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JP2005244174A - Piezoelectric element, manufacturing method thereof, and ink jet head and ink jet recording apparatus using the piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric element, manufacturing method thereof, and ink jet head and ink jet recording apparatus using the piezoelectric element Download PDF

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JP2005244174A
JP2005244174A JP2004359762A JP2004359762A JP2005244174A JP 2005244174 A JP2005244174 A JP 2005244174A JP 2004359762 A JP2004359762 A JP 2004359762A JP 2004359762 A JP2004359762 A JP 2004359762A JP 2005244174 A JP2005244174 A JP 2005244174A
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JP
Japan
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thin film
piezoelectric element
piezoelectric
electrode film
piezoelectric thin
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Withdrawn
Application number
JP2004359762A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Torii
秀雄 鳥井
Akiyuki Fujii
映志 藤井
Takeshi Kamata
健 鎌田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】 高湿度環境下において高電圧で駆動しても絶縁性の低下が生じない、高い信頼性を有する圧電体素子が容易に得られるようにする。
【解決手段】 圧電体素子20の圧電体薄膜3に含まれる鉛量を化学量論組成よりも少なくする。すなわち、圧電体薄膜3を、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物で構成し、Pb組成欠損量を示すxの値を0を超え0.15以下とする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To easily obtain a highly reliable piezoelectric element which does not cause a decrease in insulation even when driven at a high voltage in a high humidity environment.
SOLUTION: The amount of lead contained in a piezoelectric thin film 3 of a piezoelectric element 20 is made smaller than the stoichiometric composition. That is, the piezoelectric thin film 3 is made of lead zirconate titanate represented by Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1), or A is a perovskite crystal. and additional metal ions that enters the a site structure, as an additive metal ions entering the B to B site of the perovskite-type crystal structure, (Pb (1-xy) a y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 It is composed of a lead zirconate titanate oxide represented by (0 <s <1, 0 <t <1-s), and the value of x indicating the Pb composition deficiency exceeds 0 and is 0.15 or less. To do.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体素子及びその製造方法、並びに該圧電体素子を用いたインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置に関する技術分野に属する。   The present invention belongs to a technical field related to a piezoelectric element exhibiting an electromechanical conversion function, a manufacturing method thereof, an ink jet head using the piezoelectric element, and an ink jet recording apparatus.

一般に、圧電体素子は、圧電体をその厚み方向に2つの電極で挟んでなる積層体を備えている。ここで、圧電体の材料は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、或いは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。圧電体材料の代表的なものとしては、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)(PZT)や、このPZTにマグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブ等を添加したもの等がある。 In general, a piezoelectric element includes a laminated body in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes in the thickness direction. Here, the piezoelectric material is a material that converts mechanical energy into electrical energy, or converts electrical energy into mechanical energy. Typical examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) (PZT), which is an oxide having a perovskite crystal structure, and magnesium, manganese, nickel, niobium, and PZT. Etc. to which etc. were added.

特にペロブスカイト型正方晶系結晶構造のPZTの場合には、<001>軸方向(c軸方向)に最も大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向いている。このため、自発分極Psもでたらめに配列しているが、圧電体素子の場合には、それらのベクトルの総和が、電界と平行な方向になるように作られている。そして、この圧電体素子の1つの形態である圧電アクチュエータ(上記積層体に振動板を設ける)においては、両電極間に電圧を印加すると、その電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。   In particular, in the case of PZT having a perovskite-type tetragonal crystal structure, the largest piezoelectric displacement is obtained in the <001> axial direction (c-axis direction). However, many piezoelectric materials are polycrystalline bodies composed of aggregates of crystal grains, and the crystal axes of the crystal grains are in random directions. For this reason, the spontaneous polarization Ps is also randomly arranged, but in the case of a piezoelectric element, the sum of these vectors is made to be in a direction parallel to the electric field. And, in a piezoelectric actuator which is one form of this piezoelectric element (a diaphragm is provided on the laminate), when a voltage is applied between both electrodes, a mechanical displacement proportional to the magnitude of the voltage can be obtained. .

ところが、上記圧電体素子を、湿度の高い雰囲気に長時間さらした状態で高電圧を印加すると、圧電体の電気絶縁性が低下して絶縁破壊が起こり、このような現象は圧電体素子の信頼性の大きな問題の1つとされてきた。   However, when a high voltage is applied to the piezoelectric element exposed to a high humidity atmosphere for a long time, the electrical insulation of the piezoelectric element deteriorates and dielectric breakdown occurs. It has been regarded as one of the big problems.

そこで、このような現象の発生を防止する目的で、従来よりいろいろな工夫がなされてきた。なかでも絶縁破壊に最も関係深いとされている電極材のマイグレーションの発生を防止するために、マイグレーションの起こりにくい金や白金を電極材料に選択することが考えられた。   Therefore, various ideas have been made for the purpose of preventing the occurrence of such a phenomenon. In particular, in order to prevent the migration of the electrode material, which is most closely related to the dielectric breakdown, it was considered to select gold or platinum, which hardly causes migration, as the electrode material.

しかし、電極材料に金や白金を用いて電極材のマイグレーションを防止しても、圧電体の絶縁抵抗は低下することが明らかになった。すなわち、この絶縁抵抗の低下の原因は、水分が直接的に圧電体材料を攻撃することによるものであり、この低下を防止する方法として、例えば、内部に乾燥剤を入れた金属性密閉容器に圧電体素子全体を収納して該容器を完全に密閉するようにすれば、圧電体が絶縁劣化しないことが実証されている(例えば、特許文献1参照)。   However, it has been clarified that the insulation resistance of the piezoelectric body is lowered even if the electrode material is prevented from migration by using gold or platinum as the electrode material. That is, the cause of the decrease in the insulation resistance is that moisture directly attacks the piezoelectric material, and as a method for preventing this decrease, for example, in a metal sealed container containing a desiccant inside. It has been proved that if the entire piezoelectric element is accommodated and the container is completely sealed, the piezoelectric body does not deteriorate in insulation (for example, see Patent Document 1).

ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、圧電体素子に対しても小型化が強く要求されるようになってきた。そして、その要求を満たすために、圧電体素子は、従来から多く使用されてきた焼結体に比べて著しく体積の小さい薄膜の形態で使用されるようになりつつあり、圧電体素子に対する薄膜化の研究開発が盛んになってきた。例えばPZT膜を形成する方法としては、スパッタ法やCVD法、ゾルゲル法等があるが、それぞれ、酸素濃度の調節や熱処理条件の工夫によって、高特性の圧電体薄膜が得られるようになってきた。   By the way, with the recent miniaturization of electronic devices, there has been a strong demand for miniaturization of piezoelectric elements. In order to satisfy this requirement, piezoelectric elements are being used in the form of thin films that have a significantly smaller volume than sintered bodies that have been widely used in the past. Research and development has become popular. For example, as a method for forming a PZT film, there are a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, and the like, and high-performance piezoelectric thin films have been obtained by adjusting the oxygen concentration and devising heat treatment conditions, respectively. .

そして、小型化のために、圧電体素子は、上記のように金属製の密閉容器に入れずに剥き出しの状態で使われることが要望され、このため、密閉容器に入れずに高湿度環境下で使用しても劣化しないようにする工夫もなされている。例えば、圧電体素子を構成する圧電体層の傍に発熱膜を設けて、この発熱膜により圧電体層を積極的に加熱することで、圧電体層への湿気の吸収を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In order to reduce the size, the piezoelectric element is required to be used in an exposed state without being placed in a metal sealed container as described above. The device has been devised so that it will not deteriorate even if it is used. For example, a method has been proposed in which a heat generating film is provided beside the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element, and the piezoelectric layer is actively heated by this heat generating film, thereby preventing moisture absorption into the piezoelectric layer. (For example, refer to Patent Document 2).

ここで、PZT等の鉛化合物を含む圧電体は高温で合成される。これは薄膜形態であっても同様であり、高温時の鉛の蒸気圧が高いため、例えばPZT薄膜の場合、化学量論組成のPZT(化学組成式がPb(Zr1-xTix)O3(0<x<1)であり、化学組成比Pb:Zr+Ti:O=1:1:3である)よりも幾分、鉛過剰の組成にすることが通常になっている(例えば、特許文献3参照)。
特開平4−349675号公報(第2頁) 特開2000−43259号公報 特開平10−290033号公報(第3頁)
Here, a piezoelectric body containing a lead compound such as PZT is synthesized at a high temperature. This is the same even in the form of a thin film, and since the vapor pressure of lead at a high temperature is high, for example, in the case of a PZT thin film, the stoichiometric composition PZT (chemical composition formula is Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1) and chemical composition ratio Pb: Zr + Ti: O = 1: 1: 3) It is normal to make the composition somewhat more lead (for example, patent Reference 3).
JP-A-4-349675 (2nd page) JP 2000-43259 A JP 10-290033 A (page 3)

本発明者らは、上記鉛過剰の圧電体薄膜を用いた圧電体素子において、湿気の高い環境下で高電圧を印加したときに絶縁破壊が起こる原因について検討した結果、次のようなメカニズムを見出した。すなわち、圧電体薄膜は、例えばスパッタ法で作製された圧電体薄膜の厚み方向一方側から他方側に向いている複数の柱状結晶粒子によって構成された集合体から成る場合が多く、それらの柱状結晶粒子同士の境界部分が結晶粒界として存在する。また、柱状結晶の集合体の形態を示さない場合であっても、多くの結晶粒界を有している。そして、この圧電体の結晶粒界には、過剰の鉛が酸化物の形態で存在し、この結晶粒界に存在する鉛酸化物が、湿気として吸収された水分と電気化学的な反応を起こして変質することを突き止め、従来の圧電体素子において絶縁破壊が発生した原因は、水分が電極膜のピンホールを通って圧電体薄膜の結晶粒界に浸入して、その結晶粒界に存在している酸化鉛が、その水分により水酸化鉛を経て導電性を有する二酸化鉛に変質するためであると考えた。   The present inventors have investigated the cause of dielectric breakdown when a high voltage is applied in a high humidity environment in the piezoelectric element using the lead-excess piezoelectric thin film, and as a result, the following mechanism has been proposed. I found it. That is, the piezoelectric thin film is often composed of an aggregate composed of a plurality of columnar crystal particles oriented from one side to the other in the thickness direction of the piezoelectric thin film prepared by sputtering, for example. The boundary part between grains exists as a grain boundary. Moreover, even if it does not show the form of the aggregate of columnar crystals, it has many crystal grain boundaries. Excess lead exists in the form of oxides at the crystal grain boundaries of this piezoelectric body, and lead oxides present at these crystal grain boundaries cause an electrochemical reaction with moisture absorbed as moisture. The cause of the dielectric breakdown in the conventional piezoelectric element is that water penetrates into the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film through the pinhole of the electrode film and exists in the crystal grain boundary. It was thought that the lead oxide was transformed into lead dioxide having conductivity through lead hydroxide due to its moisture.

この考え方から、PZT等の鉛化合物を含む圧電体材料への水分による直接的なアタックを無くすようにすればよく、そのための方法として、圧電体素子を製造する際に、圧電体と第1電極と第2電極との積層体を作製した後に、第1電極と第2電極のいずれか一方の電極を、ジルコニウムアルコキシド、ジルコニウムアセチルアセトネート、ジルコニウムカルボキシレート等の化学物質に曝して、その化学物質を電極より圧電体薄膜に吸収させて、その圧電体薄膜の結晶粒界に存在している酸化鉛や水酸化鉛を、電気化学的に安定な酸化ジルコニウムで被覆することで、リーク電流が結晶粒界を通って流れることを防ぐ方法が考えられる。このように結晶粒界を酸化ジルコニウムから成る絶縁膜で覆うので、結晶粒界の電気化学的な性質は、結晶粒界に存在している酸化ジルコニウムに支配される。それゆえに、結晶粒界を電気化学的に安定した状態にすることができるので、リーク電流が結晶粒界を通って流れる絶縁破壊の発生を防ぐことができる。これによって、高湿度下においても絶縁破壊の発生を防ぐことができる。   From this concept, it is only necessary to eliminate a direct attack due to moisture on a piezoelectric material containing a lead compound such as PZT. As a method for this, when manufacturing a piezoelectric element, the piezoelectric body and the first electrode After the laminate of the first electrode and the second electrode is prepared, either one of the first electrode and the second electrode is exposed to a chemical substance such as zirconium alkoxide, zirconium acetylacetonate, zirconium carboxylate, and the chemical substance. Is absorbed by the piezoelectric thin film from the electrode, and lead oxide and lead hydroxide present at the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film are coated with electrochemically stable zirconium oxide, so that the leakage current is crystallized. A method of preventing the flow through the grain boundary is conceivable. Since the crystal grain boundaries are thus covered with the insulating film made of zirconium oxide, the electrochemical properties of the crystal grain boundaries are governed by the zirconium oxide present at the crystal grain boundaries. Therefore, since the crystal grain boundary can be brought into an electrochemically stable state, it is possible to prevent the occurrence of dielectric breakdown in which a leak current flows through the crystal grain boundary. This can prevent dielectric breakdown even under high humidity.

しかしながら、上記の方法では、積層体を作製した後にジルコニア処理等を行う必要があり、このため、製造工程が複雑になってしまうという問題がある。   However, in the above method, it is necessary to perform a zirconia treatment or the like after the laminate is manufactured, and there is a problem that the manufacturing process becomes complicated.

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高湿度環境下において高電圧で駆動しても絶縁性の低下が生じない、高い信頼性を有する圧電体素子が容易に得られるようにすることにある。   The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a highly reliable piezoelectric body that does not cause a decrease in insulation even when driven at a high voltage in a high humidity environment. It is to make it easy to obtain an element.

上記の目的を達成するために、この発明では、圧電体薄膜に含まれる鉛量を化学量論組成よりも少なくなるようにした。   In order to achieve the above object, in the present invention, the amount of lead contained in the piezoelectric thin film is made smaller than the stoichiometric composition.

具体的には、請求項1の発明では、第1の電極膜と圧電体薄膜と第2の電極膜とがこの順に積層されてなる積層体を備えた圧電体素子を対象とする。   Specifically, the invention of claim 1 is directed to a piezoelectric element including a laminate in which a first electrode film, a piezoelectric thin film, and a second electrode film are laminated in this order.

そして、上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であるものとする。 The piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1). As described above, lead zirconate titanate or A as an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure, and B as an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure (Pb (1-xy) A y ) (Zr (1-st) Ti s B t ) O 3 (0 <s <1, 0 <t <1-s) In the chemical composition formulas of lead zirconate titanate and lead zirconate titanate-based oxides, the value of x indicating the amount of Pb composition deficiency from the stoichiometric composition exceeds 0 and is 0.15 or less.

上記の構成により、圧電体素子を構成する圧電体薄膜に含まれる鉛組成は化学量論組成よりも少ない量になって、大気中の水分により化学反応を起こす鉛酸化物が圧電体薄膜の結晶粒界に存在しなくなり、この結果、高湿度環境下で電圧印加による駆動を行っても絶縁性低下による劣化が生じることはない。しかも、このような低鉛組成の圧電体薄膜は、スパッタリング条件を適切に設定するだけで容易に得られ(請求項7及び8参照)、ジルコニア処理等を行う必要はない。よって、高い信頼性を有する圧電体素子が容易に得られる。   With the above configuration, the lead thin film contained in the piezoelectric thin film constituting the piezoelectric element has a smaller amount than the stoichiometric composition, and the lead oxide that causes a chemical reaction due to moisture in the atmosphere is the crystal of the piezoelectric thin film. As a result, even if driving is performed by applying a voltage in a high-humidity environment, deterioration due to a decrease in insulation does not occur. Moreover, such a piezoelectric thin film having a low lead composition can be easily obtained only by appropriately setting the sputtering conditions (see claims 7 and 8), and does not require zirconia treatment or the like. Therefore, a highly reliable piezoelectric element can be easily obtained.

