JP2005302933A - Piezoelectric element, piezoelectric actuator, ink jet recording head, ink jet printer, surface acoustic wave device, frequency filter, oscillator, electronic circuit, thin film piezoelectric resonator, and electronic apparatus - Google Patents

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

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弘 宮澤
Motohisa Noguchi
元久 野口
Amamitsu Higuchi
天光 樋口
Setsuya Iwashita
節也 岩下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element provided with a piezoelectric film having high piezoelectric constant; and to provide a piezoelectric actuator, an ink jet recording head, an ink jet printer, a surface acoustic wave device, a frequency filter, an oscillator, electronic circuit, a thin-film piezoelectric resonator, and an electronic apparatus which use the piezoelectric element. <P>SOLUTION: The piezoelectric element 1 is provided with a seed layer 5 formed on a substrate, and the piezoelectric film 6 formed on the seed layer 5. The seed layer 5 consists of a bismuth laminar compound, and oriented preferentially to a (c) axis (001). The piezoelectric film 6 is perovskite and consists of relaxer material oriented preferentially to pseudo cubic (100). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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

高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、PZT(Pb(Zr,Ti)O)に代表される圧電体膜を用いた圧電素子が用いられている(たとえば、特許文献1)。
また、表面弾性波素子や周波数フィルタ、発振器、電子回路などにおいても、その特性向上が望まれていることから、新たな圧電材料による良好な製品の提供が望まれている。
特開2001−223404号公報
Inkjet printers are known as printers that enable high image quality and high-speed printing. The ink jet printer includes an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes, and performs printing by ejecting ink droplets from the nozzle while scanning the head. As a head actuator in such an ink jet recording head for an ink jet printer, a piezoelectric element using a piezoelectric film represented by PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has been conventionally used (for example, Patent Document 1).
In addition, since surface acoustic wave elements, frequency filters, oscillators, electronic circuits, and the like are desired to have improved characteristics, it is desired to provide good products using new piezoelectric materials.
JP 2001-223404 A

ところで、インクジェットプリンターにあっては、さらなる高画質化や高速化が要求されるようになってきている。このような要求に応えるためには、インクジェット式記録ヘッドにおけるノズルの高密度化が欠かせない技術となってきている。そのためには、キャビティー上に積層される圧電素子(ヘッドアクチュエーター)についても、特に圧電体膜の特性、すなわちその圧電定数を向上する必要がある。
高い圧電特性(圧電定数)を有する材料としては、近年、リラクサー材料が注目されている。しかし、このリラクサー材料は、塊状のバルクとしては高い圧電特性を示すものの、薄膜として形成しようとするときれいな膜とならず、したがってこれを圧電体膜として機能させるのが困難であった。
By the way, in the ink jet printer, higher image quality and higher speed have been demanded. In order to meet such demands, it has become an indispensable technique to increase the density of nozzles in an ink jet recording head. For this purpose, it is necessary to improve the characteristics of the piezoelectric film, that is, the piezoelectric constant, particularly for the piezoelectric element (head actuator) laminated on the cavity.
In recent years, relaxor materials have attracted attention as materials having high piezoelectric characteristics (piezoelectric constant). However, although this relaxor material exhibits high piezoelectric properties as a bulky bulk, it does not become a clean film when it is formed as a thin film, and thus it is difficult to make it function as a piezoelectric film.

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高い圧電定数を有する圧電体膜を備えた圧電素子と、これを用いた圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、及び電子機器を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is a piezoelectric element including a piezoelectric film having a high piezoelectric constant, a piezoelectric actuator using the piezoelectric element, an ink jet recording head, an ink jet printer, To provide a surface acoustic wave device, a frequency filter, an oscillator, an electronic circuit, a thin film piezoelectric resonator, and an electronic device.

本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
リラクサー材料からきれいな薄膜を形成し、これを圧電体膜として機能させる方法としては、例えばSrRuOからなる電極上にリラクサー材料を成膜することが考えられる。
一方、リラクサー材料がより高い圧電特性を示す条件としては、これがロンボヘドラル構造でかつ擬立方晶(100)に優先配向していることが必要である。
The present inventors obtained the following knowledge as a result of intensive studies to achieve the above object.
As a method of forming a clean thin film from a relaxor material and causing it to function as a piezoelectric film, for example, it is conceivable to form a relaxor material on an electrode made of SrRuO 3 .
On the other hand, as a condition for the relaxor material to exhibit higher piezoelectric properties, it must have a rhombohedral structure and be preferentially oriented to pseudo cubic (100).

したがって、圧電素子の圧電体膜に前記リラクサー材料を用いる場合、下部電極層としても擬立方晶で(100)配向していることが、その上に擬立方晶(100)配向のリラクサー材料を形成するうえで好ましい。しかしながら、SrRuOを(100)配向させるためには、イオンビームアシスト法を用いる必要があるが、その場合には製造コストが高くなるといった新たな課題が生じてしまう。 Therefore, when the relaxor material is used for the piezoelectric film of the piezoelectric element, the pseudo-cubic (100) -oriented relaxor material is formed on the pseudo-cubic (100) -oriented as the lower electrode layer. This is preferable. However, in order to orient (100) the SrRuO 3 , it is necessary to use the ion beam assist method. However, in this case, a new problem such as an increase in manufacturing cost arises.

これに対し、イオンビームアシスト法を不要にするべく、下部電極上にシード層としてPZTの(100)配向膜を形成し、その上にリラクサー材料を(100)配向させることが考えられる。
しかし、下部電極として成膜し易いPtやIrの上には、PZTの配向特性として、(100)配向だけでなく(111)や(110)に配向したものが混入してしまう。その結果、その上に形成するリラクサー材料にも、(100)だけでなく(111)や(110)の配向が混入し易くなってしまい、結果として得られた圧電体膜は、その圧電特性(圧電定数)が十分に高いものとはならなくなるおそれがある。
このような知見に基づき、本発明者はさらに研究を重ねた結果、本発明を完成した。
On the other hand, in order to make the ion beam assist method unnecessary, it is conceivable to form a (100) orientation film of PZT as a seed layer on the lower electrode and orient the relaxor material on the (100) orientation.
However, not only the (100) orientation but also the (111) or (110) oriented material is mixed in on the Pt or Ir that is easily deposited as the lower electrode. As a result, not only (100) but also the orientation of (111) or (110) is easily mixed into the relaxor material formed thereon, and the resulting piezoelectric film has its piezoelectric properties ( The piezoelectric constant may not be sufficiently high.
Based on such knowledge, the present inventor completed the present invention as a result of further research.

すなわち、本発明の圧電素子は、基体上に形成されたシード層と、該シード層上に形成された圧電体膜とを備えてなり、
前記シード層は、一般式Bim−13m+3(但し、m=2,3,4、AはBa,Ca,Sr,La,Biから選ばれる金属元素、BはFe,Ga,Ti,Ta,Nb,V,Mo,W,Zr,Hfから選ばれる金属元素)で示されるビスマス層状化合物からなり、かつc軸(001)に優先配向してなるものであり、
前記圧電体膜は、ペロブスカイト型で擬立方晶(100)に優先配向したリラクサー材料からなることを特徴としている。
That is, the piezoelectric element of the present invention comprises a seed layer formed on a substrate and a piezoelectric film formed on the seed layer,
The seed layer has the general formula Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3 (where m = 2, 3, 4, A is a metal element selected from Ba, Ca, Sr, La, Bi, and B is Fe, Ga) , Ti, Ta, Nb, V, Mo, W, Zr, Hf) and a preferentially oriented c axis (001).
The piezoelectric film is made of a relaxor material of perovskite type and preferentially oriented to pseudo cubic (100).

この圧電素子によれば、シード層としてビスマス層状化合物を用いているので、このビスマス層状化合物は例えばPtやIrからなる電極上であっても容易にc軸配向となり、すなわち(001)配向となる。そして、このように(001)配向となったビスマス層状化合物の上には擬立方晶(100)に配向したリラクサー材料が形成され易くなることから、リラクサー材料からなる圧電体膜は、ペロブスカイト型で擬立方晶(100)に優先配向したものとなる。したがって、この圧電体膜が強誘電性を有し、すなわち高い圧電特性を有するものとなることから、圧電定数が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなる。
なお、前記の「優先配向した」とは、本発明においては、所望の配向である(100)にほとんど(例えば90%以上)が配向し、残りが他の配向(例えば(111)配向)となっている場合を含むもので、もちろん、100%が所望の配向である(100)になっている場合も含んでいる。
According to this piezoelectric element, since the bismuth layered compound is used as the seed layer, this bismuth layered compound easily becomes c-axis orientation, that is, (001) orientation even on an electrode made of, for example, Pt or Ir. . Since a relaxor material oriented in pseudo cubic (100) is easily formed on the (001) oriented bismuth layered compound, the piezoelectric film made of the relaxor material is a perovskite type. This is preferentially oriented to pseudo cubic (100). Therefore, since this piezoelectric film has ferroelectricity, that is, has high piezoelectric characteristics, the piezoelectric constant is high and the applied voltage is more greatly deformed.
In the present invention, the term “preferentially oriented” means that most (eg, 90% or more) is oriented to (100) which is a desired orientation, and the rest is other orientation (eg (111) orientation). Of course, the case where 100% is the desired orientation (100) is also included.

また、圧電素子においては、前記リラクサー材料が、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向しているのが好ましい。
このようになっていれば、リラクサー材料がより高い圧電特性を示すことから、圧電体膜がより良好に機能するようになる。
In the piezoelectric element, the relaxor material is preferably a perovskite type having a rhombohedral structure and preferentially oriented to pseudo cubic (100).
If it becomes like this, since a relaxor material shows a higher piezoelectric characteristic, a piezoelectric material film will function more favorably.

また、圧電素子においては、前記シード層が、以下の式で示される材料のうちの少なくとも一種からなっているのが好ましい。
・SrBi(Ta1−xNb(但し、0≦x≦1.0)
・(Bi1−xLaTi12(但し、0≦x≦0.4)
・SrBiMe15(但し、MeはTi,Zr,Hfの少なくとも一種)
このようにすれば、ビスマス層状化合物が例えばPtやIrからなる電極上にてより容易にc軸配向となり、(001)配向となるので、このビスマス層状化合物の上にリラクサー材料が擬立方晶(100)により良好に配向するようになる。
In the piezoelectric element, it is preferable that the seed layer is made of at least one of materials represented by the following formulas.
· SrBi 2 (Ta 1-x Nb x) 2 O 9 ( where, 0 ≦ x ≦ 1.0)
・ (Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.4)
SrBi 4 Me 4 O 15 (where Me is at least one of Ti, Zr, and Hf)
By doing so, the bismuth layered compound is more easily c-axis oriented on the electrode made of, for example, Pt or Ir, and becomes (001) oriented. 100).

