing and demodulation processing on the signal output from the reception mixer 89. The receiver 91 is realized by, for example, a small speaker that converts an electric signal into a sound wave.

周波数シンセサイザ92は、送信ミキサ82へ供給する信号、および、受信ミキサ89へ供給する信号を生成する回路である。周波数シンセサイザ92は、PLL回路を有し、このPLL回路から出力される信号を分周して新たな信号を生成することができる。制御回路93は、送信信号処理回路81、受信信号処理回路90、周波数シンセサイザ92、入力部94、および表示部95を制御する。表示部95は、例えば携帯電話機の使用者に対して機器の状態を表示する。入力部94は、例えば携帯電話機の使用者の指示を入力する。   The frequency synthesizer 92 is a circuit that generates a signal to be supplied to the transmission mixer 82 and a signal to be supplied to the reception mixer 89. The frequency synthesizer 92 has a PLL circuit, and can divide a signal output from the PLL circuit to generate a new signal. The control circuit 93 controls the transmission signal processing circuit 81, the reception signal processing circuit 90, the frequency synthesizer 92, the input unit 94, and the display unit 95. For example, the display unit 95 displays the state of the device to the user of the mobile phone. The input unit 94 inputs an instruction from a user of a mobile phone, for example.

なお、上述した例では、電子機器として携帯電話機を、電子回路として携帯電話機内に設けられる電子回路をその一例として挙げ、説明したが、本発明は携帯電話機に限定されることなく、種々の移動体通信機器およびその内部に設けられる電子回路に適用することができる。   In the above-described example, a mobile phone is used as the electronic device, and an electronic circuit provided in the mobile phone is used as the electronic circuit, and the present invention is not limited to the mobile phone. The present invention can be applied to a body communication device and an electronic circuit provided therein.

さらに、移動体通信機器のみならずBSおよびCS放送を受信するチューナなどの据置状態で使用される通信機器、およびその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。さらには、通信キャリアとして空中を伝播する電波を使用する通信機器のみならず、同軸ケーブル中を伝播する高周波信号または光ケーブル中を伝播する光信号を用いるHUBなどの電子機器およびその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。   Furthermore, the present invention can be applied not only to mobile communication devices but also to communication devices used in a stationary state such as tuners that receive BS and CS broadcasts, and electronic circuits provided therein. Furthermore, not only communication devices that use radio waves propagating in the air as communication carriers, but also electronic devices such as HUBs that use high-frequency signals propagating in coaxial cables or optical signals propagating in optical cables, and the electronics provided therein It can also be applied to circuits.

9.第9の実施形態
次に、本発明を適用した第9の実施形態に係る薄膜圧電共振子の一例について、図面を参照しながら説明する。
9. Ninth Embodiment Next, an example of a thin film piezoelectric resonator according to a ninth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

9−1.第1の薄膜圧電共振子
図24は、本実施形態の一例である第1の薄膜圧電共振子700を模式的に示す図である。図24に示す薄膜圧電共振子700は、ダイアフラム型の薄膜圧電共振子700である。
9-1. First Thin Film Piezoelectric Resonator FIG. 24 is a diagram schematically showing a first thin film piezoelectric resonator 700 which is an example of this embodiment. A thin film piezoelectric resonator 700 shown in FIG. 24 is a diaphragm type thin film piezoelectric resonator 700.