請求項2の発明では、請求項1の発明において、チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式中のAは、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)及びカルシウム(Ca)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであり、上記化学組成式中のBは、ニオブ(Nb)、マグネシウム(Mg)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであるものとする。   In the invention of claim 2, in the invention of claim 1, A in the chemical composition formula of the lead zirconate titanate oxide is lanthanum (La), strontium (Sr), bismuth (Bi), and calcium (Ca). At least one metal ion selected from the group consisting of: B in the chemical composition formula is a group of niobium (Nb), magnesium (Mg), nickel (Ni), manganese (Mn) and iron (Fe) And at least one metal ion selected from

このことにより、種々の性質を有する圧電体薄膜が得られ、特徴のある圧電特性をもつ圧電体素子を実現することができる。   As a result, piezoelectric thin films having various properties can be obtained, and piezoelectric elements having characteristic piezoelectric characteristics can be realized.

請求項3の発明では、請求項1の発明において、圧電体薄膜の厚みが2μm以上6μm以下であるものとする。   In the invention of claim 3, in the invention of claim 1, the thickness of the piezoelectric thin film is 2 μm or more and 6 μm or less.

このことで、通常の使用において、安定した変位と信頼性とを有する圧電体薄膜が容易に得られる。   Thus, a piezoelectric thin film having stable displacement and reliability can be easily obtained in normal use.

請求項4の発明では、請求項1の発明において、圧電体薄膜は、(001)面に優先配向しているものとする。   In the invention of claim 4, in the invention of claim 1, the piezoelectric thin film is preferentially oriented in the (001) plane.

こうすることで、圧電体薄膜の結晶粒子の分極方向が一方向に揃うために、電圧印加に対して安定した変位を示すようになる。   By doing so, the polarization directions of the crystal grains of the piezoelectric thin film are aligned in one direction, so that stable displacement is exhibited with respect to voltage application.

請求項5の発明では、請求項1の発明において、積層体の積層方向一方側の面に、振動板が配設されているものとする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a diaphragm is disposed on the surface on one side in the stacking direction of the stacked body.

また、請求項6の発明では、請求項5の発明において、振動板は、シリコン、ガラス、セラミック材料及び金属材料の群から選ばれた少なくとも1種からなるものとする。   According to a sixth aspect of the invention, in the fifth aspect of the invention, the diaphragm is made of at least one selected from the group consisting of silicon, glass, a ceramic material, and a metal material.

これら請求項5及び6の発明により、第1及び第2の電極膜間への電圧の印加により積層体の積層方向に変位する高信頼性の圧電体素子(圧電アクチュエータ)が容易に得られる。   According to the fifth and sixth aspects of the present invention, a highly reliable piezoelectric element (piezoelectric actuator) that is displaced in the stacking direction of the stacked body by applying a voltage between the first and second electrode films can be easily obtained.

請求項7の発明は、基板上に、第1の電極膜を形成する工程と、該第1の電極膜上に、圧電体薄膜をスパッタ法により形成する工程と、該圧電体薄膜上に、第2の電極膜を形成する工程とを含む圧電体素子の製造方法の発明である。   The invention according to claim 7 includes a step of forming a first electrode film on a substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the first electrode film by a sputtering method, And a step of forming a second electrode film.

そして、この発明では、上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であり、上記圧電体薄膜を形成する工程は、上記第1の電極膜を形成した基板を接地電位から電気的に浮かせた電位状態にしかつスパッタガス圧力を0.05Pa以上0.15Pa以下としたスパッタリング条件で圧電体薄膜を形成する工程であるものとする。 In the present invention, the piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and has a chemical composition formula of Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1) Lead titanate zirconate or A as an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure and B as an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure (Pb ( consisted 1-xy) A y) ( Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s) of lead zirconate titanate is expressed by based oxide The value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition in the chemical composition formula of the above lead zirconate titanate and lead zirconate titanate-based oxides exceeds 0 and is 0.15 or less, In the step of forming the piezoelectric thin film, the substrate on which the first electrode film is formed is grounded. It assumed to be a step of forming a piezoelectric thin film by the sputtering conditions and the electrically only One sputtering gas pressure in a potential state of floated 0.05Pa or 0.15Pa or less from.

すなわち、圧電体薄膜の形成工程において、鉛組成が少ない圧電体薄膜を形成するためには、スパッタ成膜時に、スパッタガスによってターゲットからはじき出されて基板に飛来する組成構成元素の粒子のうち、蒸気圧の高い鉛元素の粒子の着膜率を下げればよく、このためには、基板に、スパッタ粒子をたたきつけるイオン衝撃を加えることが有効であることを本発明者らは見出した。この具体的な方法としては、基板が接地電位から電気的に浮いた電位状態にある(つまり基板が接地されずかつ電気的に他と接続されていない状態にある)場合には、スパッタ成膜時の真空度を高めて(スパッタガス圧力を低くして)、スパッタ粒子が、基板とターゲットとの間の空間に存在するガス分子と衝突する確率を減らすことで、基板にイオン衝撃を加える方法、又は、基板の電位を接地電位と同じか又は接地電位よりも低い負の電位状態にすることにより、基板にスパッタ粒子を電気的に引き付けることで、基板にイオン衝撃を加える方法がある。この請求項7の発明では、スパッタガス圧力を0.15Pa以下と低く設定することで、基板にイオン衝撃を加えることができ、これにより、鉛組成が少ない圧電体薄膜を容易に形成することができる。よって、請求項1の発明に係る高い信頼性を有する圧電体素子を容易に量産することができる。尚、スパッタガス圧力を0.05Pa以上とするのは、0.05Paよりも小さいと、スパッタ装置で成膜する際にプラズマを生成することが困難になるからである。   That is, in the piezoelectric thin film formation process, in order to form a piezoelectric thin film with a low lead composition, during the sputtering film formation, among the constituent element particles that are ejected from the target by the sputtering gas and fly to the substrate, vapor The present inventors have found that it is only necessary to lower the deposition rate of lead element particles having a high pressure, and for this purpose, it is effective to apply ion bombardment to strike the sputtered particles on the substrate. As a specific method, when the substrate is in a potential state that is electrically floating from the ground potential (that is, the substrate is not grounded and is not electrically connected to the other), sputter deposition is performed. A method of applying ion bombardment to a substrate by increasing the degree of vacuum (lowering the sputtering gas pressure) and reducing the probability that sputtered particles collide with gas molecules existing in the space between the substrate and the target. Alternatively, there is a method in which ion bombardment is applied to the substrate by electrically attracting sputtered particles to the substrate by setting the substrate potential to the negative potential state that is the same as or lower than the ground potential. In the invention of claim 7, by setting the sputtering gas pressure as low as 0.15 Pa or less, ion bombardment can be applied to the substrate, thereby easily forming a piezoelectric thin film having a small lead composition. it can. Therefore, the piezoelectric element having high reliability according to the invention of claim 1 can be easily mass-produced. The reason why the sputtering gas pressure is set to 0.05 Pa or more is that when it is less than 0.05 Pa, it is difficult to generate plasma when forming a film with a sputtering apparatus.

請求項8の発明では、基板上に、第1の電極膜を形成する工程と、該第1の電極膜上に、圧電体薄膜をスパッタ法により形成する工程と、該圧電体薄膜上に、第2の電極膜を形成する工程とを含む圧電体素子の製造方法を対象とする。   In the invention of claim 8, a step of forming a first electrode film on a substrate, a step of forming a piezoelectric thin film on the first electrode film by a sputtering method, and on the piezoelectric thin film, A method of manufacturing a piezoelectric element including a step of forming a second electrode film.

そして、上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であり、上記圧電体薄膜を形成する工程は、上記第1の電極膜を形成した基板に、該基板が接地電位と同じか又は接地電位よりも低い負の電位状態になるようにバイアス電圧を印加したスパッタリング条件で圧電体薄膜を形成する工程であるものとする。 The piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1). Lead Zirconate titanate or A as an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure and B as an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure (Pb (1-xy) A y ) (Zr (1-st) Ti s B t ) O 3 (0 <s <1, 0 <t <1-s) In the chemical composition formulas of lead zirconate titanate and lead zirconate titanate-based oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition is more than 0 and 0.15 or less, and the piezoelectric thin film Forming the first electrode film on the substrate on which the first electrode film is formed; Flip or assumed to be a step of forming a piezoelectric thin film by sputtering condition of applying a bias voltage so that the low negative potential state than the ground potential.

このことにより、基板にスパッタ粒子を電気的に引き付けることで、基板にイオン衝撃を加えることができ、上記の如く、鉛組成が少ない圧電体薄膜を形成することができる。特に基板を接地電位よりも低い負の電位状態とすれば、基板にスパッタ粒子を電気的により強く引き付けることができ、この結果、基板にかなり大きなイオン衝撃を加えることができて、鉛組成が少ない圧電体薄膜をより確実にかつ容易に形成することができる。よって、請求項7の発明と同様に、高い信頼性を有する圧電体素子を容易に量産することができる。   Thus, ion bombardment can be applied to the substrate by electrically attracting the sputtered particles to the substrate, and as described above, a piezoelectric thin film having a small lead composition can be formed. In particular, if the substrate is in a negative potential state lower than the ground potential, the sputtered particles can be more strongly attracted to the substrate. As a result, a considerably large ion bombardment can be applied to the substrate, and the lead composition is low. The piezoelectric thin film can be more reliably and easily formed. Therefore, similarly to the seventh aspect of the invention, a piezoelectric element having high reliability can be easily mass-produced.

請求項9の発明は、第1の電極膜、圧電体薄膜及び第2の電極膜がこの順に積層されてなる積層体と該積層体の積層方向一方側の面に配設された振動板とを有する圧電体素子と、インクを収容する圧力室と、該圧力室に連通するノズルとを備え、上記圧電体素子の圧電体薄膜の圧電効果により上記振動板を厚み方向に変位させて上記圧力室内のインクを上記ノズルから吐出させるように構成されたインクジェットヘッドの発明である。   The invention according to claim 9 is a laminate in which a first electrode film, a piezoelectric thin film, and a second electrode film are laminated in this order, and a diaphragm disposed on one side in the lamination direction of the laminate. A piezoelectric chamber having a pressure chamber containing ink, and a nozzle communicating with the pressure chamber, and the diaphragm is displaced in the thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film of the piezoelectric device. It is an invention of an ink jet head configured to eject ink in a room from the nozzle.

そして、この発明では、上記圧電体素子の圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であるものとする。 In the present invention, the piezoelectric thin film of the piezoelectric element is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3. Lead zirconate titanate represented by (0 <s <1) or A as an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure and B as an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure , (Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s) lead zirconate titanate which is expressed in The value of x indicating the amount of Pb composition deficiency from the stoichiometric composition in the chemical composition formula of the above lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides exceeds 0 and is 0.15. Assume that:

この発明により、信頼性及び耐久性が極めて良好なインクジェットヘッドが容易に得られる。   According to the present invention, an ink jet head having extremely good reliability and durability can be easily obtained.

請求項10の発明は、インクジェット式記録装置の発明であり、この発明では、請求項9記載のインクジェットヘッドと、上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェットヘッドのノズルから圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されているものとする。   The invention of claim 10 is an invention of an ink jet recording apparatus. In this invention, the ink jet head according to claim 9 and a relative moving means for relatively moving the ink jet head and the recording medium are provided. It is assumed that when the inkjet head is moved relative to the recording medium by the means, recording is performed by discharging ink in a pressure chamber from the nozzle of the inkjet head to the recording medium.

この発明により、吐出性能のばらつきが少なくかつ高い信頼性を有するインクジェット式記録装置が容易に得られる。   According to the present invention, it is possible to easily obtain an ink jet recording apparatus with little variation in ejection performance and high reliability.

請求項11の発明では、請求項10の発明において、相対移動手段は、インクジェットヘッドを所定方向に往復動させるヘッド移送手段と、上記記録媒体を上記所定方向と略垂直な方向に移送する記録媒体移送手段とで構成され、上記相対移動手段のヘッド移送手段により上記インクジェットヘッドが上記所定方向に移動しているときに、該インクジェットヘッドのノズルから圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されているものとする。   According to an eleventh aspect of the invention, in the tenth aspect of the invention, the relative movement means includes a head transfer means for reciprocating the inkjet head in a predetermined direction, and a recording medium for transferring the recording medium in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction. And when the ink jet head is moved in the predetermined direction by the head moving means of the relative moving means, the ink in the pressure chamber is ejected from the nozzles of the ink jet head onto the recording medium for recording. Assume that it is configured to do.

このことで、インクジェットヘッドが往復動するタイプのインクジェット式記録装置が容易に得られる。   Thus, an ink jet type recording apparatus in which the ink jet head reciprocates can be easily obtained.

請求項12の発明では、請求項10の発明において、複数のインクジェットヘッドが所定方向に並んだ状態で互いに連結されており、相対移動手段は、記録媒体を上記所定方向と略垂直な方向に移送することで、上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させるように構成されているものとする。   According to a twelfth aspect of the invention, in the tenth aspect of the invention, the plurality of inkjet heads are connected to each other in a state of being aligned in a predetermined direction, and the relative movement means transfers the recording medium in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction. Thus, the inkjet head and the recording medium are configured to move relative to each other.

このことにより、ラインヘッドタイプのインクジェット式記録装置が容易に得られる。   Thus, a line head type ink jet recording apparatus can be easily obtained.

以上説明したように、本発明によると、圧電体薄膜に含まれる鉛組成を化学量論組成よりも少なくするようにしたことにより、大気中の水分の影響を受けて絶縁性低下による劣化が生じることはなくなり、高い信頼性を有する圧電体素子、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置が容易に得られる。   As described above, according to the present invention, since the lead composition contained in the piezoelectric thin film is made smaller than the stoichiometric composition, the deterioration due to the lowering of the insulating property occurs due to the influence of moisture in the atmosphere. Thus, a highly reliable piezoelectric element, ink jet head, and ink jet recording apparatus can be easily obtained.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態に係る圧電体素子を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態の圧電体素子20は、長さ11.0mm、幅3.0mm、厚さ0.30mmの短冊平板形状のシリコン(Si)からなる基板1と、この基板1上に配設された積層体10とを備えている。この圧電体素子20は、その一端から3.0mmまでの部分で、エポキシ系接着剤6によって、圧電体素子20と垂直な方向(図1に示す座標軸のY軸方向)に延びる長さ10.0mm、幅3.0mm、厚み1.0mmのステンレス支持基板5に固定されており、このステンレス支持基板5により、圧電体素子20は片持ち梁状に支持されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a piezoelectric element 20 according to the present embodiment includes a substrate 1 made of silicon (Si) having a rectangular plate shape having a length of 11.0 mm, a width of 3.0 mm, and a thickness of 0.30 mm, and the substrate. 1 and a laminated body 10 disposed on the substrate 1. This piezoelectric element 20 has a length of 10. mm extending in a direction perpendicular to the piezoelectric element 20 (Y-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. 1) by the epoxy adhesive 6 at a portion from one end to 3.0 mm. The piezoelectric element 20 is supported in a cantilever shape by a stainless support substrate 5 having a thickness of 0 mm, a width of 3.0 mm, and a thickness of 1.0 mm.

上記積層体10は、第1の電極膜2と圧電体薄膜3と第2の電極膜4とがこの順に積層されてなっており、基板1上に、第1の電極膜2、圧電体薄膜3及び第2の電極膜4をスパッタ法により順次成膜して積層したものである。尚、第1及び第2の電極膜2,4の成膜法については、どのような方法であってもよく、例えばCVD法やゾル・ゲル法等であってもよい。   The laminated body 10 includes a first electrode film 2, a piezoelectric thin film 3, and a second electrode film 4 laminated in this order, and the first electrode film 2 and the piezoelectric thin film are formed on the substrate 1. 3 and the second electrode film 4 are sequentially formed by sputtering and stacked. The first and second electrode films 2 and 4 may be formed by any method, such as a CVD method or a sol / gel method.