また、前記リラクサー材料は、以下の式で示される材料のうちの少なくとも一種からなるのが好ましい。
・(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42)
・(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.37)
・(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.50)
・(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.45)
・(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.35)
・(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.10)
・(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.11)
・(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.08<x<0.38)
・(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42)
このようにすれば、圧電定数が十分に高いものとなり、したがってこの圧電体膜はより良好な変形をなすものとなる。
Moreover, it is preferable that the said relaxer material consists of at least 1 type of the material shown by the following formula | equation.
· (1-x) Pb ( Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42)
· (1-x) Pb ( In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.37)
· (1-x) Pb ( Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.50)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2 ) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.45)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.35)
· (1-x) Pb ( Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.10)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.11)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x is 0.08 <x <0.38)
· (1-x) Pb ( Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42)
In this way, the piezoelectric constant is sufficiently high, and thus the piezoelectric film is deformed better.

また、前記の圧電素子は、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体膜の変形によって前記キャビティーの内容積を変化させるものであってもよい。
このようにインクジェット式記録ヘッド用の圧電素子(ヘッドアクチュエーター)とすれば、良好な圧電特性によってインクの吐出を良好になさせるものとなる。
The piezoelectric element may be an ink jet recording head having a cavity whose inner volume changes, and the inner volume of the cavity may be changed by deformation of the piezoelectric film.
Thus, if the piezoelectric element (head actuator) for an ink jet recording head is used, the ink can be discharged well with good piezoelectric characteristics.

本発明の圧電アクチュエーターは、前記の圧電素子を備えたことを特徴としている。
この圧電アクチュエーターによれば、前述したような圧電特性によって良好に機能するものとなる。
A piezoelectric actuator according to the present invention includes the above-described piezoelectric element.
According to this piezoelectric actuator, it functions well due to the piezoelectric characteristics as described above.

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜の変形によって前記キャビティーの内容積を変化させる圧電素子として、前記の圧電素子を備えたことを特徴としている。
このインクジェット式記録ヘッドによれば、前述したように良好な圧電特性によってインクの吐出を良好になさせるものとなる。また、特に圧電体膜の圧電定数が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすことから、所定量のインクを吐出するのに必要なキャビティーの面積(容積)が従来のものより小さくてすみ、したがってノズルの高密度化が可能になる。
An ink jet recording head of the present invention includes the above-described piezoelectric element as a piezoelectric element that changes the internal volume of the cavity by deformation of a piezoelectric film in an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes. It is characterized by that.
According to this ink jet recording head, as described above, ink can be ejected satisfactorily due to good piezoelectric characteristics. In addition, since the piezoelectric constant of the piezoelectric film is particularly high and the deformation is greater with respect to the applied voltage, the area (volume) of the cavity required to eject a predetermined amount of ink is larger than the conventional one. It is small and therefore allows high density nozzles.

本発明のインクジェットプリンターは、前記のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴としている。
このインクジェットプリンターによれば、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッドを備えているので、高速印刷が可能になる。
An ink jet printer according to the present invention includes the ink jet recording head described above.
According to this ink jet printer, since the ink jet recording head having high performance and high nozzle density is provided, high speed printing is possible.

本発明の表面弾性波素子は、基板上に請求項1又は2記載の圧電素子が形成されてなることを特徴としている。
この表面弾性波素子によれば、圧電素子の圧電体膜が良好な圧電特性を有していることにより、この表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
A surface acoustic wave device according to the present invention is characterized in that the piezoelectric element according to claim 1 or 2 is formed on a substrate.
According to this surface acoustic wave element, the surface acoustic wave element itself has high performance because the piezoelectric film of the piezoelectric element has good piezoelectric characteristics.

本発明の周波数フィルタは、前記の表面弾性波素子が備える前記圧電体膜の上に形成された第1の電極と、前記圧電体膜の上に形成され、前記第1の電極に印加される電気信号によって前記圧電体膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第2の電極と、を備えることを特徴としている。
この周波数フィルタによれば、圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがってこの圧電体膜の電気機械結合係数が高いため、比帯域幅が広い良好なものとなる。
The frequency filter of the present invention is formed on the piezoelectric film included in the surface acoustic wave element, on the piezoelectric film, and applied to the first electrode. And a second electrode that resonates with a specific frequency of a surface acoustic wave generated in the piezoelectric film by an electric signal or a frequency in a specific band and converts it into an electric signal.
According to this frequency filter, since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film are good, and the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film is high, the specific band width is good.

本発明の発振器は、前記の表面弾性波素子が備える前記圧電体膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電体膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、前記圧電体膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、を備えることを特徴としている。
この発振器によれば、圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがってこの圧電体膜の電気機械結合係数が高いため、伸長コイルを省略することができ、回路構成が簡単なものとなる。また、トランジスタ等から構成される発振回路を備えているので、トランジスタとの集積化によって小型化されたものとなる。
The oscillator of the present invention is formed on the piezoelectric film included in the surface acoustic wave element, and generates an electric signal applying electrode on the piezoelectric film by an applied electric signal, and the piezoelectric An oscillation circuit that is formed on the body film and includes a resonance electrode and a transistor that resonates a specific frequency component of a surface acoustic wave generated by the electrode for applying an electric signal or a frequency component of a specific band. It is characterized by that.
According to this oscillator, since the piezoelectric characteristic of the piezoelectric film is good and the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film is high, the extension coil can be omitted, and the circuit configuration becomes simple. In addition, since an oscillation circuit composed of a transistor or the like is provided, the size is reduced by integration with the transistor.

本発明の電子回路は、前記の発振器と、前記発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴としている。
この電子回路によれば、発振器に備えられた表面弾性波素子を構成する圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがってこの圧電体膜の電気機械結合係数が高く、発振回路との集積化が可能なため、小型で高性能なものとなる。
The electronic circuit of the present invention includes the oscillator and an electric signal supply element that applies the electric signal to the electric signal applying electrode provided in the oscillator, and the frequency component of the electric signal. A function of selecting a specific frequency component from or converting to a specific frequency component, or applying a predetermined modulation to the electric signal, performing a predetermined demodulation, or performing a predetermined detection It is said.
According to this electronic circuit, the piezoelectric film of the surface acoustic wave device provided in the oscillator has good piezoelectric characteristics, and thus the piezoelectric film has a high electromechanical coupling coefficient and can be integrated with the oscillation circuit. Because it is possible, it is small and has high performance.

本発明の薄膜圧電共振器は、基体上に前記の圧電素子からなる共振子が形成されてなることを特徴としている。
この薄膜圧電共振器によれば、共振子の圧電体膜が高い電気機械結合係数を有することから、例えばGHz帯などの高周波数領域で使用可能なものとなる。
なお、このような薄膜圧電共振器において、前記基体の前記共振子が形成された側と反対の側にビアホールを形成すれば、ダイアフラム型の薄膜圧電共振器となる。
また、前記基体と共振子との間にエアギャップを形成すれば、エアギャップ型の薄膜圧電共振器となる。
The thin film piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that a resonator comprising the above piezoelectric element is formed on a substrate.
According to this thin film piezoelectric resonator, since the piezoelectric film of the resonator has a high electromechanical coupling coefficient, it can be used in a high frequency region such as a GHz band.
In such a thin film piezoelectric resonator, if a via hole is formed on the side of the substrate opposite to the side where the resonator is formed, a diaphragm type thin film piezoelectric resonator is obtained.
If an air gap is formed between the substrate and the resonator, an air gap type thin film piezoelectric resonator is obtained.

本発明の電子機器は、前記の周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器のうち少なくとも1つを有することを特徴としている。
この電子機器によれば、圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがってこの圧電体膜の電気機械結合係数が高いため、小型で、高性能なものとなる。
An electronic apparatus according to the present invention includes at least one of the frequency filter, the oscillator, the electronic circuit, and the thin film piezoelectric resonator.
According to this electronic apparatus, the piezoelectric film has good piezoelectric characteristics, and therefore, since the piezoelectric film has a high electromechanical coupling coefficient, it is small and has high performance.

以下、本発明を詳しく説明する。
(圧電素子)
まず、本発明の圧電素子について説明する。
図1は本発明の圧電素子を、特にインクジェット式記録ヘッド用のヘッドアクチュエーターとなる圧電素子に適用した場合の一実施形態を示す図であり、図1において符号1は圧電素子である。
The present invention will be described in detail below.
(Piezoelectric element)
First, the piezoelectric element of the present invention will be described.
FIG. 1 is a view showing an embodiment in which the piezoelectric element of the present invention is applied to a piezoelectric element that is a head actuator for an ink jet recording head. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a piezoelectric element.

この圧電素子1は、シリコン(Si)からなる基板2上に形成されたもので、この基板2上に形成された弾性膜3と、弾性膜3の上に形成された下部電極4と、下部電極4の上に形成されたシード層5と、シード層5の上に形成された圧電体膜6と、圧電体膜6の上に形成された上部電極7とを備えて構成されたものである。ここで、本発明においては基板2から下部電極4までを基体と称している。
なお、基板2としては、(100)配向の単結晶シリコン基板や(111)配向の単結晶シリコン基板、さらには、(110)配向のSi基板等も使用可能である。また、もちろんその表面に熱酸化膜や自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜を形成したものも使用可能である。
The piezoelectric element 1 is formed on a substrate 2 made of silicon (Si). An elastic film 3 formed on the substrate 2, a lower electrode 4 formed on the elastic film 3, and a lower part A seed layer 5 formed on the electrode 4, a piezoelectric film 6 formed on the seed layer 5, and an upper electrode 7 formed on the piezoelectric film 6. is there. Here, in the present invention, the substrate 2 to the lower electrode 4 are referred to as a base.
As the substrate 2, a (100) -oriented single crystal silicon substrate, a (111) -oriented single crystal silicon substrate, a (110) -oriented Si substrate, or the like can also be used. Of course, an amorphous silicon oxide film such as a thermal oxide film or a natural oxide film can be used on the surface.