第1の薄膜圧電共振子700は、基板701と、弾性膜703と、下部電極704と、バッファ層705と、圧電体層706と、上部電極707と、を含む。薄膜圧電共振子700における基板701と、弾性膜703、下部電極704、バッファ層705、圧電体層706、および上部電極707は、それぞれ図1に示す圧電素子1における基板2、弾性膜3、下部電極4、バッファ層5、圧電体層6、および上部電極7に相当する。すなわち、第1の薄膜圧電共振子700は、図1に示す圧電素子1を有する。   The first thin film piezoelectric resonator 700 includes a substrate 701, an elastic film 703, a lower electrode 704, a buffer layer 705, a piezoelectric layer 706, and an upper electrode 707. The substrate 701, the elastic film 703, the lower electrode 704, the buffer layer 705, the piezoelectric layer 706, and the upper electrode 707 in the thin film piezoelectric resonator 700 are the substrate 2, the elastic film 3, and the lower part in the piezoelectric element 1 shown in FIG. This corresponds to the electrode 4, the buffer layer 5, the piezoelectric layer 6, and the upper electrode 7. That is, the first thin film piezoelectric resonator 700 has the piezoelectric element 1 shown in FIG.

基板701には、基板701を貫通するビアホール702が形成されている。上部電極707上には、配線708が設けられている。配線708は、弾性膜703上に形成された電極709と、パッド710を介して電気的に接続されている。   A via hole 702 that penetrates the substrate 701 is formed in the substrate 701. A wiring 708 is provided on the upper electrode 707. The wiring 708 is electrically connected to an electrode 709 formed on the elastic film 703 via a pad 710.

9−2.作用・効果
本実施形態に係る第1の薄膜圧電共振子700によれば、圧電体層706の圧電特性が良好であり、従って高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振子700を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振子700を、小型(薄型)化し、かつ、良好に動作させることができる。
9-2. Action / Effect According to the first thin film piezoelectric resonator 700 according to this embodiment, the piezoelectric layer 706 has good piezoelectric characteristics, and thus has a high electromechanical coupling coefficient. Thereby, the thin film piezoelectric resonator 700 can be used in a high frequency region. Further, the thin film piezoelectric resonator 700 can be reduced in size (thinned) and can be operated satisfactorily.

9−3.第2の薄膜圧電共振子
図25は、本実施形態の一例である第2の薄膜圧電共振子800を模式的に示す図である。第2の薄膜圧電共振子800が図24に示す第1の薄膜圧電共振子700と主に異なるところは、ビアホールを形成せず、基板801と弾性膜803との間にエアギャップ802を形成した点にある。
9-3. Second Thin Film Piezoelectric Resonator FIG. 25 is a diagram schematically showing a second thin film piezoelectric resonator 800 which is an example of this embodiment. The second thin film piezoelectric resonator 800 is mainly different from the first thin film piezoelectric resonator 700 shown in FIG. 24 in that an air gap 802 is formed between the substrate 801 and the elastic film 803 without forming a via hole. In the point.

第2の薄膜圧電共振子800は、基板801と、弾性膜803と、下部電極804と、バッファ層805と、圧電体層806と、上部電極807と、を含む。薄膜圧電共振子800における基板801、弾性膜803、下部電極804、バッファ層805、圧電体層806、および上部電極807は、それぞれ図1に示す圧電素子1における基板2、弾性膜3、下部電極4、バッファ層5と、圧電体層6、および上部電極7に相当する。すなわち、第2の薄膜圧電共振子800は、図1に示す圧電素子1を有する。エアギャップ802は、基板801と、弾性膜803との間に形成された空間である。   The second thin film piezoelectric resonator 800 includes a substrate 801, an elastic film 803, a lower electrode 804, a buffer layer 805, a piezoelectric layer 806, and an upper electrode 807. The substrate 801, the elastic film 803, the lower electrode 804, the buffer layer 805, the piezoelectric layer 806, and the upper electrode 807 in the thin film piezoelectric resonator 800 are respectively the substrate 2, the elastic film 3, and the lower electrode in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 4 corresponds to the buffer layer 5, the piezoelectric layer 6, and the upper electrode 7. That is, the second thin film piezoelectric resonator 800 has the piezoelectric element 1 shown in FIG. The air gap 802 is a space formed between the substrate 801 and the elastic film 803.