上記基板1は、積層体10の積層方向一方側(第1の電極膜2側)の面に配設された振動板の役割を有している。すなわち、積層体10の圧電体薄膜3の圧電効果によって該圧電体薄膜3がその厚み方向と垂直な方向に伸縮するが、この伸縮を振動板としての基板1が阻止することで、圧電体素子20の先端側(自由端側)がその厚み方向(積層体10の積層方向)に変位することになる。尚、基板1は、シリコンに限らず、ガラスや、セラミックス材料、金属材料等からなっていてもよい。   The substrate 1 serves as a diaphragm disposed on the surface of the laminate 10 on one side in the stacking direction (first electrode film 2 side). That is, the piezoelectric thin film 3 expands and contracts in a direction perpendicular to the thickness direction due to the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 3 of the multilayer body 10, and the expansion and contraction of the substrate 1 as a diaphragm prevents the piezoelectric element. The tip end side (free end side) of 20 is displaced in the thickness direction (stacking direction of the stacked body 10). The substrate 1 is not limited to silicon, and may be made of glass, a ceramic material, a metal material, or the like.

上記第1の電極膜2は、膜厚が0.10μmであってコバルト(Co)を6モル%含むイリジウム(Ir)合金薄膜とされていて、上記基板1における厚み方向一方の側の面全体に設けられている。尚、第1の電極膜2は、このようなCoを含むイリジウム合金で構成する必要はなく、どのような金属で構成してもよいが、後述の如く該第1の電極膜2上に上記圧電体薄膜3を形成する際に該圧電体薄膜3の結晶配向を良好に制御できるようにするために、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(St)、バリウム(Ba)及びこれらの酸化物の群から選ばれた少なくとも1種の添加物が添加された貴金属からなっていることが好ましい。   The first electrode film 2 is an iridium (Ir) alloy thin film having a film thickness of 0.10 μm and containing 6 mol% of cobalt (Co), and the entire surface on one side of the substrate 1 in the thickness direction. Is provided. The first electrode film 2 need not be made of such an iridium alloy containing Co, and may be made of any metal. However, the first electrode film 2 is formed on the first electrode film 2 as described later. Titanium (Ti), aluminum (Al), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (in order to be able to satisfactorily control the crystal orientation of the piezoelectric thin film 3 when the piezoelectric thin film 3 is formed. Ni), manganese (Mn), copper (Cu), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (St), barium (Ba) and at least one additive selected from the group of these oxides It is preferably made of an added noble metal.

上記圧電体薄膜3は、上記第1の電極膜2上において上記ステンレス支持基板5に接着された側(基端側)の一端から3.0mmまでの部分を除いた全面(つまり幅3.0mmで長さ8.0mmの部分)に設けられていて、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物からなっている。具体的には、化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物(PZT系酸化物)からなっている。そして、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下とされている。このことで、圧電体薄膜3に含まれる鉛組成は化学量論組成よりも少ないことになる。これにより、大気中の水分により化学反応を起こす鉛酸化物が圧電体薄膜3の結晶粒界に存在していない。この結果、高湿度環境下で電圧印加による駆動を行っても絶縁性低下による劣化が生じなくなる。このような効果は、圧電体薄膜3に含まれる鉛組成が少ないほど(xの値が大きいほど)確実に得られることになるが、xの値が0.15よりも大きいと、圧電体薄膜3の成膜自体が困難になったり、成膜できたとしても圧電特性が不十分となったりするので、0.15以下としている。尚、xの値としてより好ましいのは、0.03以上0.15以下である。
The piezoelectric thin film 3 has an entire surface (that is, a width of 3.0 mm) excluding a portion from one end on the side (base end side) bonded to the stainless steel supporting substrate 5 on the first electrode film 2 to 3.0 mm. And is made of an oxide having a perovskite crystal structure. Specifically, the chemical composition formula is
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
As lead metal zirconate titanate (PZT) or an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure and B as an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure,
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
It consists of a lead zirconate titanate oxide (PZT oxide). In the chemical composition formulas of the lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition exceeds 0 and is 0.15 or less. . Thus, the lead composition contained in the piezoelectric thin film 3 is smaller than the stoichiometric composition. Accordingly, lead oxide that causes a chemical reaction due to moisture in the atmosphere does not exist in the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film 3. As a result, even if driving is performed by applying voltage in a high humidity environment, deterioration due to a decrease in insulation does not occur. Such an effect is more surely obtained as the lead composition contained in the piezoelectric thin film 3 is smaller (the larger the value of x), but when the value of x is larger than 0.15, the piezoelectric thin film is obtained. 3 is difficult to form, or even if the film can be formed, the piezoelectric characteristics are insufficient. The value of x is more preferably 0.03 or more and 0.15 or less.

上記チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式中のAは、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)及びカルシウム(Ca)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであることが好ましく、上記化学組成式中のBは、ニオブ(Nb)、マグネシウム(Mg)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであることが好ましい。   A in the chemical composition formula of the lead zirconate titanate oxide is at least one metal ion selected from the group consisting of lanthanum (La), strontium (Sr), bismuth (Bi), and calcium (Ca). Preferably, B in the chemical composition formula is at least one metal ion selected from the group consisting of niobium (Nb), magnesium (Mg), nickel (Ni), manganese (Mn), and iron (Fe). It is preferable that

また、上記圧電体薄膜3は、(001)面に優先配向していることが好ましく、該圧電体薄膜3の厚みは、2μm以上6μm以下であることが好ましい。   The piezoelectric thin film 3 is preferably preferentially oriented in the (001) plane, and the thickness of the piezoelectric thin film 3 is preferably 2 μm or more and 6 μm or less.

上記第2の電極膜4は、膜厚0.25μmの白金(Pt)薄膜とされていて、上記圧電体薄膜3の上全体に設けられており、上記第1の電極膜2及び第2の電極膜4には、それぞれリード線7,8が接続されている。尚、第2の電極膜4は、白金で構成する必要はなく、どのような金属で構成してもよい。   The second electrode film 4 is a platinum (Pt) thin film having a film thickness of 0.25 μm, and is provided on the entire piezoelectric thin film 3, and the first electrode film 2 and the second electrode film 2 are provided. Lead wires 7 and 8 are connected to the electrode film 4, respectively. Note that the second electrode film 4 need not be made of platinum, and may be made of any metal.

そして、上記リード線7,8を介して圧電体素子20の第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に電圧を印加すると、圧電体薄膜3は、図1に示す座標軸のX軸方向(圧電体薄膜3の長さ方向)に伸びる。このとき、圧電体薄膜3の伸びの変化量ΔL(m)は、印加電圧をE(V)、圧電体薄膜3の厚さをt(m)、圧電体薄膜3の長さをL(m)、圧電体薄膜3の圧電定数をd31(pm/V)とすると、
ΔL=d31×L×E/t
となる。
When a voltage is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 of the piezoelectric element 20 via the lead wires 7 and 8, the piezoelectric thin film 3 has a coordinate axis shown in FIG. It extends in the X-axis direction (the length direction of the piezoelectric thin film 3). At this time, the change amount ΔL (m) of the elongation of the piezoelectric thin film 3 is the applied voltage E (V), the thickness of the piezoelectric thin film 3 is t (m), and the length of the piezoelectric thin film 3 is L (m). ), When the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film 3 is d 31 (pm / V),
ΔL = d 31 × L × E / t
It becomes.

ここで、圧電体薄膜3において膜厚の薄い第2の電極膜4と接合された上側部分はX軸方向へ伸びるが、第1の電極膜2を介して基板1と接合された下側部分は、厚い基板1によってその伸び変位が抑制される。この結果、ステンレス支持基板5に固定された基端側(リード線7,8が接続された端子側)に対して反対側に位置する圧電体素子20の先端側が、図1に示す座標軸のZ軸方向の負側(図1では下側)に変位する。これによって、電圧の印加と除去とを一定周波数で交互に繰り返すと、圧電体素子20の先端が所定の変位幅で上下運動する。そして、上記印加電圧と圧電体素子20の先端の変位幅との関係を測定することにより、圧電体素子20の変位特性を評価することができる。   Here, in the piezoelectric thin film 3, the upper part joined to the thin second electrode film 4 extends in the X-axis direction, but the lower part joined to the substrate 1 via the first electrode film 2. Is suppressed by the thick substrate 1. As a result, the distal end side of the piezoelectric element 20 located on the opposite side to the base end side (terminal side to which the lead wires 7 and 8 are connected) fixed to the stainless steel support substrate 5 is the Z of the coordinate axis shown in FIG. It is displaced to the negative side in the axial direction (lower side in FIG. 1). As a result, when voltage application and removal are alternately repeated at a constant frequency, the tip of the piezoelectric element 20 moves up and down with a predetermined displacement width. The displacement characteristics of the piezoelectric element 20 can be evaluated by measuring the relationship between the applied voltage and the displacement width of the tip of the piezoelectric element 20.

次に、上記圧電体素子20の製造方法について、図2の工程図を参照しながら説明する。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 20 will be described with reference to the process diagram of FIG.

まず、図2(a)に示すように、表面が鏡面研磨された20mm角で厚み0.30mmの基板1を用意し、この基板1上に、幅5.0mmで長さ18.0mmの長方形の開口部をもつ厚み0.2mmのステンレス製マスク(図示せず)を用いて、RFスパッタ法によって第1の電極膜2を形成する。   First, as shown in FIG. 2A, a substrate 1 having a 20 mm square whose surface is mirror-polished and having a thickness of 0.30 mm is prepared. On this substrate 1, a rectangle having a width of 5.0 mm and a length of 18.0 mm is prepared. The first electrode film 2 is formed by RF sputtering using a stainless steel mask (not shown) having a thickness of 0.2 mm.

続いて、幅5.0mmで長さ8.0mmの長方形の開口部をもつステンレス製マスク(厚み0.2mm)を用いて、上記第1の電極膜2の表面上に正確に、RFマグネトロンスパッタ法によって、上記PZT又はPZT系酸化物からなる圧電体薄膜3を形成する。このとき、PZT又はPZT系酸化物の焼結体ターゲットを用いる。そして、第1の電極膜2を形成した基板1を接地電位から電気的に浮かせた電位状態にし(つまり基板が接地されずかつ電気的に他と接続されていない状態にし)かつスパッタガス圧力を0.05Pa以上0.15Pa以下としたスパッタリング条件で圧電体薄膜3を形成するか、又は、第1の電極膜2を形成した基板1に、該基板1が接地電位と同じか又は接地電位よりも低い負の電位状態になるようにバイアス電圧を印加したスパッタリング条件で圧電体薄膜3を形成する。   Subsequently, RF magnetron sputtering is accurately performed on the surface of the first electrode film 2 using a stainless steel mask (thickness: 0.2 mm) having a rectangular opening having a width of 5.0 mm and a length of 8.0 mm. By the method, the piezoelectric thin film 3 made of the PZT or PZT oxide is formed. At this time, a sintered body target of PZT or PZT-based oxide is used. Then, the substrate 1 on which the first electrode film 2 is formed is brought into a potential state that is electrically floated from the ground potential (that is, the substrate is not grounded and is not electrically connected to the other), and the sputtering gas pressure is set. The piezoelectric thin film 3 is formed under the sputtering conditions of 0.05 Pa or more and 0.15 Pa or less, or the substrate 1 is formed on the substrate 1 on which the first electrode film 2 is formed. The piezoelectric thin film 3 is formed under sputtering conditions in which a bias voltage is applied so as to be in a low negative potential state.

このようなスパッタリング条件で圧電体薄膜3を形成することで、基板1にイオン衝撃を加えることができる。すなわち、基板が接地電位から電気的に浮いた電位状態にある場合には、スパッタ成膜時の真空度が高くなるようにスパッタガス圧力を0.15Pa以下と低くして(但し、プラズマを生成するために0.05Pa以上とする)、スパッタ粒子が、基板1とターゲットとの間の空間に存在するガス分子と衝突する確率を減らすか、又は、基板1の電位を接地電位と同じか又は接地電位よりも低い負の電位状態にすることにより、基板1にスパッタ粒子を電気的に引き付けることで、基板1にイオン衝撃を加えることができる。これにより、スパッタ成膜時に、スパッタガスによってターゲットからはじき出されて基板1に飛来する組成構成元素の粒子のうち、蒸気圧の高い鉛元素の粒子の着膜率を下げることができ、この結果、上記化学組成式で表記されるような鉛組成が少ない圧電体薄膜3を容易に形成することができる。   By forming the piezoelectric thin film 3 under such sputtering conditions, ion bombardment can be applied to the substrate 1. That is, when the substrate is in a state that is electrically floating from the ground potential, the sputtering gas pressure is reduced to 0.15 Pa or less (however, plasma is generated so as to increase the degree of vacuum during sputtering film formation). In order to reduce the probability that the sputtered particles collide with gas molecules existing in the space between the substrate 1 and the target, or the potential of the substrate 1 is equal to the ground potential or By setting the negative potential lower than the ground potential to electrically attract the sputtered particles to the substrate 1, ion bombardment can be applied to the substrate 1. Thereby, at the time of sputtering film formation, among the particles of the constituent elements that are ejected from the target by the sputtering gas and fly to the substrate 1, the deposition rate of the particles of the lead element having a high vapor pressure can be lowered. The piezoelectric thin film 3 having a small lead composition as expressed by the above chemical composition formula can be easily formed.

尚、上記の如く、第1の電極膜2を、チタン等の添加物が添加された貴金属(本実施形態では、コバルトが添加されたイリジウム)で構成することで、圧電体薄膜3を(001)面に優先配向させるようにすることが容易となる。すなわち、第1の電極膜2の表面部には、添加物が島状に点在しており、この添加物であるチタン等は酸化し易くて酸化物の形態で含有していなくても、圧電体薄膜3を形成する際等において酸素が存在すれば、その表面部に点在する添加物は酸化物となる。そして、圧電体薄膜3は、この島状に点在する添加物(酸化物)を核にしてその上側に結晶成長し、これにより、添加物上において(001)面に配向し易くなる。一方、第1の電極膜2は、シリコン等の基板を用いる場合には、通常、(111)面配向になっており、このため、圧電体薄膜3において第1の電極膜2の表面部における添加物が存在しない部分の上側領域では、(001)面以外の面配向(例えば(111)面配向)になったりアモルファスになったりする。しかし、このような(001)面配向になっていない領域は、圧電体薄膜3における第1の電極膜2側の表面近傍部(当該表面からせいぜい20nm程度までの範囲)にしか存在しない。つまり、上記添加物上の(001)面配向の領域がその結晶成長に連れて広がるため、膜厚方向と垂直な断面における該領域の面積が、第1の電極膜2側からその反対側(第2の電極膜4側)に向かって大きくなり、これにより、(001)面配向になっていない領域は小さくなって、圧電体薄膜3の厚みが20nm程度となった段階では略全体が(001)面配向の領域となる。   As described above, the first electrode film 2 is made of a noble metal to which an additive such as titanium is added (in this embodiment, iridium to which cobalt is added), whereby the piezoelectric thin film 3 is (001). ) It becomes easy to preferentially align the surface. That is, the additive is scattered in the form of islands on the surface portion of the first electrode film 2, and this additive such as titanium is easily oxidized and does not contain it in the form of an oxide. If oxygen is present when the piezoelectric thin film 3 is formed, the additive scattered on the surface becomes an oxide. Then, the piezoelectric thin film 3 grows crystals on the upper side with the additive (oxide) scattered in the island shape as a nucleus, and is thus easily oriented on the (001) plane on the additive. On the other hand, when a substrate such as silicon is used, the first electrode film 2 is normally (111) -oriented, and therefore, in the piezoelectric thin film 3 on the surface portion of the first electrode film 2. In the upper region of the portion where the additive is not present, it becomes a plane orientation other than the (001) plane (for example, (111) plane orientation) or becomes amorphous. However, such a region not having the (001) plane orientation exists only in the vicinity of the surface of the piezoelectric thin film 3 on the first electrode film 2 side (in the range from the surface to about 20 nm at most). That is, since the (001) -oriented region on the additive expands as the crystal grows, the area of the region in the cross section perpendicular to the film thickness direction changes from the first electrode film 2 side to the opposite side ( (The second electrode film 4 side) increases, and as a result, the region that is not in the (001) plane orientation is reduced, so that the entire thickness of the piezoelectric thin film 3 becomes approximately 20 nm. It becomes a region of (001) plane orientation.