基板2上に形成される弾性膜3は、インクジェット式記録ヘッド用のヘッドアクチュエーターとなる圧電素子において弾性板として機能する膜であって、SiOやZrO等からなり、厚さが例えば1μm程度に厚く形成されたものである。この弾性膜3については、後述するように基板2をエッチング処理してここにキャビティーを形成する際、弾性膜3がエッチングストッパ層として機能するべく、前記SiOやZrO等のSiとの間で十分な選択比がとれる材料で形成するのが好ましい。なお、この弾性膜3については、後述するインクジェット式記録ヘッドにおけるインク室基板となる基板2上に、複数の圧電素子が形成される場合、これらに共通な弾性板として形成してもよい。 The elastic film 3 formed on the substrate 2 is a film that functions as an elastic plate in a piezoelectric element serving as a head actuator for an ink jet recording head, and is made of SiO 2 , ZrO 2, etc., and has a thickness of, for example, about 1 μm. It is formed thick. With respect to the elastic film 3, as described later, when the substrate 2 is etched to form a cavity therein, the elastic film 3 functions as an etching stopper layer so that the elastic film 3 functions as an etching stopper layer with Si such as SiO 2 or ZrO 2. It is preferable to use a material having a sufficient selection ratio. The elastic film 3 may be formed as a common elastic plate when a plurality of piezoelectric elements are formed on the substrate 2 serving as an ink chamber substrate in an ink jet recording head described later.

下部電極4は、圧電体膜6に電圧を印加するための一方の電極となるもので、例えば図1に示したように圧電体膜6と同じ大きさ、すなわち上部電極7と同じ形状に形成されたものである。なお、この下部電極4については、後述するインクジェット式記録ヘッドにおけるインク室基板となる基板2上に、複数の圧電素子が形成される場合、これらに共通な電極として機能するよう、共通な弾性板としての弾性膜3と同じ大きさに形成してもよい。また、この下部電極4は、Pt(白金)やIr(イリジウム)、IrO(酸化イリジウム)、Ti(チタン)等からなり、厚さが100nm〜200nm程度に形成されている。 The lower electrode 4 serves as one electrode for applying a voltage to the piezoelectric film 6. For example, as shown in FIG. 1, the lower electrode 4 is formed in the same size as the piezoelectric film 6, that is, in the same shape as the upper electrode 7. It has been done. The lower electrode 4 has a common elastic plate so as to function as a common electrode when a plurality of piezoelectric elements are formed on the substrate 2 serving as an ink chamber substrate in an ink jet recording head to be described later. You may form in the same magnitude | size as the elastic film 3 as. The lower electrode 4 is made of Pt (platinum), Ir (iridium), IrO x (iridium oxide), Ti (titanium), or the like, and has a thickness of about 100 nm to 200 nm.

シード層5は、一般式Bim−13m+3(但し、m=2,3,4、AはBa,Ca,Sr,La,Biから選ばれる金属元素、BはFe,Ga,Ti,Ta,Nb,V,Mo,W,Zr,Hfから選ばれる金属元素)で示されるビスマス層状化合物(以下、Bi層状化合物と記す)からなり、かつc軸(001)に優先配向してなるものである。具体的には、以下の式で示される材料のうちの少なくとも一種からなっているのが好ましい。
・SrBi(Ta1−xNb
(但し、0≦x≦1.0)(m=2)
・(Bi1−xLaTi12
(但し、0≦x≦0.4)(m=3)
・SrBiMe15
(但し、MeはTi,Zr,Hfの少なくとも一種)(m=4)
The seed layer 5 has a general formula Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3 (where m = 2, 3, 4 and A is a metal element selected from Ba, Ca, Sr, La, Bi, and B is Fe, Ga , Ti, Ta, Nb, V, Mo, W, Zr, and Hf), and is preferentially oriented in the c-axis (001) with a bismuth layered compound (hereinafter referred to as a Bi layered compound). It will be. Specifically, it is preferably made of at least one material selected from the following formulas.
· SrBi 2 (Ta 1-x Nb x) 2 O 9
(However, 0 ≦ x ≦ 1.0) (m = 2)
(Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12
(However, 0 ≦ x ≦ 0.4) (m = 3)
SrBi 4 Me 4 O 15
(However, Me is at least one of Ti, Zr, and Hf) (m = 4)

このようなBi層状化合物は、前記の下部電極4上に液相法や気相法によって成膜される。このようにして成膜されると、Bi層状化合物が例えばPtやIrからなる下部電極4上で容易にc軸配向に優先配向し、これによって(001)配向となる。特に、前記式で示した3種類のBi層状化合物は、下部電極4上でより容易にc軸配向となり(c軸配向に優先配向し)、(001)配向となる。ここで、「優先配向する」とは、前述したように所望配向であるc軸配向にほとんどが配向しているものの、残りが他の配向となっている場合をも含んでいる。このようにほとんどが所望配向であるc軸配向に配向していれば、後述するようにこれの上に圧電体膜6を形成した際、この圧電体膜6が擬立方晶(100)により良好に配向し、すなわち(100)に優先配向するようになる。   Such a Bi layer compound is formed on the lower electrode 4 by a liquid phase method or a gas phase method. When the film is formed in this way, the Bi layered compound is easily preferentially oriented to the c-axis orientation on the lower electrode 4 made of, for example, Pt or Ir, and thereby becomes (001) orientation. In particular, the three types of Bi layered compounds represented by the above formulas are more easily c-axis oriented on the lower electrode 4 (preferentially oriented to c-axis orientation) and (001) oriented. Here, “preferentially oriented” includes the case where most are oriented in the c-axis orientation, which is the desired orientation, as described above, but the rest are in other orientations. Thus, if most are oriented in the c-axis orientation which is the desired orientation, when the piezoelectric film 6 is formed thereon as will be described later, the piezoelectric film 6 is better due to the pseudo cubic (100). In other words, that is, the preferred orientation is (100).

なお、このシード層5は圧電体材料であることから、下部電極4としては機能することなく、むしろ後述する圧電体膜6としてわずかながらその機能を発揮し、圧電体膜6の圧電特性に影響する(圧電特性を助ける)ようになる。したがって、このシード層5の膜厚が厚くなりすぎると、圧電体膜6の圧電特性への影響が大きくなってしまうことから、この影響が必要以上に大きくならないよう、このシード層5の厚さとしては、100nm以下とするのが好ましく、50nm以下とするのがより好ましい。   Since the seed layer 5 is a piezoelectric material, it does not function as the lower electrode 4 but rather functions as a piezoelectric film 6 to be described later, and affects the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 6. (Helps piezoelectric properties). Therefore, if the thickness of the seed layer 5 becomes too thick, the influence on the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 6 becomes large. Therefore, the thickness of the seed layer 5 is set so that this influence does not become larger than necessary. Is preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less.

圧電体膜6は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向したリラクサー材料からなるもので、厚さが300nm〜3000nm程度、好ましくは500nm〜1000nm程度、望ましくは500nm程度に形成されたものである。ただし、この圧電体膜6の膜厚の上限値については、薄膜としての緻密さ、結晶配向性を維持できる範囲でもっと厚くすることが可能であり、具体的には10μm程度まで許容することができる。   The piezoelectric film 6 is made of a relaxor material having a perovskite type and a rhombohedral structure and preferentially oriented to pseudo cubic (100), and has a thickness of about 300 nm to 3000 nm, preferably about 500 nm to 1000 nm, desirably It is formed to about 500 nm. However, the upper limit value of the film thickness of the piezoelectric film 6 can be made thicker as long as the denseness and crystal orientation as a thin film can be maintained, and specifically, it can be allowed to be about 10 μm. it can.

リラクサー材料としては、例えば以下の式で示される材料が挙げられる。これらのうちから選択された一種あるいは複数種が後述するように液相法または気相法で成膜されることにより、圧電体膜6が得られる。
・(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42、好ましくは0.20<x<0.42)
・(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.37、好ましくは0.20<x<0.37)
・(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.50、好ましくは0.30<x<0.50)
・(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.45、好ましくは0.20<x<0.45)
・(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.35、好ましくは0.20<x<0.35)
・(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.10、好ましくは0.03<x<0.10)
・(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.11、好ましくは0.03<x<0.11)
・(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.08<x<0.38、好ましくは0.09<x<0.38)
・(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42、好ましくは0.20<x<0.42)
As a relaxor material, the material shown by the following formula | equation is mentioned, for example. One or a plurality of types selected from these are formed by a liquid phase method or a gas phase method as described later, whereby the piezoelectric film 6 is obtained.
· (1-x) Pb ( Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42, preferably 0.20 <x <0.42)
· (1-x) Pb ( In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.37, preferably 0.20 <x <0.37)
· (1-x) Pb ( Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.50, preferably 0.30 <x <0.50)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2 ) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.45, preferably 0.20 <x <0.45)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.35, preferably 0.20 <x <0.35)
· (1-x) Pb ( Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.10, preferably 0.03 <x <0.10)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.11, preferably 0.03 <x <0.11)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(Where x is 0.08 <x <0.38, preferably 0.09 <x <0.38)
· (1-x) Pb ( Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42, preferably 0.20 <x <0.42)

ここで、リラクサー材料とは、図2(a)に示すように誘電率の温度依存がブロードな(幅が広い)ピークを示す材料を示し、誘電率が極大となる温度が周波数測定によりシフトする材料をいう。また同時に圧電定数の温度依存がブロードな(幅が広い)ピークを示す。これに対し、PZT等の非リラクサー材料である圧電体材料は、図2(b)に示すように誘電率、および圧電定数の温度依存が非常に鋭いピークを示すものとなっている。したがって、圧電体膜6としてリラクサー材料を用いることにより、得られた圧電素子1は広い温度範囲で良好な圧電特性を発揮し、これにより信頼性が高く特性が安定したものとなる。   Here, as shown in FIG. 2A, the relaxor material indicates a material having a broad (wide) peak of the dielectric dependency, and the temperature at which the dielectric constant is maximized is shifted by frequency measurement. Say material. At the same time, the temperature dependence of the piezoelectric constant shows a broad (wide) peak. On the other hand, a piezoelectric material which is a non-relaxer material such as PZT has a very sharp peak in temperature dependence of dielectric constant and piezoelectric constant as shown in FIG. Therefore, by using a relaxor material as the piezoelectric film 6, the obtained piezoelectric element 1 exhibits good piezoelectric characteristics in a wide temperature range, which makes the characteristics highly reliable and stable.