9−4.作用・効果
本実施形態に係る第2の薄膜圧電共振子800によれば、圧電体層806の圧電特性が良好であり、従って高い電気機械結合係数を有する。これにより、薄膜圧電共振子800を、高周波数領域で使用することができる。また、薄膜圧電共振子800を、小型(薄型)化し、かつ、良好に動作させることができる。
9-4. Action / Effect According to the second thin film piezoelectric resonator 800 according to the present embodiment, the piezoelectric layer 806 has good piezoelectric characteristics and thus has a high electromechanical coupling coefficient. Thereby, the thin film piezoelectric resonator 800 can be used in a high frequency region. Further, the thin film piezoelectric resonator 800 can be reduced in size (thinned) and can be operated satisfactorily.

9−5.応用例
本実施形態に係る圧電薄膜共振子(例えば、第1の薄膜圧電共振子700および第2の薄膜圧電共振子800)は、共振子、周波数フィルタ、または、発振器として機能することができる。そして、例えば、図23に示す電子回路310において、送信フィルタ83および受信フィルタ88として、周波数フィルタとして機能する本実施形態に係る圧電薄膜共振子を用いることができる。また、周波数シンセサイザ92が有する発振器として、発振器として機能する本実施形態に係る圧電薄膜共振子を用いることができる。
9-5. Application Example The piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment (for example, the first thin film piezoelectric resonator 700 and the second thin film piezoelectric resonator 800) can function as a resonator, a frequency filter, or an oscillator. For example, in the electronic circuit 310 shown in FIG. 23, as the transmission filter 83 and the reception filter 88, the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment functioning as a frequency filter can be used. In addition, as the oscillator included in the frequency synthesizer 92, the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment functioning as an oscillator can be used.

上記のように、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明に係る圧電素子は、前述したデバイスに適用されるだけでなく、種々のデバイスに適用可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art will readily understand that many variations are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, the piezoelectric element according to the present invention is applicable not only to the above-described device but also to various devices.