次いで、上記圧電体薄膜3の形成時と同じ形状のステンレス製マスクを用いて、圧電体薄膜3の表面上に第2の電極膜4をRFスパッタ法によって形成する。これにより、図2(b)に示すような基板1上に圧電体薄膜3を含む積層体10が設けられた構造体21が得られる。   Next, the second electrode film 4 is formed on the surface of the piezoelectric thin film 3 by RF sputtering using a stainless steel mask having the same shape as the piezoelectric thin film 3 is formed. As a result, a structure 21 in which the laminated body 10 including the piezoelectric thin film 3 is provided on the substrate 1 as shown in FIG. 2B is obtained.

次に、図2(c)に示すように、幅3.0mmで長さ11.0mmの短冊形状になるように、かつ、その一端の幅3.0mm、長さ3.0mmの正方形部分において第1の電極膜2の一部が露出するように、上記構造体21をダイシングソーで切断する。これにより、第2の電極膜4が残りの幅3.0mmで長さ8.0mmの上面部分において露出している圧電体素子構造体部品22が得られる。   Next, as shown in FIG. 2C, in a square portion having a width of 3.0 mm and a length of 11.0 mm, and one end of which is 3.0 mm wide and 3.0 mm long. The structure 21 is cut with a dicing saw so that a part of the first electrode film 2 is exposed. Thereby, the piezoelectric element structure component 22 in which the second electrode film 4 is exposed at the upper surface portion having the remaining width of 3.0 mm and the length of 8.0 mm is obtained.

続いて、図2(d)に示すように、上記圧電体素子構造体部品22における基板1の一端部を、エポキシ系接着剤6を用いて、ステンレス支持基板5に接合する。   Subsequently, as shown in FIG. 2D, one end portion of the substrate 1 in the piezoelectric element structure component 22 is bonded to the stainless steel support substrate 5 using an epoxy adhesive 6.

次いで、図2(e)に示すように、上記圧電体素子構造体部品22において露出している第1の電極膜2に導電性接着剤(銀ペースト)を用いて0.1mmの金のリード線7を接続し、同じ一端側の第2の電極膜4にワイヤボンディングで同様なリード線8を接続することで、圧電体素子20が完成する。   Next, as shown in FIG. 2 (e), a 0.1 mm gold lead is formed on the first electrode film 2 exposed in the piezoelectric element structure component 22 using a conductive adhesive (silver paste). The piezoelectric element 20 is completed by connecting the wire 7 and connecting the same lead wire 8 to the second electrode film 4 on the same one end side by wire bonding.

したがって、本実施形態では、圧電体薄膜3に含まれる鉛組成を化学量論組成よりも少なくしたので、大気中の水分により化学反応を起こす鉛酸化物が圧電体薄膜3の結晶粒界に存在しなくなり、この結果、高湿度環境下で電圧印加による駆動を行っても絶縁性低下による劣化が生じることはない。しかも、このような低鉛組成の圧電体薄膜3は、スパッタリング条件を上記の如く適切に設定するだけで容易に得られる。よって、高い信頼性を有する圧電体素子20が容易に得られる。   Therefore, in the present embodiment, the lead composition contained in the piezoelectric thin film 3 is less than the stoichiometric composition, so that lead oxide that causes a chemical reaction due to moisture in the atmosphere exists in the crystal grain boundary of the piezoelectric thin film 3. As a result, even if driving is performed by applying a voltage in a high humidity environment, deterioration due to a decrease in insulation does not occur. Moreover, the piezoelectric thin film 3 having such a low lead composition can be easily obtained simply by setting the sputtering conditions appropriately as described above. Therefore, the piezoelectric element 20 having high reliability can be easily obtained.

ここで、具体的に実施した実施例について説明する。   Here, a specific example will be described.

(実施例1)
基板1を、上記実施形態と同じ形状のシリコン基板とし、第1の電極膜2を、上記実施形態と同じく、厚さ0.10μmのコバルトを6モル%含むイリジウム合金薄膜とした。このイリジウム合金薄膜は、RFマグネトロンスパッタ装置で、シリコン基板を予め400℃の温度に加熱保持し、スパッタリングガスとしてアルゴンと酸素との混合ガス(ガス体積比Ar:O2=15:1)を用い、トータルガス圧力を0.25Paに保持して、スパッタ装置のターゲットとして6モル%のコバルトを含むイリジウム板を用いて、200Wの高周波電力を印加して16分間スパッタリングすることによって膜形成した。この成膜の際、スパッタ装置の中で、シリコン基板を、接地電位から電気的に浮かせた電位状態になるように保持した。
(Example 1)
The substrate 1 was a silicon substrate having the same shape as that of the above embodiment, and the first electrode film 2 was an iridium alloy thin film containing 6 mol% of 0.10 μm thick cobalt as in the above embodiment. In this iridium alloy thin film, an RF magnetron sputtering apparatus is used to heat and hold a silicon substrate in advance at a temperature of 400 ° C., and a mixed gas of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O 2 = 15: 1) is used as a sputtering gas. Then, the total gas pressure was maintained at 0.25 Pa, an iridium plate containing 6 mol% of cobalt was used as a target of the sputtering apparatus, and 200 W of high frequency power was applied to form a film by sputtering for 16 minutes. During the film formation, the silicon substrate was held in a sputtering apparatus so as to be in a potential state that was electrically floated from the ground potential.

また、圧電体薄膜3を、(001)面に優先配向したPZT薄膜とした。このPZT薄膜は、RFマグネトロンスパッタ装置を用いて形成した。具体的には、ターゲットとして、化学量論組成のPZTの6インチ径焼結体ターゲット(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.00:0.53:0.47)を用いた。そして、このPZTのターゲットを取り付けた成膜室の中で、上記イリジウム合金薄膜を形成したシリコン基板を、予め580℃の温度に加熱保持し、スパッタガスにアルゴンと酸素との混合ガスを用い、その混合比をアルゴン:酸素=79:1に、流量を毎分40mlに、そのスパッタガス圧力を0.15Paにして、プラズマ発生電力を3kWにして、50分間、PZT薄膜を成膜した。この成膜の際、スパッタ装置の中で、シリコン基板を、接地電位から電気的に浮かせた電位状態になるように保持した。   The piezoelectric thin film 3 was a PZT thin film preferentially oriented in the (001) plane. This PZT thin film was formed using an RF magnetron sputtering apparatus. Specifically, a 6-inch diameter sintered compact target of PZT having a stoichiometric composition (composition molar ratio Pb: Zr: Ti = 1.00: 0.53: 0.47) was used as a target. Then, in the film forming chamber to which the PZT target is attached, the silicon substrate on which the iridium alloy thin film is formed is preliminarily heated to a temperature of 580 ° C., and a mixed gas of argon and oxygen is used as a sputtering gas. A PZT thin film was formed for 50 minutes at a mixing ratio of argon: oxygen = 79: 1, a flow rate of 40 ml / min, a sputtering gas pressure of 0.15 Pa, and a plasma generation power of 3 kW. During the film formation, the silicon substrate was held in a sputtering apparatus so as to be in a potential state that was electrically floated from the ground potential.

さらに、第2の電極膜4を、上記実施形態と同じ厚み0.25μmの白金薄膜として、RFスパッタ法によって形成した。   Furthermore, the second electrode film 4 was formed by RF sputtering as a platinum thin film having the same thickness of 0.25 μm as in the above embodiment.

尚、上記PZT薄膜の膜厚と結晶構造を正確に求めるために、PZT薄膜を形成した後に第2の電極膜4を形成せずに成膜工程を打ち切った積層膜試料も同時に作製した。この試料についてX線回折及びX線マイクロアナライザーによる組成分析を行った後、それを破壊してその破断面を走査型電子顕微鏡で観察することによって膜厚も正確に測定した。   In addition, in order to accurately obtain the thickness and crystal structure of the PZT thin film, a laminated film sample was formed at the same time after the PZT thin film was formed and the film forming process was terminated without forming the second electrode film 4. The sample was subjected to composition analysis by X-ray diffraction and an X-ray microanalyzer, and then the film thickness was also accurately measured by breaking it and observing the fracture surface with a scanning electron microscope.

上記試料をX線回折法によって解析した結果、PZT薄膜は、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型結晶構造の膜であった(<001>軸が膜表面に垂直な方向を向いた構造の薄膜)。ここで、(001)面結晶配向率は、薄膜のX線回折パターンの(001)面、(100)面、(010)面、(110)面、(011)面、(101)面及び(111)面のピーク強度の合計に対する(001)面のピーク強度の割合(百分率)である。   As a result of analyzing the above sample by X-ray diffraction, the PZT thin film was a film having a perovskite crystal structure with a preferential orientation on the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) (<001> axis is A thin film that is oriented perpendicular to the film surface. Here, the (001) plane crystal orientation ratio is defined by the (001) plane, (100) plane, (010) plane, (110) plane, (011) plane, (101) plane, and (101) of the X-ray diffraction pattern of the thin film. This is the ratio (percentage) of the peak intensity of the (001) plane to the total peak intensity of the (111) plane.

また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、PZT薄膜の組成は、Pb:Zr:Ti=0.99:0.53:0.47であった。つまり、化学組成式で表記すると、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.01(すなわち、Pb0.99(Zr0.53Ti0.47)O3)となり、ターゲット組成に比較してZr及びTiの組成は変わらず、Pb組成は、1.00よりも低い状態になっていることが分かった。 Further, as a result of composition analysis using an X-ray microanalyzer, the composition of the PZT thin film was Pb: Zr: Ti = 0.99: 0.53: 0.47. That is, when expressed in the chemical composition formula, Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation, x = 0.01 (that is, Pb 0.99 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 ). It was found that the composition of Zr and Ti did not change compared to the target composition, and the Pb composition was lower than 1.00.

さらに、上記試料の破断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、PZT薄膜の膜厚は3.5μmであった。   Furthermore, as a result of observing the fracture surface of the sample with a scanning electron microscope, the film thickness of the PZT thin film was 3.5 μm.

上記のようにして作製した圧電体素子20の評価を行った。すなわち、圧電体素子20の第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、リード線7,8を介して最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加し、レーザードップラ振動変位測定装置を用いて、圧電体素子20の先端のZ軸方向における上下運動の変位量を測定した。   The piezoelectric element 20 produced as described above was evaluated. That is, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 of the piezoelectric element 20 via the lead wires 7 and 8, and laser Doppler is applied. The amount of vertical movement displacement in the Z-axis direction at the tip of the piezoelectric element 20 was measured using a vibration displacement measuring device.

図3に、周波数2kHzの三角波電圧を印加した場合における圧電体素子20の先端のZ軸方向の上下運動変位量を示す。同図に示すように、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、この圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−7.2μmまで変位した。   FIG. 3 shows the amount of vertical movement displacement in the Z-axis direction at the tip of the piezoelectric element 20 when a triangular wave voltage with a frequency of 2 kHz is applied. As shown in the figure, when the applied voltage changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −7.2 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記作製した圧電体素子20を、温度35℃で相対湿度80%の雰囲気に保持した恒温高湿容器に入れて、第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に35Vの直流電圧を印加して、200時間の耐久試験を行った。そして、電圧印加開始からの経過時間とそのときのリーク電流値とを測定した。   Further, the produced piezoelectric element 20 is placed in a constant temperature and high humidity container maintained at 35 ° C. in an atmosphere with a relative humidity of 80%, and 35 V is provided between the first electrode film 2 and the second electrode film 4. A 200-hour endurance test was conducted by applying a DC voltage of. Then, the elapsed time from the start of voltage application and the leakage current value at that time were measured.

この耐久試験の結果、リーク電流値は、測定開始時は0.3nA、1時間後は0.8nA、100時間後は3nA、200時間後は3nAとなり、3nAを越えるリーク電流値は見られず、信頼性が極めて良好であることが分かった。   As a result of this endurance test, the leak current value was 0.3 nA at the start of measurement, 0.8 nA after 1 hour, 3 nA after 100 hours, 3 nA after 200 hours, and no leak current value exceeding 3 nA was observed. The reliability was found to be very good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例2)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)形成の際のスパッタリングによる成膜条件のスパッタガス圧力を0.12Paに変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 2)
In the present embodiment, the sputtering gas pressure of the film formation condition by sputtering when forming the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) is changed to 0.12 Pa, and the piezoelectric element 20 is formed in the same manner as in the first embodiment. Produced.

こうして得られた圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.03(すなわち、Pb0.97(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.5μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus obtained was a perovskite crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) as a result of analysis by X-ray diffraction. . Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.03 (that is, Pb 0.97 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Further, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.5 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−7.2μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −7.2 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、3nA及び3nAであり、実施例1の圧電体素子20と同等の信頼性があることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leak current values after 200 hours and 0.3 nA were 0.3 nA, 0.8 nA, 3 nA, and 3 nA, respectively, and it was found that there was reliability equivalent to that of the piezoelectric element 20 of Example 1.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例3)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)形成の際のスパッタリングによる成膜条件のスパッタガス圧力を0.09Paに変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 3)
In this example, the sputtering gas pressure of the film formation condition by sputtering at the time of forming the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) was changed to 0.09 Pa. Produced.

こうして得られた圧電体薄膜3のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.04(すなわち、Pb0.96(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.7μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric thin film 3 thus obtained was a perovskite crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) as a result of analysis by X-ray diffraction. . Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.04 (that is, Pb 0.96 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.7 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−7.0μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −7.0 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.4nA、0.8nA、3nA及び3nAであり、実施例1の圧電体素子20と同等の信頼性があることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leakage current values after 200 hours and 0.4 nA were 0.4 nA, 0.8 nA, 3 nA, and 3 nA, respectively, and it was found that there was reliability equivalent to that of the piezoelectric element 20 of Example 1.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例4)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)形成の際のスパッタリングによる成膜条件のスパッタガス圧力を、使用したRFマグネトロンスパッタ装置において安定したプラズマ発生の限界に近い値である0.07Paに変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
Example 4
In this embodiment, the sputtering gas pressure under the film forming conditions by sputtering when forming the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) is set to 0.07 Pa, which is a value close to the limit of stable plasma generation in the RF magnetron sputtering apparatus used. Otherwise, the piezoelectric element 20 was manufactured in the same manner as in Example 1 above.

こうして得られた圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.04(すなわち、Pb0.96(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.8μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus obtained was a perovskite crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) as a result of analysis by X-ray diffraction. . Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.04 (that is, Pb 0.96 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.8 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−6.9μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −6.9 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、3nA及び3nAであり、実施例1の圧電体素子20と同等の信頼性があることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leak current values after 200 hours and 0.3 nA were 0.3 nA, 0.8 nA, 3 nA, and 3 nA, respectively, and it was found that there was reliability equivalent to that of the piezoelectric element 20 of Example 1.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例5)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)のスパッタリングでの成膜におけるスパッタ時間を30分間に変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 5)
In this example, the piezoelectric element 20 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the sputtering time in the film formation by sputtering of the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) was changed to 30 minutes.

こうして得られた圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率95%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.01(すなわち、Pb0.99(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は2.0μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus obtained was a perovskite type crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 95%) as a result of analysis by X-ray diffraction. . Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.01 (that is, Pb 0.99 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of scanning electron microscope observation, the thickness of the PZT thin film was 2.0 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−15Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−15Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−4.0μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −15 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20, so When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0V to −15V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −4.0 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.5nA、2.2nA、5nA及び5nAであり、信頼性が良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leakage current values after 200 hours were 0.5 nA, 2.2 nA, 5 nA and 5 nA, respectively, and it was found that the reliability was good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例6)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)のスパッタリングでの成膜におけるスパッタ時間を85分間に変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 6)
In this example, the piezoelectric element 20 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the sputtering time in the film formation by sputtering of the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) was changed to 85 minutes.