また、この圧電体膜6は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向したもので、エンジニアードドメイン配置のものであり、したがって高い圧電定数(d31)を有するものとなっている。ここで、「優先配向した」とは、前述したように所望配向の擬立方晶(100)にほとんどが配向しているものの、残りが他の配向となっている場合をも含んでいる。すなわち、同様に優先配向したシード層5上に形成され、このシード層5がc軸配向に優先配向し、これによって(001)配向となっていることから、リラクサー材料からなる圧電体膜6も、ペロブスカイト型で擬立方晶(100)に優先配向したものとなっている。ここで、シード層5がc軸配向に優先配向し、(001)配向となっていることから、得られたBi層状化合物には(111)や(110)に配向したものの混入がほとんどなく、したがってその上に形成するリラクサー材料にも、(111)や(110)の配向がほとんど混入しなくなっている。 The piezoelectric film 6 is a perovskite type, has a rhombohedral structure, is preferentially oriented to pseudo cubic (100), has an engineered domain arrangement, and therefore has a high piezoelectric constant (d 31 ). It has become. Here, “preferentially oriented” includes a case where most of the pseudo-cubic crystals (100) having a desired orientation are oriented as described above, but the rest are in other orientations. That is, it is formed on the seed layer 5 similarly preferentially oriented, and this seed layer 5 is preferentially oriented to the c-axis orientation and thereby has a (001) orientation, so that the piezoelectric film 6 made of a relaxor material is also formed. The perovskite type is preferentially oriented to pseudo cubic (100). Here, since the seed layer 5 is preferentially oriented to the c-axis orientation and has the (001) orientation, the obtained Bi layered compound has almost no contamination of the (111) or (110) orientation, Therefore, the relaxor material formed thereon is hardly mixed with the (111) or (110) orientation.

また、この圧電体膜6の形成材料(リラクサー材料)において、前述したように材料間におけるPbTiO(PT)側の組成比を表すxの範囲については、特にその上限値としては、相境界(MPB)、すなわちロンボヘドラル構造とテトラゴナル構造とが相転移するときのPbTiO(PT)側の組成比を示す値とされる。そして、このxの範囲としては、相転移するときの組成比より小さく、これによりロンボヘドラル構造となる範囲とされる。ここで、圧電定数であるd定数(d31)は、相境界(MPB)付近で極大値をとる。したがって、前記のxについて、その下限値としては、このMPBのときのxの値に近い値が選択されるのである。よって、前述したようにxの範囲としては、本発明を構成するうえでは比較的小さい値まで許容できるものの、より高い圧電定数であるd定数(d31)を得るためには、好ましい範囲としたときの値、すなわち前記MPBのときのxの値により近い値が選択される。 Further, in the material for forming the piezoelectric film 6 (relaxer material), as described above, regarding the range of x representing the composition ratio on the PbTiO 3 (PT) side between the materials, the upper limit thereof is particularly the phase boundary ( MPB), that is, a value indicating the composition ratio on the PbTiO 3 (PT) side when the rhombohedral structure and the tetragonal structure undergo phase transition. The range of x is smaller than the composition ratio at the time of phase transition, and is thus a range in which a rhombohedral structure is obtained. Here, the d constant (d 31 ), which is a piezoelectric constant, takes a maximum value near the phase boundary (MPB). Therefore, a value close to the value of x at the time of this MPB is selected as the lower limit value of x. Therefore, as described above, the range of x is a preferable range in order to obtain a d constant (d 31 ) that is a higher piezoelectric constant, although a relatively small value can be allowed in configuring the present invention. Value, that is, a value closer to the value of x at the time of the MPB.

このようにペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向したリラクサー材料からなる圧電体膜6については、前述したように従来ではこれを形成するのに複雑な手法が必要となっていた。例えば、レーザーアブレーション法を用い、かつイオンビームアシスト法などの複雑な手法を併用することでバッファ層を形成し、さらにこれの上にペロブスカイト型の下部電極を形成することで下地を形成し、この下地の上に圧電体膜を形成するようにしていた。このような手法をとる理由は、PtやIrなどの従来の電極材料上にリラクサー材料の緻密な薄膜を形成するための製造マージンが小さく、一方SrRuOなどペロブスカイト型電極上では比較的容易に緻密な薄膜が得られるからであり、このSrRuO電極の配向性をコントロールするためにレーザーアブレーション法やイオンビームアシスト法が必要とされるためである。 Thus, the piezoelectric film 6 made of the relaxor material having the perovskite type and the rhombohedral structure and preferentially oriented to the pseudo-cubic crystal (100), as described above, has conventionally had a complicated method for forming it. It was necessary. For example, a buffer layer is formed by using a laser ablation method and a complicated method such as an ion beam assist method, and a base is formed by forming a perovskite-type lower electrode on the buffer layer. A piezoelectric film was formed on the base. The reason for adopting such a method is that the manufacturing margin for forming a dense thin film of relaxor material on a conventional electrode material such as Pt or Ir is small, whereas it is relatively easy on a perovskite type electrode such as SrRuO 3. This is because a thin film can be obtained, and a laser ablation method or an ion beam assist method is required to control the orientation of the SrRuO 3 electrode.

しかしながら、このような方法では工程が複雑であり、したがってコストが高く、また得られる圧電体膜の圧電特性も十分に安定しないといった課題があった。一方、Bi層状化合物は、前述したようにPtやIr等の下部電極4上にc軸(001)に優先配向し、緻密な薄膜となる。そして、このBi層状化合物上には、PMN−PTなどのリラクサー材料が緻密な薄膜として容易に積層することが可能になる。そこで、本発明では、前述したようにBi層状化合物からなるシード層5を予め形成しておき、この上にリラクサー材料からなる圧電体膜6を形成することで、後述するように気相法でもまた液相法でも容易に、しかも圧電特性が良好な圧電体膜6を得ることができるようにしたのである。   However, such a method has a problem in that the process is complicated, and thus the cost is high, and the piezoelectric characteristics of the obtained piezoelectric film are not sufficiently stable. On the other hand, the Bi layered compound is preferentially oriented in the c-axis (001) on the lower electrode 4 such as Pt or Ir as described above, and becomes a dense thin film. A relaxor material such as PMN-PT can be easily laminated as a dense thin film on the Bi layered compound. Therefore, in the present invention, as described above, the seed layer 5 made of the Bi layered compound is formed in advance, and the piezoelectric film 6 made of the relaxor material is formed on the seed layer 5 so that the gas phase method can be used as described later. In addition, the piezoelectric film 6 having excellent piezoelectric characteristics can be easily obtained by the liquid phase method.

上部電極7は、圧電体膜6に電圧を印加するための他方の電極となるもので、下部電極4と同様、例えばPt(白金)やIr(イリジウム)、IrO(酸化イリジウム)、Ti(チタン)、SrRuO等からなり、厚さが100nm程度に形成されたものである。
なお、下部電極4に関しては、SrRuOのようなペロブスカイト電極を用いても本発明の趣旨を逸脱するものではない。SrRuOからなる下部電極4と、リラクサー材料からなる圧電体膜6の間に、Bi層状化合物からなるシード層5を挟むのであれば、製造工程上、圧電体膜6の擬立方晶(100)配向性がより容易に制御可能となる。
The upper electrode 7 serves as the other electrode for applying a voltage to the piezoelectric film 6. Like the lower electrode 4, for example, Pt (platinum), Ir (iridium), IrO x (iridium oxide), Ti ( Titanium), SrRuO 3, etc., with a thickness of about 100 nm.
For the lower electrode 4, the use of a perovskite electrode such as SrRuO 3 does not depart from the spirit of the present invention. If the seed layer 5 made of a Bi layer compound is sandwiched between the lower electrode 4 made of SrRuO 3 and the piezoelectric film 6 made of a relaxor material, the pseudo-cubic crystal (100) of the piezoelectric film 6 is manufactured in the manufacturing process. The orientation can be controlled more easily.

次に、このような構成からなる圧電素子1の製造方法を説明する。
まず、基板2として、(110)又は(100)配向の単結晶Si基板、(111)配向の単結晶Si基板、あるいは自然酸化膜であるアモルファスの酸化シリコン膜を形成した(100)又は(110)配向のSi基板を用意する。
次に、図3(a)に示すように基板2上に弾性膜3を形成する。この弾性膜3については、CVD法やスパッタ法、蒸着法などの気相法が、形成する材質に応じて適宜決定され、採用される。
次いで、図3(b)に示すように弾性板3上に例えばPtからなる下部電極4を形成する。このPtは、比較的容易に(111)優先配向となるものであるから、例えばスパッタ法等の比較的簡易な方法を採用することで、弾性膜3上に容易に配向成長させることができる。
Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 1 having such a configuration will be described.
First, as the substrate 2, a (110) or (100) -oriented single crystal Si substrate, a (111) -oriented single crystal Si substrate, or an amorphous silicon oxide film that is a natural oxide film is formed (100) or (110 ) An oriented Si substrate is prepared.
Next, the elastic film 3 is formed on the substrate 2 as shown in FIG. For the elastic film 3, a vapor phase method such as a CVD method, a sputtering method, or a vapor deposition method is appropriately determined and adopted according to the material to be formed.
Next, as shown in FIG. 3B, the lower electrode 4 made of, for example, Pt is formed on the elastic plate 3. Since this Pt can be (111) preferentially oriented relatively easily, it can be easily oriented and grown on the elastic film 3 by adopting a relatively simple method such as sputtering.

次いで、図3(c)に示すようにこの下部電極4上にシード層5を形成する。シード層5の形成方法(成膜方法)としては、例えば前記のBi層状化合物の前駆体溶液を用いるゾルゲル法等の液相法が採用される。この液相法では、スピンコート法、液滴吐出法等の公知の塗布法で前記の前駆体溶液を下部電極4上に配し、その後、焼成等の熱処理を行うことにより、シード層5を得る。すなわち、前駆体溶液の塗布工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程の一連の工程を所望する膜厚に応じて適宜回数繰り返し、その後、結晶化アニールを行うことでシード層5を形成する。以下に、具体的な条件を示す。   Next, a seed layer 5 is formed on the lower electrode 4 as shown in FIG. As a method for forming the seed layer 5 (film formation method), for example, a liquid phase method such as a sol-gel method using a precursor solution of the Bi layer compound is employed. In this liquid phase method, the seed layer 5 is formed by disposing the precursor solution on the lower electrode 4 by a known coating method such as a spin coating method or a droplet discharge method, and then performing a heat treatment such as firing. obtain. That is, the seed layer 5 is formed by repeating a series of steps of the precursor solution coating step, the drying heat treatment step, and the degreasing heat treatment step as appropriate according to the desired film thickness, and then performing crystallization annealing. Specific conditions are shown below.