第1の実施形態に係る圧電素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. 酸素の2p軌道準位に対する遷移金属原子のd軌道準位の相対値を示す図。The figure which shows the relative value of d orbital level of the transition metal atom with respect to 2p orbital level of oxygen. リラクサー材料を説明するためのグラフ。The graph for demonstrating a relaxor material. リラクサー材料を説明するためのグラフ。The graph for demonstrating a relaxor material. 第1の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子の製造工程図。FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric element according to the first embodiment. 第2の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成図。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording head according to a second embodiment. 第2の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。FIG. 6 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to a second embodiment. インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of an ink jet recording head. インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of an ink jet recording head. 第3の実施形態に係るインクジェットプリンターの概略構成図。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an ink jet printer according to a third embodiment. 第4の実施形態に係る圧電ポンプの概略断面図。The schematic sectional drawing of the piezoelectric pump which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る圧電ポンプの概略断面図。The schematic sectional drawing of the piezoelectric pump which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図。FIG. 10 is a side sectional view showing a surface acoustic wave device according to a fifth embodiment. 第6の実施形態に係る周波数フィルタを示す斜視図。The perspective view which shows the frequency filter which concerns on 6th Embodiment. 第7の実施形態に係る発振器を示す斜視図。The perspective view which shows the oscillator which concerns on 7th Embodiment. 第7の実施形態に係る発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図。Schematic which shows an example which applied the oscillator concerning 7th Embodiment to VCSO. 第7の実施形態に係る発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図。Schematic which shows an example which applied the oscillator concerning 7th Embodiment to VCSO. 第7の実施形態に係る発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図。Schematic which shows an example which applied the oscillator concerning 7th Embodiment to VCSO. PLL回路の基本構成を示すブロック図。The block diagram which shows the basic composition of a PLL circuit. 第8の実施形態に係る電子回路の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the electronic circuit which concerns on 8th Embodiment. 第9の実施形態に係る薄膜圧電共振子を示す側断面図。FIG. 10 is a side sectional view showing a thin film piezoelectric resonator according to a ninth embodiment. 第9の実施形態に係る薄膜圧電共振子を示す側断面図。