こうして得られた圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.01(すなわち、Pb0.99(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は6.0μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus obtained was a perovskite crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) as a result of analysis by X-ray diffraction. . Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.01 (that is, Pb 0.99 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 6.0 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−40Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−40Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−11.6μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −40 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −40V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −11.6 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、1.0nA、3nA及び3nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leak current values after 200 hours were 0.3 nA, 1.0 nA, 3 nA and 3 nA, respectively, and it was found that the reliability was extremely good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例7)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)のスパッタリングでの成膜方法を以下のようにして、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 7)
In this example, the piezoelectric element 20 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the film formation method by sputtering of the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) was as follows.

すなわち、本実施例では、PZT薄膜を、RFマグネトロンスパッタ装置を用いて形成する際、ターゲットとして、6インチ径で化学量論組成よりもPb過剰のPZTからなる焼結体ターゲット(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)を用いた。そして、このPZTのターゲットを取り付けた成膜室の中で、第1の電極膜2(イリジウム合金薄膜)を形成したシリコン基板を、金属製の基板ホルダーに取り付け、この基板ホルダーにアース線を取り付けて接地電位にした。これにより、PZT薄膜を形成するシリコン基板を接地電位と同じ電位状態にした。続いて、シリコン基板を予め560℃の温度に加熱保持し、スパッタガスにアルゴンと酸素との混合ガスを用い、その混合比をアルゴン:酸素=79:1に、流量を毎分40mlに、そのスパッタガス圧力を0.30Paにして、プラズマ発生電力を3kWにして、50分間、PZT薄膜を成膜した。   That is, in this embodiment, when forming a PZT thin film using an RF magnetron sputtering apparatus, a sintered body target (composition molar ratio Pb) composed of PZT having a 6-inch diameter and Pb excess than the stoichiometric composition is used as a target. : Zr: Ti = 1.20: 0.53: 0.47). Then, in the film forming chamber to which the PZT target is attached, the silicon substrate on which the first electrode film 2 (iridium alloy thin film) is formed is attached to the metal substrate holder, and the ground wire is attached to the substrate holder. To ground potential. As a result, the silicon substrate on which the PZT thin film was formed was brought into the same potential as the ground potential. Subsequently, the silicon substrate is heated and held in advance at a temperature of 560 ° C., a mixed gas of argon and oxygen is used as the sputtering gas, the mixing ratio is argon: oxygen = 79: 1, and the flow rate is 40 ml / min. A PZT thin film was formed for 50 minutes at a sputtering gas pressure of 0.30 Pa and a plasma generation power of 3 kW.

このようにして作製した圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率90%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.08(すなわち、Pb0.92(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.2μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus fabricated is a perovskite crystal structure film preferentially oriented on the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 90%) as a result of analysis by X-ray diffraction. there were. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.08 (that is, Pb 0.92 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.2 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−6.5μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −6.5 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.9nA、2nA及び2nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leakage current values after 200 hours were 0.3 nA, 0.9 nA, 2 nA and 2 nA, respectively, and it was found that the reliability was extremely good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例8)
本実施例では、基板1をパイレックスガラス基板(コーニング#7059)に変更して、その他は上記実施例7と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 8)
In this example, the substrate 1 was changed to a Pyrex glass substrate (Corning # 7059), and the others were produced in the same manner as in Example 7 described above.

こうして得られた圧電体素子20の圧電体薄膜3(PZT薄膜)は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率92%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.08(すなわち、Pb0.92(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.3μmであった。 The piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) of the piezoelectric element 20 thus obtained is a perovskite type that is preferentially oriented to the (001) plane (92% (001) plane crystal orientation) as a result of analysis by X-ray diffraction. It was a crystal structure film. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.08 (that is, Pb 0.92 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.3 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−9.3μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −9.3 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、2nA及び2nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leak current values after 200 hours were 0.3 nA, 0.8 nA, 2 nA and 2 nA, respectively, and it was found that the reliability was very good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例9)
本実施例では、基板1を、鏡面研磨された、セラミック材料であるアルミナ焼結体基板に変更して、その他は上記実施例7と同様にして圧電体素子20を作製した。
Example 9
In this example, the substrate 1 was changed to a mirror-polished alumina sintered body substrate made of a ceramic material, and the others were the same as in Example 7 to produce the piezoelectric element 20.

こうして得られた圧電体素子20の圧電体薄膜3(PZT薄膜)は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率92%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.08(すなわち、Pb0.92(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.2μmであった。 The piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) of the piezoelectric element 20 thus obtained is a perovskite type that is preferentially oriented to the (001) plane (92% (001) plane crystal orientation) as a result of analysis by X-ray diffraction. It was a crystal structure film. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.08 (that is, Pb 0.92 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.2 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−5.0μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −5.0 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、2nA及び2nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leak current values after 200 hours were 0.3 nA, 0.8 nA, 2 nA and 2 nA, respectively, and it was found that the reliability was very good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例10)
本実施形態では、圧電体薄膜3を、PZTにLa、Sr、Mg及びNbが添加されたPZT系酸化物とし、この圧電体薄膜3(PZT系酸化物)形成の際のスパッタターゲットに、La、Sr、Mg及びNbが添加された化学量論組成のPZT系酸化物の焼結体ターゲット(6インチ径)を用いて、その他は上記実施例2と同様にして圧電体素子20を作製した。上記ターゲットは、(Pb0.94La0.01Sr0.05)(Zr0.50Ti0.46Mg0.02Nb0.02)O3なる化学組成のものである。
(Example 10)
In this embodiment, the piezoelectric thin film 3 is a PZT-based oxide in which La, Sr, Mg, and Nb are added to PZT, and a Lat is used as a sputtering target when the piezoelectric thin film 3 (PZT-based oxide) is formed. A piezoelectric element 20 was fabricated in the same manner as in Example 2 except that a PZT oxide sintered body target (6 inch diameter) having a stoichiometric composition to which Sr, Mg, and Nb were added. . The target has a chemical composition of (Pb 0.94 La 0.01 Sr 0.05 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Mg 0.02 Nb 0.02 ) O 3 .

こうして得られた圧電体素子20のPZT系酸化物薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率89%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3表記(Aはペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンであり、Bはペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンである)で、x=0.03(すなわち、(Pb0.91La0.01Sr0.05)(Zr0.50Ti0.46Mg0.02Nb0.02)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT系酸化物薄膜の膜厚は3.4μmであった。 The PZT-based oxide thin film of the piezoelectric element 20 obtained in this manner is a perovskite-type crystal structure film that is preferentially oriented on the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 89%) as a result of analysis by the X-ray diffraction method. Met. In addition, as a result of compositional analysis by an X-ray microanalyzer, (Pb (1-xy) A y ) (Zr (1-st) Ti s B t ) O 3 notation (A is added to the A site of the perovskite crystal structure) It is a metal ion, B is an added metal ion that enters the B site of the perovskite crystal structure, and x = 0.03 (that is, (Pb 0.91 La 0.01 Sr 0.05 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Mg 0.02 Nb 0.02 ) O 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT-based oxide thin film was 3.4 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−8.5μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20, so When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −8.5 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.4nA、1.2nA、5nA及び5nAであり、信頼性が良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leakage current values after 200 hours and 200 hours were 0.4 nA, 1.2 nA, 5 nA, and 5 nA, respectively, and it was found that the reliability was good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例11)
本実施例では、圧電体薄膜3を、PZTにCa、Ni、Mn及びNbが添加されたPZT系酸化物とし、この圧電体薄膜3(PZT系酸化物)形成の際のスパッタターゲットに、Ca、Ni、Mn及びNbが添加された化学量論組成のPZT系酸化物の焼結体ターゲット(6インチ径)を用いて、その他は上記実施例2と同様にして圧電体素子20を作製した。上記ターゲットは、(Pb0.98Ca0.02)(Zr0.50Ti0.46Ni0.01Mn0.01Nb0.02)O3なる化学組成のものである。
(Example 11)
In this embodiment, the piezoelectric thin film 3 is a PZT-based oxide in which Ca, Ni, Mn and Nb are added to PZT, and the sputtering target when this piezoelectric thin film 3 (PZT-based oxide) is formed is Ca. A piezoelectric element 20 was fabricated in the same manner as in Example 2 except that a sintered target (6 inch diameter) of PZT oxide having a stoichiometric composition to which Ni, Mn, and Nb were added was used. . The target has a chemical composition of (Pb 0.98 Ca 0.02 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Ni 0.01 Mn 0.01 Nb 0.02 ) O 3 .

こうして得られた圧電体素子20のPZT系酸化物薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率85%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3表記(Aはペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンであり、Bはペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンである)で、x=0.02(すなわち、(Pb0.96Ca0.02)(Zr0.50Ti0.46Ni0.01Mn0.01Nb0.02)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT系酸化物薄膜の膜厚は3.3μmであった。 The PZT-based oxide thin film of the piezoelectric element 20 obtained in this way is a perovskite type crystal structure film that is preferentially oriented on the (001) plane (85% (001) plane crystal orientation ratio) as a result of analysis by X-ray diffraction method. Met. In addition, as a result of compositional analysis by an X-ray microanalyzer, (Pb (1-xy) A y ) (Zr (1-st) Ti s B t ) O 3 notation (A is added to the A site of the perovskite crystal structure) It is a metal ion, B is an added metal ion that enters the B site of the perovskite crystal structure, and x = 0.02 (that is, (Pb 0.96 Ca 0.02 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Ni 0.01 Mn 0.01 Nb 0.02 )) O 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT-based oxide thin film was 3.3 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−8.2μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −8.2 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.4nA、1.2nA、5nA及び5nAであり、信頼性が良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leakage current values after 200 hours and 200 hours were 0.4 nA, 1.2 nA, 5 nA, and 5 nA, respectively, and it was found that the reliability was good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例12)
本実施例では、圧電体薄膜3を、PZTにBi、Fe及びNbが添加されたPZT系酸化物とし、この圧電体薄膜3(PZT系酸化物)形成の際のスパッタターゲットに、Bi、Fe及びNbが添加された化学量論組成のPZT系酸化物の焼結体ターゲット(6インチ径)を用いて、その他は上記実施例7と同様にして圧電体素子20を作製した。上記ターゲットは、(Pb0.99Bi0.01)(Zr0.50Ti0.46Fe0.02Nb0.02)O3なる化学組成のものである。
(Example 12)
In this embodiment, the piezoelectric thin film 3 is a PZT-based oxide in which Bi, Fe, and Nb are added to PZT, and Bi, Fe are used as sputtering targets when the piezoelectric thin film 3 (PZT-based oxide) is formed. A piezoelectric element 20 was manufactured in the same manner as in Example 7 except that a PZT oxide sintered body target (6 inch diameter) having a stoichiometric composition to which Nb was added. The target has a chemical composition of (Pb 0.99 Bi 0.01 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Fe 0.02 Nb 0.02 ) O 3 .

こうして得られた圧電体素子20のPZT系酸化物薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率93%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3表記(Aはペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンであり、Bはペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンである)で、x=0.08(すなわち、(Pb0.91Bi0.01)(Zr0.50Ti0.46Fe0.02Nb0.02)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT系酸化物薄膜の膜厚は3.4μmであった。 As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the PZT-based oxide thin film of the piezoelectric element 20 obtained in this way has a perovskite crystal structure film preferentially oriented on the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 93%). Met. In addition, as a result of compositional analysis by an X-ray microanalyzer, (Pb (1-xy) A y ) (Zr (1-st) Ti s B t ) O 3 notation (A is added to the A site of the perovskite crystal structure) It is a metal ion, B is an added metal ion that enters the B site of the perovskite crystal structure, and x = 0.08 (that is, (Pb 0.91 Bi 0.01 ) (Zr 0.50 Ti 0.46 Fe 0.02 Nb 0.02 ) O 3 )Met. Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT-based oxide thin film was 3.4 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−8.4μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the motion was measured, when the applied voltage changed from 0V to −25V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −8.4 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、1.0nA、3.2nA、6nA及び6nAであり、信頼性が良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. The leakage current values after 200 hours and 200 hours were 1.0 nA, 3.2 nA, 6 nA, and 6 nA, respectively, and it was found that the reliability was good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例13)
本実施例では、圧電体薄膜3(PZT薄膜)のスパッタリングでの成膜方法を以下のようにして、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 13)
In this example, the piezoelectric element 20 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the film formation method by sputtering of the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) was as follows.

すなわち、本実施例では、PZT薄膜を、RFマグネトロンスパッタ装置を用いて形成する際、ターゲットとして、化学量論組成よりもPb過剰のPZTからなる6インチ径の焼結体ターゲット(組成モル比Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)を用いた。そして、このPZTのターゲットを取り付けた成膜室の中で、第1の電極膜2(イリジウム合金薄膜)を形成したシリコン基板を金属製の基板ホルダーに取り付け、この基板ホルダーにリード線の一端部を取り付け、このリード線の他端部を直流電源に接続して、この直流電源により、基板ホルダー(つまりシリコン基板)に、接地電位に対して−200Vの負バイアス電圧を印加するようにした。これにより、PZT薄膜を形成するシリコン基板を、接地電位に対して−200Vの電位状態に保持した。続いて、シリコン基板を予め560℃の温度に加熱保持し、スパッタガスにアルゴンと酸素との混合ガスを用い、その混合比をアルゴン:酸素=79:1にし、その流量を毎分40mlにし、そのスパッタガス圧力を0.30Paにし、プラズマ発生電力を3kWにして、50分間、PZT薄膜を成膜した。   That is, in this example, when a PZT thin film is formed using an RF magnetron sputtering apparatus, a 6-inch diameter sintered body target (composition molar ratio Pb) composed of PZT having a Pb excess over the stoichiometric composition as a target. : Zr: Ti = 1.20: 0.53: 0.47). In the film forming chamber to which the PZT target is attached, the silicon substrate on which the first electrode film 2 (iridium alloy thin film) is formed is attached to a metal substrate holder, and one end of a lead wire is attached to the substrate holder. The other end of the lead wire was connected to a DC power source, and a negative bias voltage of −200 V with respect to the ground potential was applied to the substrate holder (that is, the silicon substrate) by the DC power source. As a result, the silicon substrate on which the PZT thin film was formed was held at a potential state of −200 V with respect to the ground potential. Subsequently, the silicon substrate is heated and held in advance at a temperature of 560 ° C., a mixed gas of argon and oxygen is used as the sputtering gas, the mixing ratio is argon: oxygen = 79: 1, and the flow rate is 40 ml per minute, The sputtering gas pressure was 0.30 Pa, the plasma generation power was 3 kW, and a PZT thin film was formed for 50 minutes.

このようにして作製した圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率96%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.13(すなわち、Pb0.87(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.1μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus fabricated is a perovskite type crystal structure film preferentially oriented on the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio of 96%) as a result of analysis by X-ray diffraction. there were. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.13 (that is, Pb 0.87 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.1 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−6.2μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −6.2 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、2nA及び2nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leak current values after 200 hours were 0.3 nA, 0.8 nA, 2 nA and 2 nA, respectively, and it was found that the reliability was very good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(実施例14)
本実施例では、上記実施例13において、圧電体薄膜3(PZT薄膜)のスパッタリング成膜時の基板に印加する負バイアス電圧を−300Vに変えて、その他は実施例13と同様にして圧電体素子20を作製した。
(Example 14)
In this embodiment, the piezoelectric body is the same as in Embodiment 13 except that the negative bias voltage applied to the substrate during sputtering film formation of the piezoelectric thin film 3 (PZT thin film) is changed to −300V. Element 20 was produced.

このようにして作製した圧電体素子20のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率97%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.15(すなわち、Pb0.85(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は2.9μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element 20 thus fabricated is a perovskite type crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 97%) as a result of analysis by X-ray diffraction. there were. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.15 (that is, Pb 0.85 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 2.9 μm.