シード層5を構成するBi層状化合物の前駆体溶液(前駆体材料)としては、この化合物(酸化物)の各構成金属(例えば[SrBi(Ta1−xNb]の場合、Sr、Bi、Ta、Nb)を含有する金属アルコキシドあるいは炭酸塩等の金属塩が、それぞれの金属元素ごとに用意され、用いられる。
具体的には、前記有機酸塩として、2エチルヘキサン酸ストロンチウム(Sr)、2エチルヘキサン酸ビスマス(Bi)、2エチルヘキサン酸タンタル(Ta)、2エチルヘキサン酸ニオブ(Nb)等を用い、いずれもオクタン、ブトキシエタノール、あるいはキシレン等の溶媒に溶解して用いる。
As a precursor solution (precursor material) of the Bi layered compound constituting the seed layer 5, each constituent metal of this compound (oxide) (for example, [SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 ]) , Sr, Bi, Ta, Nb) -containing metal alkoxides or metal salts such as carbonates are prepared and used for each metal element.
Specifically, as the organic acid salt, strontium 2-ethylhexanoate (Sr), bismuth ethylhexanoate (Bi), tantalum ethylhexanoate (Ta), niobium ethylhexanoate (Nb), etc. are used. All are used by dissolving in a solvent such as octane, butoxyethanol, or xylene.

そして、これら金属化合物を、Bi層状化合物を構成する各元素のモル比(例えば[SrBi(Ta1−xNb]の場合、Sr:Bi:(Ta,Nb)=1:2:2)となるように混合する。なお、このようにして混合した前駆体化合物については、採用する塗布法(例えばスピンコート法、あるいは液滴吐出法)に適した物性を付与するべく、例えばアルコール類等の適宜な溶媒あるいは分散媒等を添加することにより、ゾル状の液状体に調製するのが好ましい。 And, in the case of the molar ratio of each element constituting the Bi layer compound (for example, [SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 ]), these metal compounds are converted into Sr: Bi: (Ta, Nb) = 1: 2: 2) is mixed. For the precursor compound mixed in this way, for example, an appropriate solvent or dispersion medium such as alcohols is provided in order to provide physical properties suitable for the coating method employed (for example, spin coating method or droplet discharge method). It is preferable to prepare a sol-like liquid material by adding, for example.

続いて、このようにして調製したゾル状の液状体(前駆体溶液)を、下部電極4上に塗布する。この塗布工程については、例えばスピンコート法を採用した場合で説明すると、まず、下部電極4上に前駆体溶液を滴下する。そして、滴下された溶液を基板全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、例えば初期では500rpm程度とし、続いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpm程度に上げて、塗布を完了させる。
乾燥熱処理工程については、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点より例えば10℃程度高い温度で熱処理(乾燥)することで行う。
Subsequently, the sol-like liquid (precursor solution) prepared in this way is applied onto the lower electrode 4. For example, when the spin coating method is employed for the coating process, first, the precursor solution is dropped on the lower electrode 4. Then, spin is performed for the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the substrate. The rotation speed of the spin is, for example, about 500 rpm in the initial stage, and then the rotation speed is increased to about 2000 rpm so that coating unevenness does not occur, thereby completing the coating.
The drying heat treatment step is performed by heat treatment (drying) at a temperature, for example, about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent used in the precursor solution using a hot plate or the like in an air atmosphere.

脱脂熱処理工程については、前駆体溶液に用いた有機金属の配位子を分解/除去するべく、大気雰囲気下でホットプレートを用い、350℃程度に加熱することで行う。結晶化アニール、すなわち結晶化のための焼成工程については、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニーリング(RTA)等を用いて例えば600℃程度に加熱することで行う。
このようにして(111)配向のPtからなる下部電極4上に、Bi層状化合物を、c軸(001)に優先配向した状態に形成し、シード層5とすることができる。
The degreasing heat treatment step is performed by heating to about 350 ° C. using a hot plate in an air atmosphere in order to decompose / remove the organometallic ligand used in the precursor solution. The crystallization annealing, that is, the firing step for crystallization is performed by heating to, for example, about 600 ° C. using rapid thermal annealing (RTA) or the like in an oxygen atmosphere.
In this way, the Bi layer compound is formed on the lower electrode 4 made of (111) -oriented Pt so as to be preferentially oriented in the c-axis (001), whereby the seed layer 5 can be formed.

なお、Bi層状化合物からなるシード層5の形成については、塗布法としてスピンコート法に代えて液滴吐出法を用いることもでき、また、成膜法としても液相法に代えてレーザーアブレーション法やスパッタ法等の気相法を採用することができる。スパッタ法でシード層5を成膜した場合、成膜後、例えば700℃で一旦ラピッドサーマルアニーリング(RTA)を行う。スパッタリング時電力については、例えば200Wとする。   For the formation of the seed layer 5 made of the Bi layered compound, a droplet discharge method can be used instead of the spin coating method as a coating method, and a laser ablation method can be used as a film forming method instead of the liquid phase method. Alternatively, a vapor phase method such as sputtering can be employed. When the seed layer 5 is formed by sputtering, rapid thermal annealing (RTA) is performed once at, for example, 700 ° C. after the formation. The power during sputtering is set to 200 W, for example.

次いで、図3(d)に示すようにこのシード層5上に圧電体膜6を形成する。圧電体膜6の形成方法(成膜方法)としては、例えば前記のリラクサー材料の前駆体溶液を用いるゾルゲル法等の液相法が採用される。この液相法では、スピンコート法、液滴吐出法等の公知の塗布法で前記の前駆体溶液をシード層5上に配し、その後、焼成等の熱処理を行うことにより、圧電体膜6を得る。具体的には、前記シード層5の形成と同様にして、前駆体溶液の塗布工程、溶媒除去工程〜乾燥熱処理工程〜脱脂熱処理工程の一連の工程を所望する膜厚に応じて適宜回数繰り返し、その後、結晶化アニールを行うことで圧電体膜6を形成する。各工程における条件は、シード層5の形成とほぼ同様とされる。
このようにして形成された圧電体膜6は、c軸配向となり、(001)に優先配向したシード層5上に形成されることで、擬立方晶(100)に配向し易くなり、結果的にペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向したものとなる。
Next, a piezoelectric film 6 is formed on the seed layer 5 as shown in FIG. As a method for forming the piezoelectric film 6 (film forming method), for example, a liquid phase method such as a sol-gel method using a precursor solution of the relaxor material is employed. In this liquid phase method, the precursor solution is disposed on the seed layer 5 by a known coating method such as a spin coating method or a droplet discharge method, and then a heat treatment such as baking is performed, whereby the piezoelectric film 6 Get. Specifically, in the same manner as the formation of the seed layer 5, a series of steps including a precursor solution coating step, a solvent removal step, a drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are repeated as appropriate according to the desired film thickness, Thereafter, crystallization annealing is performed to form the piezoelectric film 6. Conditions in each process are almost the same as the formation of the seed layer 5.
The piezoelectric film 6 formed in this way is c-axis oriented and formed on the seed layer 5 preferentially oriented to (001), so that it becomes easy to orient to pseudo cubic (100), resulting in And a perovskite type having a rhombohedral structure and preferentially oriented to pseudo cubic (100).

ここで、シード層5や圧電体膜6の形成材料である前駆体溶液については、これらシード層5や圧電体膜6となる圧電体材料あるいはリラクサー材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属、すなわち金属アルコキシドや有機酸塩といった有機金属を、各金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解しあるいは分散させることにより、作製する。なお、この前駆体溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加してもよく、さらに、溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、適当な量の水とともに、触媒として酸あるいは塩基を添加してもよい。
なお、この圧電体膜6についても液相法で形成したが、シード層5と同様、レーザーアブレーション法やスパッタ法等の気相法を用いて形成するようにしてもよい。
Here, with respect to the precursor solution that is a material for forming the seed layer 5 and the piezoelectric film 6, an organic metal containing a constituent metal of the piezoelectric material or the relaxor material that becomes the seed layer 5 or the piezoelectric film 6, respectively. That is, it is produced by mixing organic metals such as metal alkoxides and organic acid salts so that each metal has a desired molar ratio, and further dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. In addition, various additives such as stabilizers may be added to the precursor solution as necessary. Further, when hydrolysis / polycondensation is caused in the solution, an appropriate amount of water is added. An acid or a base may be added as a catalyst.
Although the piezoelectric film 6 is also formed by the liquid phase method, it may be formed by using a vapor phase method such as a laser ablation method or a sputtering method as with the seed layer 5.

その後、図3(e)に示すように圧電体膜6上にPtからなる上部電極7を形成し、圧電素子1を得る。この上部電極7の形成については、前記下部電極4と同様に、スパッタ法等によって行うことができる。   Thereafter, an upper electrode 7 made of Pt is formed on the piezoelectric film 6 as shown in FIG. The upper electrode 7 can be formed by sputtering or the like, similar to the lower electrode 4.

このようにして得られた圧電素子1にあっては、リラクサー材料からなる圧電体膜6が、c軸配向となり、(001)に優先配向したシード層5上に形成されているため、この圧電体膜も擬立方晶(100)に良好に優先配向したものとなり、したがって圧電定数が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなる。
なお、本発明の圧電素子は、前述したインクジェット式記録ヘッド用のヘッドアクチュエーターとしてだけでなく、他の圧電アクチェーターとしてももちろん用いることができる。
In the piezoelectric element 1 obtained in this way, the piezoelectric film 6 made of the relaxor material is formed on the seed layer 5 which is c-axis oriented and preferentially oriented to (001). The body film is also well preferentially oriented to pseudo-cubic crystal (100), and thus has a high piezoelectric constant and a greater deformation with respect to the applied voltage.
The piezoelectric element of the present invention can be used not only as a head actuator for the ink jet recording head described above but also as another piezoelectric actuator.