FIG. 10 is a side sectional view showing a thin film piezoelectric resonator according to a ninth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電素子、2 基板、3 弾性膜、4 下部電極、5 バッファ層、6 圧電体層、7 上部電極、11 基板、12 導電層、13 バッファ層、14 圧電体層、15 保護層、16 電極、18 基体、20 圧電ポンプ、21 基体、22 圧電部、23 ポンプ室、24 振動板、30 表面弾性波素子、50 インクジェット式記録ヘッド、51 ノズル板、52 インク室基板、54 圧電部、55 弾性膜、56 基体、57 ヘッド本体、58 インク滴、60 筐体、61 基板、63 発振器、64 基体、66 配線、67 ワイヤー線、70 入力端子、71 位相比較器、72 低域フィルタ、73 増幅器、80 送話部、81 送信信号処理回路、82 送信ミキサ、83 送信フィルタ、84 送信電力増幅器、85 送受分波器、86 アンテナ部、87 低雑音増幅器、88 受信フィルタ、89 受信ミキサ、90 受信信号処理回路、91 受話部、92 周波数シンセサイザ、93 制御回路、94 入力部、95 表示部、140 基体、141 電極、142 電極、143 吸音部、144 吸音部、145 高周波信号源、150 基体、151 電極、152 電極、153 電極、154 高周波信号源、300 電子機器、310 電子回路、511 ノズル、521 キャビティー、522 側壁、523 リザーバ、524 供給口、531 連通孔、600 インクジェットプリンター、620 装置本体、621 トレイ、622 排出口、630 ヘッドユニット、631 インクカートリッジ、632 キャリッジ、640 印刷装置、641 キャリッジモータ、642 往復動機構、643 キャリッジガイド軸、644 タイミングベルト、650 給紙装置、651 給紙モータ、652 給紙ローラ、660 制御部、670 操作パネル、700 第1の薄膜圧電共振子、701 基板、702 ビアホール、703 弾性膜、704 下部電極、705 バッファ層、706 圧電体層、707 上部電極、708 配線、709 電極、710 パッド、800 第2の薄膜圧電共振子、801 基板、802 エアギャップ、803 弾性膜、804 下部電極、805 バッファ層、806 圧電体層、807 上部電極 1 piezoelectric element, 2 substrate, 3 elastic film, 4 lower electrode, 5 buffer layer, 6 piezoelectric layer, 7 upper electrode, 11 substrate, 12 conductive layer, 13 buffer layer, 14 piezoelectric layer, 15 protective layer, 16 electrode , 18 substrate, 20 piezoelectric pump, 21 substrate, 22 piezoelectric section, 23 pump chamber, 24 diaphragm, 30 surface acoustic wave element, 50 inkjet recording head, 51 nozzle plate, 52 ink chamber substrate, 54 piezoelectric section, 55 elasticity Membrane, 56 substrate, 57 head body, 58 ink droplet, 60 housing, 61 substrate, 63 oscillator, 64 substrate, 66 wiring, 67 wire wire, 70 input terminal, 71 phase comparator, 72 low-pass filter, 73 amplifier, 80 transmitter, 81 transmission signal processing circuit, 82 transmission mixer, 83 transmission filter, 84 transmission power amplifier, 85 transmitter / receiver demultiplexer, 86 antenna unit, 87 low noise amplifier, 88 reception filter, 89 reception mixer, 90 reception signal processing circuit, 91 reception unit, 92 frequency synthesizer, 93 control circuit, 94 input unit, 95 display unit, 140 base, 141 electrode, 142 Electrode, 143 Sound absorbing part, 144 Sound absorbing part, 145 High frequency signal source, 150 Base, 151 Electrode, 152 Electrode, 153 Electrode, 154 High frequency signal source, 300 Electronic equipment, 310 Electronic circuit, 511 Nozzle, 521 Cavity, 522 Side wall, 523 reservoir, 524 supply port, 531 communication hole, 600 ink jet printer, 620 apparatus main body, 621 tray, 622 discharge port, 630 head unit, 631 ink cartridge, 632 carriage, 640 printing apparatus, 641 carriage mode 642 reciprocating mechanism 643 carriage guide shaft 644 timing belt 650 sheet feeding device 651 sheet feeding motor 652 sheet feeding roller 660 control unit 670 operation panel 700 first thin film piezoelectric resonator 701 substrate , 702 Via hole, 703 elastic film, 704 lower electrode, 705 buffer layer, 706 piezoelectric layer, 707 upper electrode, 708 wiring, 709 electrode, 710 pad, 800 second thin film piezoelectric resonator, 801 substrate, 802 air gap, 803 Elastic film, 804 Lower electrode, 805 Buffer layer, 806 Piezoelectric layer, 807 Upper electrode