そして、上記圧電体素子20における第1の電極膜2と第2の電極膜4との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子20の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子20の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−6.4μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film 2 and the second electrode film 4 in the piezoelectric element 20 so that the top and bottom of the piezoelectric element 20 are When the displacement amount of the movement was measured, when the applied voltage changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element 20 was linearly displaced from 0 μm to −6.4 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子20を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時、1時間後、100時間後及び200時間後のリーク電流値は、それぞれ、0.3nA、0.8nA、2nA及び2nAであり、信頼性が極めて良好であることが分かった。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element 20 in a constant temperature and high humidity container having a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80%, as in Example 1, the measurement was started, 1 hour later, 100 hours later. And the leak current values after 200 hours were 0.3 nA, 0.8 nA, 2 nA and 2 nA, respectively, and it was found that the reliability was very good.

さらに、上記の200時間耐久試験後における圧電体素子20の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、クラックや着色等の変化は見られなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element 20 after the 200-hour durability test was observed with an optical microscope, changes such as cracks and coloring were not observed.

さらにまた、200時間耐久試験後における圧電体素子20を、耐久試験前と同じ三角波電圧を印加して駆動させ、印加電圧と変位量との関係を確認したところ、耐久試験前と同じ特性が得られ、劣化のないことが確認できた。   Furthermore, when the piezoelectric element 20 after the 200-hour endurance test was driven by applying the same triangular wave voltage as before the endurance test and the relationship between the applied voltage and the displacement amount was confirmed, the same characteristics as before the endurance test were obtained. It was confirmed that there was no deterioration.

(比較例1)
ここで、比較のために、Pb組成が化学量論組成よりも過剰であるPZTからなる圧電体薄膜を備えた圧電体素子を作製した。すなわち、圧電体薄膜(PZT薄膜)形成の際のスパッタターゲットに、Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47のモル比の組成(Pb過剰組成)のPZT焼結体ターゲットを用い、スパッタ時間を50分間にして、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子を作製した。
(Comparative Example 1)
Here, for comparison, a piezoelectric element including a piezoelectric thin film made of PZT having a Pb composition in excess of the stoichiometric composition was produced. That is, a PZT sintered body target having a composition (Pb excess composition) in a molar ratio of Pb: Zr: Ti = 1.20: 0.53: 0.47 is used as a sputtering target when forming a piezoelectric thin film (PZT thin film). A piezoelectric element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that sputtering time was 50 minutes.

こうして得られた圧電体素子のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率99%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=−0.10(すなわち、Pb1.1(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.8μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element thus obtained was a perovskite type crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 99%) as a result of analysis by X-ray diffraction. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = −0.10 (that is, Pb 1.1 (Zr 0.53 Ti 0.47 )) in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. O 3 ). Furthermore, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.8 μm.

そして、上記圧電体素子における第1の電極膜と第2の電極膜との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−8.7μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film and the second electrode film in the piezoelectric element, and the displacement amount of the vertical movement of the tip of the piezoelectric element. When the applied voltage was changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element was linearly displaced from 0 μm to −8.7 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時のリーク電流値は、0.5nAであったが、1時間後の測定では、リーク電流値は、10000nA(=10mA)であり、100時間後は100mA以上を示して絶縁性が破壊されていた。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element in a constant temperature and high humidity container at a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80% as in Example 1, the leak current value at the start of measurement was 0.5 nA. However, in the measurement after 1 hour, the leak current value was 10000 nA (= 10 mA), and after 100 hours, it showed 100 mA or more and the insulation was broken.

さらに、上記の100時間耐久試験後における圧電体素子の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、表面の至る所が黒色に着色しており、その黒色着色部分に無数の凹部が観察された。また、この100時間耐久試験後における圧電体素子は、上記の如く電流リークが激しいために、駆動試験を行うことができなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element after the 100-hour durability test was observed with an optical microscope, the entire surface was colored black, and numerous indentations were observed in the black colored portion. It was. Further, the piezoelectric element after the 100-hour endurance test could not be subjected to a driving test because of a large current leak as described above.

(比較例2)
この比較例2では、圧電体薄膜(PZT薄膜)形成の際のスパッタリングによる成膜条件のスパッタガス圧力を0.2Paに変更して、その他は上記実施例1と同様にして圧電体素子を作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a piezoelectric element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the sputtering gas pressure was changed to 0.2 Pa for the film forming conditions by sputtering when forming the piezoelectric thin film (PZT thin film). did.

こうして得られた圧電体素子のPZT薄膜は、X線回折法による解析の結果、(001)面に優先配向((001)面結晶配向率97%)したペロブスカイト型の結晶構造膜であった。また、X線マイクロアナライザーによる組成分析の結果、Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3表記で、x=0.00(すなわち、Pb1.00(Zr0.53Ti0.47)O3)であった。さらに、走査型電子顕微鏡観察の結果、PZT薄膜の膜厚は3.5μmであった。 The PZT thin film of the piezoelectric element thus obtained was a perovskite type crystal structure film preferentially oriented to the (001) plane ((001) plane crystal orientation ratio 97%) as a result of analysis by X-ray diffraction. Further, as a result of the composition analysis by the X-ray microanalyzer, x = 0.00 (that is, Pb 1.00 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O in Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 notation. 3 ). Further, as a result of observation with a scanning electron microscope, the thickness of the PZT thin film was 3.5 μm.

そして、上記圧電体素子における第1の電極膜と第2の電極膜との間に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vの三角波電圧を印加して、圧電体素子の先端の上下運動の変位量を測定したところ、印加電圧が0Vから−25Vまで変化すると、圧電体素子の先端は印加電圧に比例して直線的に0μmから−7.6μmまで変位した。   Then, a triangular wave voltage having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V is applied between the first electrode film and the second electrode film in the piezoelectric element, and the displacement amount of the vertical movement of the tip of the piezoelectric element. When the applied voltage was changed from 0 V to −25 V, the tip of the piezoelectric element was linearly displaced from 0 μm to −7.6 μm in proportion to the applied voltage.

また、上記圧電体素子を、上記実施例1と同様に、温度35℃で相対湿度80%の恒温高湿容器での耐久試験を行った結果、測定開始時のリーク電流値は、0.5nAであったが、1時間後の測定では、リーク電流値は、10000nA(=10mA)であり、100時間後は100mA以上を示して絶縁性が破壊されていた。   Further, as a result of performing an endurance test on the piezoelectric element in a constant temperature and high humidity container at a temperature of 35 ° C. and a relative humidity of 80% as in Example 1, the leak current value at the start of measurement was 0.5 nA. However, in the measurement after 1 hour, the leakage current value was 10000 nA (= 10 mA), and after 100 hours, it showed 100 mA or more and the insulation was broken.

さらに、上記の100時間耐久試験後における圧電体素子の電極膜面の外観を光学顕微鏡で観察したところ、上記比較例1と同様に、表面の至る所が黒色に着色しており、その黒色着色部分に無数の凹部が観察された。また、この100時間耐久試験後における圧電体素子は、上記の如く電流リークが激しいために、駆動試験を行うことができなかった。   Furthermore, when the appearance of the electrode film surface of the piezoelectric element after the 100-hour endurance test was observed with an optical microscope, the entire surface was colored black as in Comparative Example 1, and the black coloring was observed. Innumerable recesses were observed in the part. Further, the piezoelectric element after the 100-hour endurance test could not be subjected to a driving test because of a large current leak as described above.

したがって、上記実施例1〜14のように圧電体薄膜3の鉛量を化学量論組成よりも少なくする(0<x≦0.15)ことで、絶縁破壊が生じず、高い信頼性を有することが分かる。   Therefore, the dielectric breakdown does not occur and high reliability is obtained by making the amount of lead of the piezoelectric thin film 3 smaller than the stoichiometric composition as in Examples 1 to 14 (0 <x ≦ 0.15). I understand that.

尚、本実施形態及び実施例では、基板1が、成膜用基板と振動板とを兼用するものであるとしたが、成膜用基板と振動板とを別個のものとしてもよい。この場合、基板1上に第1の電極膜2を形成し、この第1の電極膜2上に圧電体薄膜3を形成し、この圧電体薄膜3上に第2の電極膜4を形成し(基板1上に積層体10を形成し)、この第2の電極膜4上に振動板を形成し、これら全ての膜の成膜後に、上記基板1を除去するようにする。こうすると、振動板は、積層体10における第2の電極膜4側の面に配設されることになる。   In the present embodiment and examples, the substrate 1 is used as both a film formation substrate and a vibration plate. However, the film formation substrate and the vibration plate may be provided separately. In this case, the first electrode film 2 is formed on the substrate 1, the piezoelectric thin film 3 is formed on the first electrode film 2, and the second electrode film 4 is formed on the piezoelectric thin film 3. (The laminated body 10 is formed on the substrate 1), a vibration plate is formed on the second electrode film 4, and the substrate 1 is removed after all of these films are formed. Thus, the diaphragm is disposed on the surface of the laminate 10 on the second electrode film 4 side.

(実施形態2)
次に、本発明の圧電体素子の積層膜構成を用いたインクジェットヘッドについて説明する。
(Embodiment 2)
Next, an ink jet head using the laminated film configuration of the piezoelectric element of the present invention will be described.

図4は、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッド201を示す概略構成図である。図4に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド201は、複数個(図10では、10個)が列状に並んで配置された同形状のインク吐出素子202と、それらのインク吐出素子202を駆動するICチップ等の駆動電源素子203とで構成されている。   FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating the inkjet head 201 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the inkjet head 201 of the present embodiment includes a plurality of (10 in FIG. 10) ink ejection elements 202 having the same shape arranged in a line, and the ink ejection elements 202. And a driving power source element 203 such as an IC chip for driving the IC.

図5は、上記各インク吐出素子202の構成を示す一部破断した分解斜視図である。この図5において、Aはガラス製の圧力室部材であって、この圧力室部材Aには圧力室用開口部31が形成されている。Bは圧力室用開口部31の上端開口面(大きさ:短軸が200μm、長軸が400μmの楕円形状)を覆うように配置されたアクチュエータ部であり、Cは圧力室用開口部31の下端開口面を覆うように配置されたインク流路部材である。すなわち、圧力室部材Aの圧力室用開口部31は、その上下に位置するアクチュエータ部Bとインク流路部材Cとにより区画され、これにより圧力室32(深さ0.2mm)が形成されている。   FIG. 5 is an exploded perspective view, partly broken away, showing the configuration of each of the ink ejection elements 202 described above. In FIG. 5, A is a pressure chamber member made of glass, and a pressure chamber opening 31 is formed in the pressure chamber member A. B is an actuator portion arranged so as to cover the upper end opening surface of the pressure chamber opening 31 (size: an ellipse having a minor axis of 200 μm and a major axis of 400 μm), and C is the pressure chamber opening 31. It is an ink flow path member arranged so as to cover the lower end opening surface. That is, the pressure chamber opening 31 of the pressure chamber member A is partitioned by the actuator portion B and the ink flow path member C positioned above and below, thereby forming the pressure chamber 32 (depth 0.2 mm). Yes.

上記アクチュエータ部Bは、上記圧力室32の略真上に位置する第1の電極膜33(個別電極)を有している。また、インク流路部材Cには、インク供給方向に並ぶ複数個のインク吐出素子202の各圧力室32間で共用される共通液室35と、この共通液室35を圧力室32に連通させて、共通液室35のインクを圧力室32に供給するための供給口36と、圧力室32内のインクを吐出させるためのインク流路37とが形成されている。さらに、Dはノズル板であって、このノズル板Dには、インク流路37を介して圧力室32に連通するノズル38(直径30μmのノズル孔)が設けられている。そして、上記圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dが互いに接着剤によって接着されて、インク吐出素子202が構成されている。   The actuator part B has a first electrode film 33 (individual electrode) located almost directly above the pressure chamber 32. The ink flow path member C is connected to the common liquid chamber 35 shared between the pressure chambers 32 of the plurality of ink ejection elements 202 arranged in the ink supply direction, and the common liquid chamber 35 is communicated with the pressure chamber 32. A supply port 36 for supplying the ink in the common liquid chamber 35 to the pressure chamber 32 and an ink flow path 37 for discharging the ink in the pressure chamber 32 are formed. Further, D is a nozzle plate, and this nozzle plate D is provided with a nozzle 38 (nozzle hole having a diameter of 30 μm) communicating with the pressure chamber 32 via the ink flow path 37. Then, the pressure chamber member A, the actuator portion B, the ink flow path member C, and the nozzle plate D are bonded to each other with an adhesive to constitute the ink ejection element 202.

この実施形態では、上記圧力室部材A、アクチュエータ部B(第1の電極膜33及び圧電体薄膜41(図6参照)を除く)、インク流路部材C及びノズル板Dは、全てのインク吐出素子202に亘って一体形成されたものであり、1つの圧力室32と、この圧力室32に対応して設けられたノズル38、第1の電極膜33及び圧電体薄膜41とを含む部分をインク吐出素子202としている。尚、各インク吐出素子202を別個に形成してそれらを並べて結合したものであってもよい。また、インクジェットヘッド201は、複数個のインク吐出素子202で構成する必要はなく、1個のインク吐出素子202で構成したものであってもよい。   In this embodiment, the pressure chamber member A, the actuator portion B (excluding the first electrode film 33 and the piezoelectric thin film 41 (see FIG. 6)), the ink flow path member C, and the nozzle plate D are all ejected from the ink. A portion formed integrally with the element 202 includes a pressure chamber 32 and a nozzle 38, a first electrode film 33, and a piezoelectric thin film 41 provided corresponding to the pressure chamber 32. The ink ejection element 202 is used. In addition, each ink discharge element 202 may be formed separately, and they may be combined and arranged. Further, the inkjet head 201 does not need to be composed of a plurality of ink ejection elements 202, and may be composed of a single ink ejection element 202.

上記駆動電源素子203は、ボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子202のアクチュエータ部Bの各第1の電極膜33にそれぞれ連結されており、この駆動電源素子203から各第1の電極膜33に電圧を供給するようになっている。   The drive power supply element 203 is connected to each first electrode film 33 of the actuator portion B of the plurality of ink ejection elements 202 via bonding wires, and the first electrode film 33 is connected from the drive power supply element 203 to each first electrode film 33. To supply voltage.

次に、上記アクチュエータ部Bの構成について、図6を参照しながら説明する。図6は、図5で示すインク吐出素子202のアクチュエータ部BのVI−VI線断面図である。図6に示すように、このアクチュエータ部Bは、上記の如く各圧力室32の略真上にそれぞれ位置する第1の電極膜33と、この各第1の電極膜33上(同図では下側)に設けられた圧電体薄膜41と、この圧電体薄膜41上(同下側)に設けられ、全圧電体薄膜41(全インク吐出素子202)に共通となる第2の電極膜42(共通電極)と、この第2の電極膜42上(同下側)全体に設けられ、上記圧電体薄膜41の圧電効果により厚み方向に変位し振動する振動板43(この実施形態では、振動板膜)とを有している。この振動板43も、第2の電極膜42と同様に、各インク吐出素子202のそれぞれの圧力室32間で共用される(全てのインク吐出素子202に亘って一体形成されている)。   Next, the configuration of the actuator part B will be described with reference to FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI of the actuator portion B of the ink ejection element 202 shown in FIG. As shown in FIG. 6, the actuator portion B includes a first electrode film 33 positioned substantially directly above each pressure chamber 32 as described above, and on each first electrode film 33 (in FIG. And the second electrode film 42 (provided on the piezoelectric thin film 41 (on the lower side) and common to all the piezoelectric thin films 41 (all ink ejection elements 202)). And a diaphragm 43 (in this embodiment, a diaphragm) that is provided over the second electrode film 42 (on the lower side thereof) and is displaced in the thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 41 and vibrates. Film). Similarly to the second electrode film 42, the vibration plate 43 is also shared between the pressure chambers 32 of the respective ink ejection elements 202 (is integrally formed over all the ink ejection elements 202).