(実施例)
図3(a)〜(e)に示した製造方法に基づき、圧電素子1を以下のようにして作製した。
まず、基板2上に弾性膜3を介して(111)配向のPtからなる下部電極4を、スパッタ法で厚さ100nmに形成した。スパッタリング時の電力は200Wとした。
次に、以下の式に示す3種類の化合物の前駆体溶液を以下のようにして調製した。
・SrBi(Ta1−xNb (但し、x=0.1)(m=2)
・(Bi1−xLaTi12 (但し、x=0.1)(m=3)
・SrBiTi15 (m=4)
各化合物中の構成金属の2エチルヘキサン酸塩を用い、いずれもオクタン、ブトキシエタノール、あるいはキシレン等の溶媒に溶解し、前駆体溶液とした。
(Example)
Based on the manufacturing method shown in FIGS. 3A to 3E, the piezoelectric element 1 was manufactured as follows.
First, the lower electrode 4 made of (111) -oriented Pt was formed on the substrate 2 through the elastic film 3 to a thickness of 100 nm by sputtering. The power during sputtering was 200 W.
Next, precursor solutions of three kinds of compounds represented by the following formulas were prepared as follows.
· SrBi 2 (Ta 1-x Nb x) 2 O 9 ( where, x = 0.1) (m = 2)
(Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12 (where x = 0.1) (m = 3)
・ SrBi 4 Ti 4 O 15 (m = 4)
The constituent metal diethylhexanoate in each compound was used and dissolved in a solvent such as octane, butoxyethanol, or xylene to obtain a precursor solution.

そして、これら前駆体溶液をスピンコート法によって前記下部電極4上にそれぞれ塗布し(前駆体溶液の塗布工程)、続いて溶媒より約10℃高い温度で熱処理(乾燥)して溶媒を除去し(乾燥熱処理工程)、さらに350℃程度に加熱することで有機金属の配位子を分解/除去し(脱脂熱処理工程)、その後、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニーリング(RTA)を用いて600℃程度に加熱し、結晶化を行うことで3種類のシード層5を形成した。各シード層5の膜厚はいずれも20nmであった。   And these precursor solutions are each apply | coated on the said lower electrode 4 by the spin coat method (application process of a precursor solution), Then, it heat-processes at the temperature about 10 degreeC higher than a solvent (dry), and removes a solvent ( Drying heat treatment step), and further decomposing / removing the organometallic ligand by heating to about 350 ° C. (degreasing heat treatment step), and then using rapid thermal annealing (RTA) in an oxygen atmosphere to about 600 ° C. Three types of seed layers 5 were formed by heating and crystallization. The film thickness of each seed layer 5 was 20 nm.

次いで、以下の式に示す3種類のリラクサー材料の前駆体溶液を以下のようにして調製した。
・(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.3)
・(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.1)
・(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.1)
酢酸鉛、チタンイソプロポキシド、酢酸マグネシウム、ニオブエトキシド、さらには亜鉛、ニッケルの酢酸塩またはアルコキシドの各金属試薬をそれぞれ用意し、これらを形成する化合物(リラクサー材料)に対応したモル比となるようにそれぞれ混合するとともに、これらをブチルセロソルブに溶解(分散)させ、さらにこれに溶液の安定化剤としてジエタノールアミンを添加し、前駆体溶液とした。
そして、これら前駆体溶液をスピンコート法によって前記の3種のシード層5上にそれぞれ塗布し(前駆体溶液の塗布工程)、続いて溶媒より約10℃高い温度で熱処理(乾燥)して溶媒を除去し(乾燥熱処理工程)、さらに350℃程度に加熱することで有機金属の配位子を分解/除去し(脱脂熱処理工程)、その後、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニーリング(RTA)を用いて600℃程度に加熱し、結晶化を行うことで、各シード層5上にそれぞれ3種類の圧電体膜6を形成した。
Next, precursor solutions of three kinds of relaxer materials represented by the following formulas were prepared as follows.
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.3)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.1)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.1)
Prepare metal reagents such as lead acetate, titanium isopropoxide, magnesium acetate, niobium ethoxide, as well as zinc, nickel acetate or alkoxide, and have molar ratios corresponding to the compounds (relaxer materials) that form them. These were mixed and dissolved (dispersed) in butyl cellosolve, and diethanolamine was added as a solution stabilizer to prepare a precursor solution.
Then, these precursor solutions are respectively applied onto the three seed layers 5 by the spin coating method (precursor solution applying step), and then heat-treated (dried) at a temperature about 10 ° C. higher than the solvent to obtain a solvent. Is removed (dry heat treatment step) and further heated to about 350 ° C. to decompose / remove the organometallic ligand (degreasing heat treatment step), and then using rapid thermal annealing (RTA) in an oxygen atmosphere. Three types of piezoelectric films 6 were formed on each seed layer 5 by heating to about 600 ° C. and crystallization.

その後、スパッタ法によって各圧電体膜6上にPtからなる上部電極7を形成し、9種類の圧電素子1を得た。
このようにして得られた各圧電素子1における、前記圧電体膜6をX線回折法(XRD)で調べたところ、(100)に優先配向していることが確認され、さらにロンボヘドラル構造であることも確認された。
また、この圧電体膜6の圧電定数(d31)を測定したところ、以下の表に示すようにいずれも400pC/N以上と高く、リーク電流は、100kV/cmのとき、10−5A/cm未満であった。
さらに、圧電素子1の300kV/cm印加時における繰り返し耐久性を調べたところ、10回を保証できる高い耐久性を備えていた。
Thereafter, an upper electrode 7 made of Pt was formed on each piezoelectric film 6 by sputtering, and nine types of piezoelectric elements 1 were obtained.
When the piezoelectric film 6 in each piezoelectric element 1 obtained in this way was examined by X-ray diffraction (XRD), it was confirmed that it was preferentially oriented to (100), and it had a rhombohedral structure. It was also confirmed.
Further, when the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric film 6 was measured, as shown in the following table, all were as high as 400 pC / N or more, and the leak current was 10 −5 A / cm at 100 kV / cm. It was less than cm 2.
Furthermore, were examined repetition durability during 300 kV / cm is applied in the piezoelectric element 1 was provided with high durability can guarantee 10 9 times.

「表」
試料No. シード層 圧電体膜 圧電定数d31(pC/N)
(1) A D 450
(2) A E 410
(3) A F 430
(4) B D 420
(5) B E 460
(6) B F 470
(7) C D 440
(8) C E 480
(9) C F 410
ただし、「シード層」の欄のA、B、Cはそれぞれ以下の式に示すBi層状化合物であり、「圧電体膜」の欄のD、E、Fはそれぞれ以下の式に示すリラクサー材料である。
A;SrBi(Ta1−xNb
(但し、x=0.1)(m=2)
B;(Bi1−xLaTi12
(但し、x=0.1)(m=3)
C;SrBiTi15 (m=4)
D;(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.3)
E;(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.1)
F;(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(但し、x=0.1)
"table"
Sample No. Seed layer Piezoelectric film Piezoelectric constant d 31 (pC / N)
(1) A D 450
(2) A E 410
(3) A F 430
(4) BD 420
(5) B E 460
(6) B F 470
(7) CD 440
(8) CE 480
(9) C F 410
However, A, B, and C in the “seed layer” column are Bi layer compounds shown in the following formula, respectively, and D, E, and F in the “piezoelectric film” column are relaxor materials shown in the following formulas, respectively. is there.
A; SrBi 2 (Ta 1- x Nb x) 2 O 9
(However, x = 0.1) (m = 2)
B; (Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12
(However, x = 0.1) (m = 3)
C; SrBi 4 Ti 4 O 15 (m = 4)
D; (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.3)
E; (1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.1)
F; (1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x = 0.1)

(インクジェット式記録ヘッド)
次に、図1に示した圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図4は、図1に示した圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図5は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図4は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。これらの図において符号50はインクジェット式記録ヘッド(以下、ヘッドと記す)である。このヘッド50は、図4に示すようにヘッド本体57とこれの上に設けられた圧電素子54とを備えて構成されたものである。なお、図4に示した圧電素子54は、図1に示した圧電素子1における下部電極4とシード層5と圧電体膜6と上部電極7とからなるものであり(図5参照)、これらを形成した弾性膜3は、図4において弾性板55となっている。また、基板2は後述するようにヘッド本体57の要部を構成するものとなっている。
(Inkjet recording head)
Next, an ink jet recording head using the piezoelectric element shown in FIG. 1 will be described. FIG. 4 is a side sectional view showing a schematic configuration of an ink jet recording head using the piezoelectric element shown in FIG. 1, and FIG. 5 is an exploded perspective view of the ink jet recording head. Note that FIG. 4 is shown upside down from a normally used state. In these drawings, reference numeral 50 denotes an ink jet recording head (hereinafter referred to as a head). As shown in FIG. 4, the head 50 includes a head main body 57 and a piezoelectric element 54 provided on the head main body 57. 4 includes the lower electrode 4, the seed layer 5, the piezoelectric film 6 and the upper electrode 7 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 (see FIG. 5). 4 is an elastic plate 55 in FIG. The substrate 2 constitutes a main part of the head main body 57 as will be described later.

すなわち、このヘッド50は、図5に示すようにノズル板51と、インク室基板52と、弾性板55と、弾性板55に接合された圧電素子(振動源)54とを備え、これらが基体56に収納されて構成されている。なお、このヘッド50は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成するものとなっている。
ノズル板51は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル511を一列に形成したものである。これらノズル511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
That is, the head 50 includes a nozzle plate 51, an ink chamber substrate 52, an elastic plate 55, and a piezoelectric element (vibration source) 54 joined to the elastic plate 55 as shown in FIG. 56 is housed. The head 50 constitutes an on-demand piezo jet head.
The nozzle plate 51 is composed of, for example, a stainless steel rolling plate or the like, and has a large number of nozzles 511 for ejecting ink droplets formed in a line. The pitch between these nozzles 511 is appropriately set according to the printing accuracy.

このノズル板51には、インク室基板52が固着(固定)されている。このインク室基板52は、前記のSi製の基板2によって形成されたもので、ノズル板51、側壁(隔壁)522および後述する弾性板55により、複数のキャビティー(インクキャビティー)521と、インクカートリッジ631から供給されるインクを一時的に貯留するリザーバ523と、リザーバ523から各キャビティー521に、それぞれインクを供給する供給口524とを区画形成したものである。   An ink chamber substrate 52 is fixed (fixed) to the nozzle plate 51. The ink chamber substrate 52 is formed by the Si substrate 2 described above, and includes a plurality of cavities (ink cavities) 521 by a nozzle plate 51, side walls (partition walls) 522, and an elastic plate 55 described later. A reservoir 523 for temporarily storing ink supplied from the ink cartridge 631 and a supply port 524 for supplying ink from the reservoir 523 to each cavity 521 are partitioned.