Claims (20)

基板と、
前記基板の上方に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された、ペロブスカイト型構造を有する圧電体層と、を含み、
前記バッファ層は、導電性を有し、c軸(001)に優先配向しているビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物からなる、圧電素子。
A substrate,
A buffer layer formed above the substrate;
A piezoelectric layer having a perovskite structure formed above the buffer layer,
The buffer layer is a piezoelectric element made of a bismuth-based layered perovskite structure compound having conductivity and preferentially oriented in the c-axis (001).
請求項1において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、SrBiで示され、
Xは、TaおよびNbのうちの少なくとも一方を含み、さらに、Ti、Zr、Hf、Fe、Co、Ni、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含む、圧電素子。
In claim 1,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by SrBi 2 X 2 O 9
X is a piezoelectric element that includes at least one of Ta and Nb and further includes at least one of Ti, Zr, Hf, Fe, Co, Ni, W, Ru, and Rh.
請求項1において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、(Bi1−xLa12で示され、
Xは、Tiを含み、さらに、Fe、Co、Ni、V、Nb、Ta、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含み、
xは、0<x≦0.4の範囲である、圧電素子。
In claim 1,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by (Bi 1-x La x ) 4 X 3 O 12
X includes Ti, and further includes at least one of Fe, Co, Ni, V, Nb, Ta, W, Ru, and Rh,
x is a piezoelectric element in a range of 0 <x ≦ 0.4.
請求項1において、
前記ビスマス系層状ペロブスカイト構造化合物は、SrBi15で示され、
Xは、Tiを含み、さらに、Fe、Co、Ni、V、Nb、Ta、W、Ru、およびRhのうちの少なくとも一種を含む、圧電素子。
In claim 1,
The bismuth-based layered perovskite structure compound is represented by SrBi 4 X 4 O 15 ,
X is a piezoelectric element including Ti and further including at least one of Fe, Co, Ni, V, Nb, Ta, W, Ru, and Rh.
請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、Pb(Zr1−xTi)Oからなり、
xは、0≦x≦1の範囲である、圧電素子。
In any one of Claims 1-4,
The piezoelectric layer is made of Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 ,
x is a piezoelectric element in a range of 0 ≦ x ≦ 1.
請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、A(B1−b)Oの一般式で示される材料からなり、
Aは、Pbを含み、
Bは、ZrおよびTiを含み、ZrとTiとの組成比は、(1−a):aで示され、
Xは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種からなり、
aは、0.15≦a≦0.8の範囲であり、
bは、0.05≦b≦0.4の範囲である、圧電素子。
In any one of Claims 1-4,
The piezoelectric layer is made of a material represented by a general formula of A (B 1-b X b ) O 3 ,
A includes Pb,
B contains Zr and Ti, and the composition ratio of Zr and Ti is represented by (1-a): a,
X consists of at least one of V, Nb, and Ta,
a is in the range of 0.15 ≦ a ≦ 0.8,
b is a piezoelectric element in the range of 0.05 ≦ b ≦ 0.4.
請求項6において、
前記圧電体層は、Si、または、SiおよびGeを含む、圧電素子。
In claim 6,
The piezoelectric layer is a piezoelectric element containing Si or Si and Ge.
請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、リラクサー材料からなる、圧電素子。
In any one of Claims 1-4,
The piezoelectric layer is a piezoelectric element made of a relaxor material.
請求項8において、
前記リラクサー材料は、以下の式(1)〜(9)で示される材料のうちの少なくとも一種からなる、圧電素子。
(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(1)
(ただし、xは0.10<x<0.42、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(2)
(ただし、xは0.10<x<0.37、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(3)
(ただし、xは0.10<x<0.50、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(4)
(ただし、xは0.10<x<0.45、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(5)
(ただし、xは0.10<x<0.35、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(6)
(ただし、xは0.01<x<0.10、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(7)
(ただし、xは0.01<x<0.10、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(8)
(ただし、xは0.10<x<0.38、yは、0≦y≦1)
(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPb(Zr1−yTi)O ・・・式(9)
(ただし、xは0.10<x<0.42、yは、0≦y≦1)
In claim 8,
The relaxor material is a piezoelectric element made of at least one of materials represented by the following formulas (1) to (9).
(1-x) Pb (Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (1)
(Where x is 0.10 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (2)
(Where x is 0.10 <x <0.37, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (3)
(Where x is 0.10 <x <0.50, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (4)
(Where x is 0.10 <x <0.45, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (5)
(Where x is 0.10 <x <0.35, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (6)
(Where x is 0.01 <x <0.10, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (7)
(Where x is 0.01 <x <0.10, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y ) O 3 Formula (8)
(Where x is 0.10 <x <0.38, y is 0 ≦ y ≦ 1)
(1-x) Pb (Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPb (Zr 1-y Ti y) O 3 ··· Equation (9)
(Where x is 0.10 <x <0.42, y is 0 ≦ y ≦ 1)
請求項1〜9のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、ロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(001)に優先配向している、圧電素子。
In any one of Claims 1-9,
The piezoelectric layer has a rhombohedral structure and is preferentially oriented to pseudo cubic (001).
請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子を有する、圧電アクチュエーター。   A piezoelectric actuator comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子を有する、圧電ポンプ。   A piezoelectric pump comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子を有する、インクジェット式記録ヘッド。   An ink jet recording head comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項13に記載のインクジェット式記録ヘッドを有する、インクジェットプリンター。   An ink jet printer comprising the ink jet recording head according to claim 13. 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子を有する、表面弾性波素子。   A surface acoustic wave device comprising the piezoelectric device according to claim 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子を有する、薄膜圧電共振子。   A thin film piezoelectric resonator comprising the piezoelectric element according to claim 1. 請求項15に記載の表面弾性波素子および請求項16に記載の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有する、周波数フィルタ。   A frequency filter comprising at least one of the surface acoustic wave device according to claim 15 and the thin film piezoelectric resonator according to claim 16. 請求項15に記載の表面弾性波素子および請求項16に記載の薄膜圧電共振子のうちの少なくとも一方を有する、発振器。   An oscillator comprising at least one of the surface acoustic wave device according to claim 15 and the thin film piezoelectric resonator according to claim 16. 請求項17に記載の周波数フィルタおよび請求項18に記載の発振器のうちの少なくとも一方を有する、電子回路。   An electronic circuit comprising at least one of the frequency filter according to claim 17 and the oscillator according to claim 18. 請求項12に記載の圧電ポンプおよび請求項19に記載の電子回路のうちの少なくとも一方を有する、電子機器。   An electronic apparatus comprising at least one of the piezoelectric pump according to claim 12 and the electronic circuit according to claim 19.
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