上記第1の電極膜33、圧電体薄膜41及び第2の電極膜42は、これらが順に積層されてなる積層体を構成し、この積層体と、該積層体の積層方向一方側(第2の電極膜42)の面に配設された振動板43とが、圧電体素子(圧電アクチュエータ)を構成することになる。   The first electrode film 33, the piezoelectric thin film 41, and the second electrode film 42 constitute a laminated body in which these are laminated in order, and this laminated body and one side in the laminating direction of the laminated body (second The vibration plate 43 disposed on the surface of the electrode film 42) constitutes a piezoelectric element (piezoelectric actuator).

上記第1の電極膜33は、上記実施形態1と同様に、膜厚が0.10μmであってコバルト(Co)を6モル%含むイリジウム合金薄膜とされている。尚、本実施形態においても、第1の電極膜33は、どのような金属で構成してもよいが、後述の如く該第1の電極膜33上に上記圧電体薄膜41を形成する際に該圧電体薄膜41の結晶配向を良好に制御できるようにするために、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(St)、バリウム(Ba)及びこれらの酸化物の群から選ばれた少なくとも1種の添加物が添加された貴金属からなっていることが好ましい。   As in the first embodiment, the first electrode film 33 is an iridium alloy thin film having a thickness of 0.10 μm and containing 6 mol% of cobalt (Co). In the present embodiment as well, the first electrode film 33 may be made of any metal, but when the piezoelectric thin film 41 is formed on the first electrode film 33 as will be described later. In order to control the crystal orientation of the piezoelectric thin film 41 satisfactorily, titanium (Ti), aluminum (Al), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), copper (Cu), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (St), barium (Ba) and a noble metal to which at least one additive selected from the group of these oxides is added. Is preferred.

上記圧電体薄膜41は、本実施形態では、Pb0.97(Zr0.53Ti0.47)O3で表記されるPZT薄膜とされている。尚、上記実施形態1で説明したように、圧電体薄膜41は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるPZT、又は、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるPZT系酸化物からなっていればよく、上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下(好ましくは0.03以上0.15以下)とされていればよい。
In the present embodiment, the piezoelectric thin film 41 is a PZT thin film represented by Pb 0.97 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 . As described in the first embodiment, the piezoelectric thin film 41 is an oxide having a perovskite crystal structure and has a chemical composition formula:
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
PZT represented by or
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
The value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition in the chemical composition formula of the above lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides. However, it should just be over 0 and 0.15 or less (preferably 0.03 or more and 0.15 or less).

また、上記チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式中のAは、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)及びカルシウム(Ca)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであることが好ましく、上記化学組成式中のBは、ニオブ(Nb)、マグネシウム(Mg)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであることが好ましい。   A in the chemical composition formula of the lead zirconate titanate-based oxide is at least one metal selected from the group consisting of lanthanum (La), strontium (Sr), bismuth (Bi), and calcium (Ca). Preferably, B in the chemical composition formula is at least one selected from the group consisting of niobium (Nb), magnesium (Mg), nickel (Ni), manganese (Mn), and iron (Fe). A metal ion is preferred.

さらに、上記圧電体薄膜41は、(001)面に優先配向していることが好ましく(本実施形態では、(001)面結晶配向率96%)、該圧電体薄膜41の厚みは、2μm以上6μm以下であることが好ましい(本実施形態では、5μmとする)。   Furthermore, the piezoelectric thin film 41 is preferably preferentially oriented in the (001) plane (in this embodiment, the (001) plane crystal orientation ratio is 96%), and the thickness of the piezoelectric thin film 41 is 2 μm or more. It is preferably 6 μm or less (in this embodiment, 5 μm).

上記第2の電極膜42は、膜厚0.15μmの白金薄膜とされている。尚、本実施形態においても、第2の電極膜42は、どのような金属で構成してもよい。   The second electrode film 42 is a platinum thin film having a thickness of 0.15 μm. In the present embodiment, the second electrode film 42 may be made of any metal.

上記振動板43は、本実施形態では、厚さ3.5μmのクロム(Cr)膜からなっている。尚、この振動板43の材料は、Crに限らず、ニッケル等の金属材料やシリコンであってもよく、ガラスやセラミックス材料であってもよい。   In the present embodiment, the diaphragm 43 is made of a chromium (Cr) film having a thickness of 3.5 μm. The material of the diaphragm 43 is not limited to Cr, but may be a metal material such as nickel, silicon, or glass or a ceramic material.

上記第2の電極膜42上における上記第1の電極膜33及び圧電体薄膜41の周囲には、上面が第1の電極膜33の高さと略同じになるようにポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜44が設けられており、この電気絶縁有機膜44の上面には、第1の電極膜33から延びるリード線形状の金薄膜(膜厚0.1μm)の引き出し電極膜45が形成されている。   Around the first electrode film 33 and the piezoelectric thin film 41 on the second electrode film 42, an electrically insulating organic material made of polyimide resin so that the upper surface is substantially the same as the height of the first electrode film 33. A lead electrode-shaped gold thin film (film thickness: 0.1 μm) extending from the first electrode film 33 is formed on the upper surface of the electrically insulating organic film 44. .

次に、上記インクジェットヘッド201の製造方法を図7により説明する。   Next, a method for manufacturing the inkjet head 201 will be described with reference to FIG.

すなわち、まず、図7(a)に示すように、縦20mm、横20mm、厚み0.3mmのシリコン基板51を用いて、上記実施形態1の実施例3と同様にして、シリコン基板51上に第1の電極膜33と圧電体薄膜41と第2の電極膜42とを順次積層して、構造体54を得る。   That is, first, as shown in FIG. 7A, a silicon substrate 51 having a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.3 mm is used to form a silicon substrate 51 on the silicon substrate 51 in the same manner as in Example 3 of the first embodiment. The first electrode film 33, the piezoelectric thin film 41, and the second electrode film 42 are sequentially stacked to obtain a structure 54.

続いて、図7(b)に示すように、上記構造体54の第2の電極膜42上に、RFスパッタ法を用い、室温でクロム膜からなる振動板43を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 7B, a diaphragm 43 made of a chromium film is formed on the second electrode film 42 of the structure 54 by using an RF sputtering method at room temperature.

次いで、図7(c)に示すように、上記振動板43を形成した構造体54を、接着剤(アクリル樹脂)55を用いて圧力室部材Aに接合する。すなわち、上記振動板43の第2の電極膜42とは反対側の面に、予め圧力室用開口部31を形成した圧力室部材Aを接合する。   Next, as shown in FIG. 7C, the structure 54 on which the diaphragm 43 is formed is joined to the pressure chamber member A using an adhesive (acrylic resin) 55. That is, the pressure chamber member A in which the pressure chamber opening 31 is formed in advance is bonded to the surface of the diaphragm 43 opposite to the second electrode film 42.

その後、図7(d)に示すように、プラズマ反応エッチング装置を用いて、上記シリコン基板51をSF6ガスを用いたドライエッチングにより除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 7D, the silicon substrate 51 is removed by dry etching using SF 6 gas using a plasma reaction etching apparatus.

次に、図7(e)に示すように、第1の電極膜33及び圧電体薄膜41を楕円形状パターン(大きさ:短軸が180μm、長軸が380μmの楕円形状)にパターニングするために、第1の電極膜33上の非エッチング部分に、フォトレジスト樹脂膜57を塗布する。   Next, as shown in FIG. 7E, in order to pattern the first electrode film 33 and the piezoelectric thin film 41 into an elliptical pattern (size: an elliptical shape having a minor axis of 180 μm and a major axis of 380 μm). A photoresist resin film 57 is applied to the non-etched portion on the first electrode film 33.

そして、図7(f)に示すように、Arガスのドライエッチングと弱フッ酸のウェットエッチングを用いてエッチング処理を行うことで、第1の電極膜33と圧電体薄膜41とをパターン化して個別化し、その後、図7(g)に示すように、レジスト剥離液で処理して、フォトレジスト樹脂膜57を除去する。   Then, as shown in FIG. 7F, the first electrode film 33 and the piezoelectric thin film 41 are patterned by performing an etching process using dry etching of Ar gas and wet etching of weak hydrofluoric acid. After that, as shown in FIG. 7G, the photoresist resin film 57 is removed by processing with a resist stripping solution.

続いて、図7(h)に示すように、上記のパターン化により露出した第2の電極膜42上に、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁有機膜44を印刷法によって形成し、さらに、図7(i)に示すように、この電気絶縁有機膜44の上面に、DCスパッタ法により金薄膜からなるリード線形状の引き出し電極膜45を形成し、これにより、アクチュエータ部Bが完成する。   Subsequently, as shown in FIG. 7 (h), an electrically insulating organic film 44 made of polyimide resin is formed on the second electrode film 42 exposed by the above patterning by a printing method. As shown in i), a lead wire-shaped lead electrode film 45 made of a gold thin film is formed on the upper surface of the electrically insulating organic film 44 by DC sputtering, whereby the actuator part B is completed.

一方、図示は省略するが、予め共通液室35、供給口36及びインク流路37を形成したインク流路部材Cと、予めノズル孔38を形成したノズル板Dとを接着剤を用いて接着しておく。そして、上記完成したアクチュエータ部Bと接合された圧力室部材Aと、ノズル板Dを接着したインク流路部材Cとのアライメント調整を行って、この両者を接着剤により接着する。こうしてインクジェットヘッド201が完成する。   On the other hand, although not shown, the ink flow path member C in which the common liquid chamber 35, the supply port 36, and the ink flow path 37 are formed in advance and the nozzle plate D in which the nozzle holes 38 are formed in advance are bonded using an adhesive. Keep it. Then, alignment adjustment of the pressure chamber member A joined to the completed actuator part B and the ink flow path member C to which the nozzle plate D is bonded is performed, and both are bonded by an adhesive. Thus, the inkjet head 201 is completed.

上記のように構成されたインクジェットヘッド201においては、駆動電源素子203からボンディングワイヤーを介して複数のインク吐出素子202の各第1の電極膜33に電圧が供給され、圧電体薄膜41の圧電効果によって共通電極である第2の電極膜42と接合された振動板43が厚み方向に変位し振動することにより、圧力室32の容積が増減し、圧力室32の容積が減少するときには該圧力室32内のインクがインク流路37を経由してノズル38から吐出される一方、圧力室32の容積が増大するときには共通液室35内のインクが供給口36を介して圧力室32に供給される。この場合、インクジェットヘッド201において、インク吐出素子202のアクチュエータ部Bを構成する圧電体薄膜41は、鉛量が化学量論組成よりも少ないことで、高湿度環境下で電圧を印加しても、電気絶縁性の劣化を起こさない。この結果、高い電圧を加えて駆動させても電気絶縁性の劣化に起因する故障が起こりにくく、これにより、圧電変位が低下することが少なく、信頼性の高い安定した駆動が可能になる。そして、圧電変位量が直接的にインク液の吐出能力に影響するので、電源電圧の調整により、複数個のインク吐出素子202の個々のインク液の吐出ばらつきが小さくなるように、容易にコントロールすることができる。   In the inkjet head 201 configured as described above, a voltage is supplied from the drive power supply element 203 to each of the first electrode films 33 of the plurality of ink ejection elements 202 via the bonding wires, and the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 41 is achieved. When the diaphragm 43 joined to the second electrode film 42, which is a common electrode, is displaced in the thickness direction and vibrates, the volume of the pressure chamber 32 increases or decreases, and when the volume of the pressure chamber 32 decreases, the pressure chamber While the ink in the liquid 32 is ejected from the nozzle 38 via the ink flow path 37, the ink in the common liquid chamber 35 is supplied to the pressure chamber 32 through the supply port 36 when the volume of the pressure chamber 32 increases. The In this case, in the inkjet head 201, the piezoelectric thin film 41 constituting the actuator portion B of the ink ejection element 202 has a lead amount smaller than the stoichiometric composition, so that even when a voltage is applied in a high humidity environment, Does not cause deterioration of electrical insulation. As a result, even when driven by applying a high voltage, failure due to deterioration of electrical insulation is unlikely to occur, and as a result, piezoelectric displacement is less likely to be reduced, and highly reliable and stable driving is possible. Since the amount of piezoelectric displacement directly affects the ink discharge capability, it is easily controlled by adjusting the power supply voltage so that the variation in discharge of individual ink liquids of the plurality of ink discharge elements 202 is reduced. be able to.

ここで、上記の製造方法によって、30個の同形状のインク吐出素子202を有するインクジェットヘッド201を実際に作製し、35℃80%の高湿度環境下において、圧電体薄膜41を挟む2つの電極膜33,42に、最大電圧0V及び最小電圧−25Vのサイン波形電圧(200Hz)を印加して、振動板43を10億回振動させたところ、全てのインク吐出素子202において不良の発生は見られなかった。   Here, the inkjet head 201 having 30 ink ejection elements 202 having the same shape is actually manufactured by the above manufacturing method, and two electrodes sandwiching the piezoelectric thin film 41 in a high humidity environment of 35 ° C. and 80%. When the diaphragms 43 are vibrated 1 billion times by applying a sine waveform voltage (200 Hz) having a maximum voltage of 0 V and a minimum voltage of −25 V to the films 33 and 42, occurrence of defects is observed in all the ink ejection elements 202. I couldn't.

尚、本実施形態では、基板51を成膜用基板のみとして用い、成膜後に除去するようにしたが、圧力室部材Aを成膜用基板と兼用するようにすることもできる。この場合、圧力室用開口部31を形成していない圧力室部材A上に、振動板43、第1の電極膜33(共通電極に相当)、圧電体薄膜41及び第2の電極膜42(個別電極に相当)を、この順に成膜し、成膜後に圧力室部材Aに圧力室用開口部31を形成するすればよい。こうすると、振動板43は、積層体における第1の電極膜33側の面に配設されることになる。   In the present embodiment, the substrate 51 is used only as a film formation substrate and is removed after the film formation. However, the pressure chamber member A can also be used as the film formation substrate. In this case, the diaphragm 43, the first electrode film 33 (corresponding to the common electrode), the piezoelectric thin film 41, and the second electrode film 42 (on the pressure chamber member A in which the pressure chamber opening 31 is not formed) The pressure chamber openings 31 may be formed in the pressure chamber member A after the film formation. In this way, the diaphragm 43 is disposed on the surface of the laminated body on the first electrode film 33 side.

(実施形態3)
図8は、本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置81を示し、このインクジェット式記録装置81は、上記実施形態2で説明したインクジェットヘッド201を備えている。このインクジェットヘッド201において圧力室32に連通するように設けたノズル38から該圧力室32内のインクを記録媒体82(記録紙等)に吐出させて着弾させることにより、記録を行うように構成されている。
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows an ink jet recording apparatus 81 according to an embodiment of the present invention, and the ink jet recording apparatus 81 includes the ink jet head 201 described in the second embodiment. In the inkjet head 201, recording is performed by ejecting ink in the pressure chamber 32 from a nozzle 38 provided to communicate with the pressure chamber 32 and landing on the recording medium 82 (recording paper or the like). ing.

上記インクジェットヘッド201は、主走査方向(図8に示すX方向)に延びるキャリッジ軸83に摺動可能に設けられたキャリッジ84に搭載されていて、このキャリッジ84がキャリッジ軸83に沿って往復動するのに応じて主走査方向Xに往復動するように構成されている。このことで、キャリッジ84は、インクジェットヘッド201と記録媒体82とを相対移動させる相対移動手段を構成するとともに、インクジェットヘッド201を所定方向(主走査方向X)に往復動させるヘッド移送手段を構成することになる。   The inkjet head 201 is mounted on a carriage 84 that is slidably provided on a carriage shaft 83 that extends in the main scanning direction (the X direction shown in FIG. 8). The carriage 84 reciprocates along the carriage shaft 83. In response to this, it is configured to reciprocate in the main scanning direction X. Thus, the carriage 84 constitutes a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 201 and the recording medium 82 and also constitutes a head transfer unit that reciprocates the inkjet head 201 in a predetermined direction (main scanning direction X). It will be.