これらキャビティー521は、図4に示したように各ノズル511に対応して配設されたもので、後述する弾性板55の振動によってそれぞれ容積可変になっており、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されたものである。
このインク室基板52を得るための母材、すなわち前記の基板2としては、例えば(110)配向のシリコン単結晶基板(Si基板)が用いられている。この(110)配向のシリコン単結晶基板は、異方性エッチングに適しているのでインク室基板52を、容易にかつ確実に形成することができる。なお、このようなシリコン単結晶基板は、図1に示した弾性膜3の形成面、すなわち弾性板55の形成面が(110)面となるようにして用いられている。
These cavities 521 are arranged corresponding to the respective nozzles 511 as shown in FIG. 4, and the volume of each of these cavities 521 is variable due to vibration of an elastic plate 55 described later. It is comprised so that it may do.
As a base material for obtaining the ink chamber substrate 52, that is, the substrate 2, for example, a (110) -oriented silicon single crystal substrate (Si substrate) is used. Since this (110) -oriented silicon single crystal substrate is suitable for anisotropic etching, the ink chamber substrate 52 can be formed easily and reliably. Such a silicon single crystal substrate is used such that the surface on which the elastic film 3 shown in FIG. 1 is formed, that is, the surface on which the elastic plate 55 is formed is the (110) surface.

このインク室基板52の平均厚さ、すなわちキャビティー521を含む厚さとしては、特に限定されないものの、10〜1000μm程度とするのが好ましく、100〜500μm程度とするのがより好ましい。また、キャビティー521の容積としては、特に限定されないものの、0.1〜100nL程度とするのが好ましく、0.1〜10nL程度とするのがより好ましい。   The average thickness of the ink chamber substrate 52, that is, the thickness including the cavity 521 is not particularly limited, but is preferably about 10 to 1000 μm, and more preferably about 100 to 500 μm. Further, the volume of the cavity 521 is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 100 nL, and more preferably about 0.1 to 10 nL.

一方、インク室基板52のノズル板51と反対の側には弾性板55が配設されており、さらに弾性板55のインク室基板52と反対の側には複数の圧電素子54が設けられている。弾性板55は、前述したように図1に示した圧電素子1における弾性膜3によって形成されたものである。この弾性板55の所定位置には、図5に示したように弾性板55の厚さ方向に貫通して連通孔531が形成されている。そして、このような連通孔531により、後述するインクカートリッジ631からリザーバ523へのインクの供給がなされるようになっている。   On the other hand, an elastic plate 55 is provided on the side of the ink chamber substrate 52 opposite to the nozzle plate 51, and a plurality of piezoelectric elements 54 are provided on the side of the elastic plate 55 opposite to the ink chamber substrate 52. Yes. As described above, the elastic plate 55 is formed by the elastic film 3 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. A communication hole 531 is formed at a predetermined position of the elastic plate 55 so as to penetrate in the thickness direction of the elastic plate 55 as shown in FIG. The communication hole 531 supplies ink from an ink cartridge 631 described later to the reservoir 523.

各圧電素子54は、前述したように下部電極4と上部電極7との間に圧電体膜6が介挿されて構成されたもので、各々が各キャビティー521のほぼ中央部に対応して配設されたものである。これら各圧電素子54は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各圧電素子54はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエーター)として機能するものとなっており、弾性板55は、圧電素子54の振動(撓み)によって振動し(撓み)、キャビティー521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能するものとなっている。
基体56は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されたもので、図4に示したようにこの基体56にインク室基板52が固定、支持されている。
Each piezoelectric element 54 is configured by inserting the piezoelectric film 6 between the lower electrode 4 and the upper electrode 7 as described above, and each piezoelectric element 54 corresponds to a substantially central portion of each cavity 521. It is arranged. Each of these piezoelectric elements 54 is electrically connected to a piezoelectric element driving circuit described later, and is configured to operate (vibrate, deform) based on a signal from the piezoelectric element driving circuit. That is, each piezoelectric element 54 functions as a vibration source (head actuator), and the elastic plate 55 vibrates (deflects) due to vibration (deflection) of the piezoelectric element 54, so that the internal pressure of the cavity 521 is reduced. It functions to increase instantaneously.
The base 56 is formed of, for example, various resin materials, various metal materials, and the like, and the ink chamber substrate 52 is fixed and supported on the base 56 as shown in FIG.

このような構成からなるヘッド50は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電素子54の下部電極4と上部電極6との間に電圧が印加されていない状態では、図6(a)に示すように圧電体膜6に変形が生じない。このため、弾性板55にも変形が生じず、キャビティー521には容積変化が生じない。したがって、ノズル511からインク滴は吐出されない。   In the head 50 having such a configuration, a voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 of the piezoelectric element 54 in a state where a predetermined ejection signal is not input via the piezoelectric element driving circuit. In the absence, the piezoelectric film 6 is not deformed as shown in FIG. For this reason, the elastic plate 55 is not deformed, and the cavity 521 does not change in volume. Accordingly, no ink droplet is ejected from the nozzle 511.

一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電素子54の下部電極4と上部電極6との間に一定電圧(例えば30V程度)が印加された状態では、図6(b)に示すように圧電体膜6においてその短軸方向に撓み変形が生じる。これにより、弾性板55が例えば500nm程度撓み、キャビティー521の容積変化が生じる。このとき、キャビティー521内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル511からインク滴が吐出される。   On the other hand, in a state where a predetermined ejection signal is input via the piezoelectric element driving circuit, that is, in a state where a constant voltage (for example, about 30 V) is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 of the piezoelectric element 54, As shown in FIG. 6B, the piezoelectric film 6 is bent and deformed in the minor axis direction. As a result, the elastic plate 55 bends, for example, by about 500 nm, and the volume of the cavity 521 changes. At this time, the pressure in the cavity 521 increases instantaneously, and an ink droplet is ejected from the nozzle 511.

すなわち、電圧を印加すると、圧電体膜6の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態では、圧電体膜6にとっては面内に引っ張り応力が働いていることになる。したがって、この応力によって弾性板55をそらせ、撓ませることになる。キャビティー521の短軸方向での圧電体膜6の変位量(絶対値)が大きければ大きいほど、弾性板55の撓み量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。本発明では、前述したように圧電素子54(1)の圧電体膜6の圧電定数(d31)が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっていることから、弾性板55の撓み量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できるようになっている。 That is, when a voltage is applied, the crystal lattice of the piezoelectric film 6 is stretched in a direction perpendicular to the plane, but is simultaneously compressed in a direction parallel to the plane. In this state, a tensile stress is acting in the plane for the piezoelectric film 6. Therefore, the elastic plate 55 is deflected and bent by this stress. The greater the displacement (absolute value) of the piezoelectric film 6 in the minor axis direction of the cavity 521, the greater the amount of flexure of the elastic plate 55, making it possible to eject ink droplets more efficiently. . In the present invention, as described above, since the piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric film 6 of the piezoelectric element 54 (1) is high and the applied voltage is more deformed, it is elastic. The amount of bending of the plate 55 is increased, and ink droplets can be ejected more efficiently.

ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル511のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティー521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。   Here, “efficient” means that the same amount of ink droplets can be ejected with a smaller voltage. That is, the driver circuit can be simplified and the power consumption can be reduced at the same time, so that the pitch of the nozzles 511 can be formed with higher density. Alternatively, since the length of the long axis of the cavity 521 can be shortened, the entire head can be reduced in size.

このようにして1回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極4と上部電極7との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電素子54は元の形状に戻り、キャビティー521の容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ631からノズル511へ向かう圧力(正方向への圧力)が作用している。このため、空気がノズル511からインク室521へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ631からリザーバ523を経てキャビティー521へ供給される。
このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電素子54に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の(所望の)文字や図形等を印刷することができる。
When the ejection of one ink is completed in this way, the piezoelectric element driving circuit stops applying the voltage between the lower electrode 4 and the upper electrode 7. Thereby, the piezoelectric element 54 returns to its original shape, and the volume of the cavity 521 increases. At this time, the pressure (pressure in the positive direction) from the ink cartridge 631 described later toward the nozzle 511 is applied to the ink. For this reason, air is prevented from entering the ink chamber 521 from the nozzle 511, and an amount of ink corresponding to the ink discharge amount is supplied from the ink cartridge 631 to the cavity 521 through the reservoir 523.
In this way, arbitrary (desired) characters and figures are printed by sequentially inputting ejection signals to the piezoelectric element 54 at the position where ink droplets are to be ejected via the piezoelectric element driving circuit. be able to.

このような構成のヘッド50を製造するには、まず、インク室基板52となる母材、すなわち前述した(110)配向のシリコン単結晶基板(Si基板)からなる基板2を用意する。そして、図3に示したようにこの基板2上に弾性膜3を形成し、さらにその上に下部電極4、シード層5、圧電体膜6、上部電極7を順次形成する。なお、ここで形成した弾性膜3が、弾性板55となるのは前述した通りである。   In order to manufacture the head 50 having such a configuration, first, the base material to be the ink chamber substrate 52, that is, the substrate 2 made of the above-described (110) -oriented silicon single crystal substrate (Si substrate) is prepared. Then, as shown in FIG. 3, the elastic film 3 is formed on the substrate 2, and the lower electrode 4, the seed layer 5, the piezoelectric film 6, and the upper electrode 7 are sequentially formed thereon. The elastic film 3 formed here becomes the elastic plate 55 as described above.

次いで、上部電極7、圧電体膜6、シード層5、下部電極4を、形成する個々のキャビティー521に対応させてパターニングし、図4に示したようにキャビティー521の数に対応した数の圧電素子54を形成する。
次いで、インク室基板52となる母材(基板2)を加工(パターニング)し、前記圧電素子54に対応する位置にそれぞれキャビティー521となる凹部を、また、所定位置にリザーバ523および供給口524となる凹部を形成する。
Next, the upper electrode 7, the piezoelectric film 6, the seed layer 5, and the lower electrode 4 are patterned corresponding to the individual cavities 521 to be formed, and the number corresponding to the number of cavities 521 as shown in FIG. 4. The piezoelectric element 54 is formed.
Next, the base material (substrate 2) to be the ink chamber substrate 52 is processed (patterned), the concave portions to be the cavities 521 are formed at positions corresponding to the piezoelectric elements 54, and the reservoir 523 and the supply port 524 are set at predetermined positions. A recess is formed.