また、このインクジェット式記録装置81は、上記記録媒体82をインクジェットヘッド201の主走査方向Xと略垂直方向の副走査方向(図8に示すY方向)に移動させる複数のローラ85を備えている。このことで、複数のローラ85は、インクジェットヘッド201と記録媒体82とを相対移動させる相対移動手段を構成するとともに、記録媒体82を上記所定方向と略垂直な方向(副走査方向Y)に移送する記録媒体移送手段を構成することになる。尚、図8中、Zは上下方向である。   In addition, the ink jet recording apparatus 81 includes a plurality of rollers 85 that move the recording medium 82 in the sub scanning direction (Y direction shown in FIG. 8) substantially perpendicular to the main scanning direction X of the ink jet head 201. . Accordingly, the plurality of rollers 85 constitute a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 201 and the recording medium 82, and transfers the recording medium 82 in a direction (sub-scanning direction Y) substantially perpendicular to the predetermined direction. The recording medium transporting means to be configured is configured. In FIG. 8, Z is the vertical direction.

そして、インクジェットヘッド201がキャリッジ84により主走査方向Xに移動しているときに、インクジェットヘッド201のノズル38からインクを記録媒体82に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ85により記録媒体82を所定量移動させて次の一走査の記録を行う。   When the ink jet head 201 is moved in the main scanning direction X by the carriage 84, ink is ejected from the nozzles 38 of the ink jet head 201 to the recording medium 82. The recording medium 82 is moved by a predetermined amount to perform the next one-scan recording.

以上のように、インクジェット式記録装置81を、複数個のインク吐出素子202間のインクの吐出ばらつきを容易にコントロールすることが可能な上記実施形態2の耐環境信頼性が高いインクジェットヘッド201を用いて構成することにより、紙等の記録媒体82に対する記録のばらつきを小さくすることができるとともに、信頼性の向上化を図ることができる。   As described above, the ink jet recording apparatus 81 uses the ink jet head 201 with high environmental reliability of the second embodiment that can easily control the ink discharge variation among the plurality of ink discharge elements 202. By configuring as described above, it is possible to reduce variations in recording on the recording medium 82 such as paper and to improve reliability.

(実施形態4)
図9は、本発明の実施形態に係る別のインクジェット式記録装置91を示す。このインクジェット式記録装置91は、上記実施形態2で説明したインクジェットヘッド201を複数(この実施形態では、13個)備えている。これら複数のインクジェットヘッド201が、所定方向(図9のX方向)に並んだ状態で互いに連結されて、インクジェットヘッド群からなるラインヘッド86を構成している。このラインヘッド86は、上記所定方向に延びる支持部材87によって支持されていて、記録媒体82の幅方向略全体に亘って設けられて、記録媒体82の幅方向略全体に同時にインクを吐出できるようになっている。
(Embodiment 4)
FIG. 9 shows another ink jet recording apparatus 91 according to the embodiment of the present invention. The ink jet recording apparatus 91 includes a plurality of ink jet heads 201 (13 in this embodiment) described in the second embodiment. The plurality of inkjet heads 201 are connected to each other in a state in which they are arranged in a predetermined direction (X direction in FIG. 9) to form a line head 86 including an inkjet head group. The line head 86 is supported by the support member 87 extending in the predetermined direction, and is provided over substantially the entire width direction of the recording medium 82 so that ink can be simultaneously ejected to substantially the entire width direction of the recording medium 82. It has become.

また、このインクジェット式記録装置91は、記録媒体82を上記所定方向と略垂直な方向(図9に示すY方向)に移動させる複数のローラ85を備えている。このことで、複数のローラ85は、記録媒体82を上記所定方向と略垂直な方向に移送することで、インクジェットヘッド201と記録媒体82とを相対移動させる相対移動手段を構成することになる。尚、図9中、Zは上下方向である。   The ink jet recording apparatus 91 includes a plurality of rollers 85 that move the recording medium 82 in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction (Y direction shown in FIG. 9). Thus, the plurality of rollers 85 constitute relative moving means for moving the inkjet head 201 and the recording medium 82 relative to each other by transferring the recording medium 82 in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction. In FIG. 9, Z is the vertical direction.

そして、このインクジェット式記録装置91は、記録媒体82がローラ85により移動しているときに、各インクジェットヘッド201のノズル38からインクを記録媒体82に吐出させて記録を行うように構成されている。   The ink jet recording apparatus 91 is configured to perform recording by ejecting ink from the nozzles 38 of the respective ink jet heads 201 to the recording medium 82 when the recording medium 82 is moved by the roller 85. .

したがって、本実施形態においても、上記実施形態3と同様に、上記実施形態2の耐環境信頼性が高いインクジェットヘッド201を用いるので、ラインヘッド86の各インクジェットヘッド201における複数個のインク吐出素子202間のインクの吐出ばらつきを容易にコントロールすることができ、これにより、紙等の記録媒体82に対する記録のばらつきを小さくすることができるとともに、信頼性の向上化を図ることができる。   Accordingly, in this embodiment as well as the third embodiment, since the inkjet head 201 having the high environmental resistance of the second embodiment is used, a plurality of ink ejection elements 202 in each inkjet head 201 of the line head 86 are used. It is possible to easily control the ink discharge variation during this period, thereby reducing the recording variation on the recording medium 82 such as paper, and improving the reliability.

本発明の圧電体素子は、インクジェットヘッド(インクジェット式記録装置)を初め、ジャイロ素子や、光スイッチ部品を代表とするMEMS(Micro Electro Mechanical System)デバイス等に有用である。   The piezoelectric element of the present invention is useful for an inkjet head (inkjet recording apparatus), a gyro element, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) device represented by an optical switch component, and the like.

本発明の実施形態に係る圧電体素子を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. 図1の圧電体素子の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the piezoelectric body element of FIG. 実施例1の圧電体素子において第1の電極膜と第2の電極膜との間に三角波電圧を印加したときの、圧電体素子の先端の変位量を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the amount of displacement of the tip of the piezoelectric element when a triangular wave voltage is applied between the first electrode film and the second electrode film in the piezoelectric element of Example 1. 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す概略図である。It is the schematic which shows the inkjet head which concerns on embodiment of this invention. 図4のインクジェットヘッドのインク吐出素子を示す一部破断した分解斜視図である。FIG. 5 is an exploded perspective view, partly broken away, showing an ink ejection element of the ink jet head of FIG. 4. 図5のVI−VI線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5. 図4のインクジェットヘッドの製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the inkjet head of FIG. 本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る別のインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows another inkjet recording device which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 第1の電極膜
3 圧電体薄膜
4 第2の電極膜
10 積層体
20 圧電体素子
32 圧力室
33 第1の電極膜(個別電極)
38 ノズル
41 圧電体薄膜
42 第2の電極膜(共通電極)
43 振動板
81 インクジェット式記録装置
82 記録媒体
84 キャリッジ(相対移動手段、ヘッド移送手段)
85 ローラ(相対移動手段、記録媒体移送手段)
86 ラインヘッド
201 インクジエツトヘツド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 1st electrode film 3 Piezoelectric thin film 4 2nd electrode film 10 Laminated body 20 Piezoelectric element 32 Pressure chamber 33 1st electrode film (individual electrode)
38 Nozzle 41 Piezoelectric thin film 42 Second electrode film (common electrode)
43 Diaphragm 81 Inkjet recording device 82 Recording medium 84 Carriage (relative movement means, head transfer means)
85 rollers (relative movement means, recording medium transfer means)
86 Line Head 201 Ink Jet Head

Claims (12)

第1の電極膜と圧電体薄膜と第2の電極膜とがこの順に積層されてなる積層体を備えた圧電体素子であって、
上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、
上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であることを特徴とする圧電体素子。
A piezoelectric element including a laminate in which a first electrode film, a piezoelectric thin film, and a second electrode film are laminated in this order,
The piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
In the above, lead zirconate titanate or A is an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure, and B is an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure,
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
It consists of a lead zirconate titanate oxide represented by
In the chemical composition formula of the lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition is more than 0 and 0.15 or less. Piezoelectric element.
チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式中のAは、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)及びカルシウム(Ca)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであり、
上記化学組成式中のBは、ニオブ(Nb)、マグネシウム(Mg)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)の群から選ばれた少なくとも1種の金属イオンであることを特徴とする請求項1記載の圧電体素子。
A in the chemical composition formula of the lead zirconate titanate oxide is at least one metal ion selected from the group consisting of lanthanum (La), strontium (Sr), bismuth (Bi), and calcium (Ca). ,
B in the above chemical composition formula is at least one metal ion selected from the group of niobium (Nb), magnesium (Mg), nickel (Ni), manganese (Mn) and iron (Fe). The piezoelectric element according to claim 1.
圧電体薄膜の厚みが2μm以上6μm以下であることを特徴とする請求項1記載の圧電体素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the thickness of the piezoelectric thin film is 2 μm or more and 6 μm or less. 圧電体薄膜は、(001)面に優先配向していることを特徴とする請求項1記載の圧電体素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is preferentially oriented in a (001) plane. 積層体の積層方向一方側の面に、振動板が配設されていることを特徴とする請求項1記載の圧電体素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein a vibration plate is disposed on a surface on one side in the stacking direction of the stack. 振動板は、シリコン、ガラス、セラミック材料及び金属材料の群から選ばれた少なくとも1種からなることを特徴とする請求項5記載の圧電体素子。   6. The piezoelectric element according to claim 5, wherein the diaphragm is made of at least one selected from the group consisting of silicon, glass, a ceramic material, and a metal material. 基板上に、第1の電極膜を形成する工程と、該第1の電極膜上に、圧電体薄膜をスパッタ法により形成する工程と、該圧電体薄膜上に、第2の電極膜を形成する工程とを含む圧電体素子の製造方法であって、
上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、
上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であり、
上記圧電体薄膜を形成する工程は、上記第1の電極膜を形成した基板を接地電位から電気的に浮かせた電位状態にしかつスパッタガス圧力を0.05Pa以上0.15Pa以下としたスパッタリング条件で圧電体薄膜を形成する工程であることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
Forming a first electrode film on the substrate; forming a piezoelectric thin film on the first electrode film by sputtering; forming a second electrode film on the piezoelectric thin film; A method of manufacturing a piezoelectric element including the step of:
The piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
In the above, lead zirconate titanate or A is an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure, and B is an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure,
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
It consists of a lead zirconate titanate oxide represented by
In the chemical composition formula of the lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency amount from the stoichiometric composition is more than 0 and 0.15 or less,
The step of forming the piezoelectric thin film is performed under sputtering conditions in which the substrate on which the first electrode film is formed is brought into a potential state that is electrically floated from a ground potential and the sputtering gas pressure is set to 0.05 Pa or more and 0.15 Pa or less. A method of manufacturing a piezoelectric element, which is a step of forming a piezoelectric thin film.
基板上に、第1の電極膜を形成する工程と、該第1の電極膜上に、圧電体薄膜をスパッタ法により形成する工程と、該圧電体薄膜上に、第2の電極膜を形成する工程とを含む圧電体素子の製造方法であって、
上記圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、
上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であり、
上記圧電体薄膜を形成する工程は、上記第1の電極膜を形成した基板に、該基板が接地電位と同じか又は接地電位よりも低い負の電位状態になるようにバイアス電圧を印加したスパッタリング条件で圧電体薄膜を形成する工程であることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
Forming a first electrode film on the substrate; forming a piezoelectric thin film on the first electrode film by sputtering; forming a second electrode film on the piezoelectric thin film; A method of manufacturing a piezoelectric element including the step of:
The piezoelectric thin film is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
In the above, lead zirconate titanate or A is an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure, and B is an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure,
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
It consists of a lead zirconate titanate oxide represented by
In the chemical composition formula of the lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency amount from the stoichiometric composition is more than 0 and 0.15 or less,
In the step of forming the piezoelectric thin film, sputtering is performed by applying a bias voltage to the substrate on which the first electrode film is formed so that the substrate is in a negative potential state that is the same as or lower than the ground potential. A method of manufacturing a piezoelectric element, characterized by being a step of forming a piezoelectric thin film under conditions.
第1の電極膜、圧電体薄膜及び第2の電極膜がこの順に積層されてなる積層体と該積層体の積層方向一方側の面に配設された振動板とを有する圧電体素子と、インクを収容する圧力室と、該圧力室に連通するノズルとを備え、上記圧電体素子の圧電体薄膜の圧電効果により上記振動板を厚み方向に変位させて上記圧力室内のインクを上記ノズルから吐出させるように構成されたインクジェットヘッドであって、
上記圧電体素子の圧電体薄膜は、ペロブスカイト型結晶構造を示す酸化物であって化学組成式が、
Pb(1-x)(Zr(1-s)Tis)O3(0<s<1)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛、又は、Aをペロブスカイト型結晶構造のAサイトに入る添加金属イオンとし、Bをペロブスカイト型結晶構造のBサイトに入る添加金属イオンとして、
(Pb(1-x-y)y)(Zr(1-s-t)Tist)O3(0<s<1、0<t<1−s)
で表記されるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物からなっており、
上記チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の化学組成式において化学量論組成からのPb組成欠損量を示すxの値が、0を超え0.15以下であることを特徴とするインクジェットヘッド。
A piezoelectric element having a laminated body in which a first electrode film, a piezoelectric thin film, and a second electrode film are laminated in this order, and a vibration plate disposed on one surface in the laminating direction of the laminated body; A pressure chamber containing ink, and a nozzle communicating with the pressure chamber, and the diaphragm is displaced in the thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film of the piezoelectric element, so that the ink in the pressure chamber is discharged from the nozzle. An inkjet head configured to be discharged,
The piezoelectric thin film of the piezoelectric element is an oxide having a perovskite crystal structure, and the chemical composition formula is
Pb (1-x) (Zr (1-s) Ti s ) O 3 (0 <s <1)
In the above, lead zirconate titanate or A is an additive metal ion entering the A site of the perovskite crystal structure, and B is an additive metal ion entering the B site of the perovskite crystal structure,
(Pb (1-xy) A y) (Zr (1-st) Ti s B t) O 3 (0 <s <1,0 <t <1-s)
It consists of a lead zirconate titanate oxide represented by
In the chemical composition formula of the lead zirconate titanate and lead zirconate titanate oxides, the value of x indicating the Pb composition deficiency from the stoichiometric composition is more than 0 and 0.15 or less. Inkjet head.
請求項9記載のインクジェットヘッドと、
上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、
上記相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェットヘッドのノズルから圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
An inkjet head according to claim 9;
A relative movement means for relatively moving the inkjet head and the recording medium,
When the inkjet head is relatively moved with respect to the recording medium by the relative movement means, the recording is performed by discharging ink in a pressure chamber from the nozzle of the inkjet head to the recording medium. An ink jet recording apparatus.
相対移動手段は、インクジェットヘッドを所定方向に往復動させるヘッド移送手段と、上記記録媒体を上記所定方向と略垂直な方向に移送する記録媒体移送手段とで構成され、
上記相対移動手段のヘッド移送手段により上記インクジェットヘッドが上記所定方向に移動しているときに、該インクジェットヘッドのノズルから圧力室内のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成されていることを特徴とする請求項10記載のインクジェット式記録装置。
The relative movement means includes a head transfer means for reciprocating the inkjet head in a predetermined direction, and a recording medium transfer means for transferring the recording medium in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction.
When the ink jet head is moved in the predetermined direction by the head moving means of the relative movement means, the ink in the pressure chamber is ejected from the nozzles of the ink jet head onto the recording medium to perform recording. The ink jet recording apparatus according to claim 10.
複数のインクジェットヘッドが所定方向に並んだ状態で互いに連結されており、
相対移動手段は、記録媒体を上記所定方向と略垂直な方向に移送することで、上記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させるように構成されていることを特徴とする請求項10記載のインクジェット式記録装置。
A plurality of inkjet heads are connected to each other in a predetermined direction,
11. The inkjet according to claim 10, wherein the relative moving means is configured to move the inkjet head and the recording medium relative to each other by transferring the recording medium in a direction substantially perpendicular to the predetermined direction. Type recording device.
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