具体的には、キャビティー521、リザーバ523および供給口524を形成すべき位置に合せてマスク層を形成し、その後、例えば平行平板型反応性イオンエッチング、誘導結合型方式、エレクトロンサイクロトロン共鳴方式、ヘリコン波励起方式、マグネトロン方式、プラズマエッチング方式、イオンビームエッチング方式等のドライエッチング、または5重量%〜40重量%程度の水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等の高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチングを行う。   Specifically, a mask layer is formed in accordance with positions where the cavity 521, the reservoir 523, and the supply port 524 are to be formed, and then, for example, a parallel plate type reactive ion etching, an inductively coupled method, an electron cyclotron resonance method, Dry etching such as helicon wave excitation method, magnetron method, plasma etching method, ion beam etching method, etc., or wet etching with high concentration alkaline aqueous solution such as potassium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, etc. Do.

ここで、母材(基板2)として特に(110)配向のシリコン基板を用いた場合には、前述の高濃度アルカリ水溶液を用いたウエットエッチング(異方性エッチング)が好適に採用される。その場合に、この高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチングの際に、弾性膜3をエッチングストッパとして機能させることができ、したがってインク室基板52の形成をより容易に行うことができる。
このようにして母材(基板2)を、その厚さ方向に弾性板55(バッファ層3)が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板52を形成する。なお、このときエッチングされずに残った部分が側壁522となり、また、露出した弾性膜3は、弾性板55としての機能を発揮し得る状態となる。
Here, particularly when a (110) -oriented silicon substrate is used as the base material (substrate 2), the above-described wet etching (anisotropic etching) using a high-concentration alkaline aqueous solution is preferably employed. In this case, the elastic film 3 can function as an etching stopper during the wet etching with the high-concentration alkaline aqueous solution, so that the ink chamber substrate 52 can be formed more easily.
In this manner, the ink chamber substrate 52 is formed by etching away the base material (substrate 2) in the thickness direction until the elastic plate 55 (buffer layer 3) is exposed. At this time, the portion that remains without being etched becomes the side wall 522, and the exposed elastic film 3 is in a state in which the function as the elastic plate 55 can be exhibited.

次いで、複数のノズル511が形成されたノズル板51を、各ノズル511が各キャビティー521となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティー521、リザーバ523および複数の供給口524が形成される。なお、ノズル板51の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法等を用いることができる。
その後、インク室基板52を基体56に取り付け、これによりインクジェット式記録ヘッド50を得る。
Next, the nozzle plate 51 on which the plurality of nozzles 511 are formed is aligned so that each nozzle 511 corresponds to a concave portion that becomes each cavity 521, and bonded in that state. Thereby, a plurality of cavities 521, a reservoir 523, and a plurality of supply ports 524 are formed. For the bonding of the nozzle plate 51, for example, an adhesive method using an adhesive or a fusion method can be used.
Thereafter, the ink chamber substrate 52 is attached to the base body 56, whereby the ink jet recording head 50 is obtained.

このようにして得られたインクジェット式記録ヘッド50にあっては、圧電素子54が良好な圧電特性を有することで効率的な吐出が可能となっていることから、ノズル511の高密度化などが可能となり、したがって高密度印刷や高速印刷を可能にし、さらにはヘッド全体の小型化を図ることができる。   In the ink jet recording head 50 obtained as described above, since the piezoelectric element 54 has good piezoelectric characteristics, it is possible to perform efficient ejection. Accordingly, high-density printing and high-speed printing are possible, and further, the entire head can be miniaturized.

(インクジェットプリンター)
次に、前記インクジェット式記録ヘッド50を備えたインクジェットプリンターについて説明する。なお、本発明においてインクジェットプリンターとは、紙等に印刷するものはもちろん、工業的に用いられる液滴吐出装置も含めたものとする。
(inkjet printer)
Next, an ink jet printer provided with the ink jet recording head 50 will be described. In the present invention, an inkjet printer includes not only printers that print on paper or the like, but also industrially used droplet discharge devices.

図7は、本発明のインクジェットプリンターを、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図であり、図7中符号600はインクジェットプリンターである。なお、以下の説明では、図7中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
インクジェットプリンター600は、装置本体620を備えたもので、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有したものである。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an embodiment in which the ink jet printer of the present invention is applied to a general printer that prints on paper or the like, and reference numeral 600 in FIG. 7 denotes the ink jet printer. In the following description, the upper side in FIG. 7 is referred to as “upper part” and the lower side is referred to as “lower part”.
The ink jet printer 600 includes an apparatus main body 620. The ink jet printer 600 has a tray 621 for placing the recording paper P in the upper rear, a discharge port 622 for discharging the recording paper P in the lower front, and an operation panel on the upper surface. 670.

操作パネル670は、例えば液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、LEDランプ等で構成されたもので、エラーメッセージ等を表示する表示部(図示せず)と、各種スイッチ等で構成される操作部(図示せず)とを備えたものである。
装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を備えた印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。
The operation panel 670 is composed of, for example, a liquid crystal display, an organic EL display, an LED lamp, and the like. A display unit (not shown) for displaying an error message and the like, and an operation unit (not shown) including various switches and the like. Z)).
Inside the apparatus main body 620, there are mainly a printing apparatus 640 provided with a reciprocating head unit 630, a paper feeding apparatus 650 for feeding the recording paper P one by one to the printing apparatus 640, the printing apparatus 640 and the paper feeding apparatus. A control unit 660 for controlling the 650 is provided.

制御部660の制御により、給紙装置650は、記録用紙Pを一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙Pは、ヘッドユニット630の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット630が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙Pへの印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット630の往復動と、記録用紙Pの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれるようになっている。   Under the control of the control unit 660, the paper feeding device 650 intermittently feeds the recording paper P one by one. The recording paper P that is intermittently fed passes near the lower portion of the head unit 630. At this time, the head unit 630 reciprocates in a direction substantially perpendicular to the feeding direction of the recording paper P, and printing on the recording paper P is performed. That is, the reciprocation of the head unit 630 and the intermittent feeding of the recording paper P are the main scanning and the sub-scanning in printing, and ink jet printing is performed.

印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット63を往復動させる往復動機構642とを備えたものである。
ヘッドユニット630は、その下部に、多数のノズル511を備える前記インクジェット式記録ヘッド50と、このインクジェット式記録ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有したものである。
The printing apparatus 640 includes a head unit 630, a carriage motor 641 serving as a drive source for the head unit 630, and a reciprocating mechanism 642 that reciprocates the head unit 63 in response to the rotation of the carriage motor 641. .
The head unit 630 includes the ink jet recording head 50 including a large number of nozzles 511, an ink cartridge 631 that supplies ink to the ink jet recording head 50, and the ink jet recording head 50 and the ink cartridge 631. A carriage 632.

なお、インクカートリッジ631として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック(黒)の4色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、ヘッドユニット630には、各色にそれぞれ対応したインクジェット式記録ヘッド50が設けられることになる。   Note that full-color printing can be performed by using an ink cartridge 631 filled with ink of four colors of yellow, cyan, magenta, and black (black). In this case, the head unit 630 is provided with the ink jet recording head 50 corresponding to each color.

往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有したものである。
キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されたものである。
キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット63が往復動する。そして、この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド50から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われるようになっている。
The reciprocating mechanism 642 includes a carriage guide shaft 643 whose both ends are supported by a frame (not shown), and a timing belt 644 extending in parallel with the carriage guide shaft 643.
The carriage 632 is supported by the carriage guide shaft 643 so as to be able to reciprocate and is fixed to a part of the timing belt 644.
When the timing belt 644 travels forward and backward via a pulley by the operation of the carriage motor 641, the head unit 63 reciprocates while being guided by the carriage guide shaft 643. During this reciprocation, ink is appropriately discharged from the ink jet recording head 50 and printing on the recording paper P is performed.

給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有したものである。
給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されたものであり、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されたものである。このような構成によって給紙ローラ652は、トレイ621に設置した多数枚の記録用紙Pを、印刷装置640に向かって1枚ずつ送り込めるようになっている。なお、トレイ621に代えて、記録用紙Pを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成としてもよい。
The sheet feeding device 650 includes a sheet feeding motor 651 as a driving source and a sheet feeding roller 652 that rotates by the operation of the sheet feeding motor 651.
The paper feed roller 652 is composed of a driven roller 652a and a drive roller 652b that are vertically opposed to each other with a feeding path (recording paper P) of the recording paper P interposed therebetween. The drive roller 652b is a paper feed motor 651. It is connected to. With such a configuration, the paper feed roller 652 can feed a large number of recording sheets P installed on the tray 621 one by one toward the printing apparatus 640. Instead of the tray 621, a configuration in which a paper feed cassette that stores the recording paper P can be detachably mounted may be employed.

制御部660は、例えばパーソナルコンピュータやディジタルカメラ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置640や給紙装置650等を制御することにより印刷を行うものである。
この制御部660には、いずれも図示しないものの、主に各部を制御する制御プログラム等を記憶するメモリ、圧電素子(振動源)54を駆動してインクの吐出タイミングを制御する圧電素子駆動回路、印刷装置640(キャリッジモータ641)を駆動する駆動回路、給紙装置650(給紙モータ651)を駆動する駆動回路、およびホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うCPUとが備えられている。
The control unit 660 performs printing by controlling the printing device 640, the paper feeding device 650, and the like based on print data input from a host computer such as a personal computer or a digital camera.
Although not shown in the figure, the control unit 660 mainly stores a memory that stores a control program for controlling each unit, a piezoelectric element driving circuit that drives the piezoelectric element (vibration source) 54 to control the ink ejection timing, A driving circuit for driving the printing device 640 (carriage motor 641), a driving circuit for driving the paper feeding device 650 (paper feeding motor 651), and a communication circuit for obtaining print data from the host computer, and electrically connected thereto And a CPU for performing various controls in each unit.

また、CPUには、例えば、インクカートリッジ631のインク残量、ヘッドユニット63の位置、温度、湿度等の印刷環境等を検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。
制御部660は、通信回路を介して印刷データを入手してメモリに格納する。CPUは、この印刷データを処理し、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づき、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号により圧電素子54、印刷装置640および給紙装置650は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙Pに所望の印刷がなされる。
In addition, for example, various sensors capable of detecting a printing environment such as the remaining amount of ink in the ink cartridge 631, the position of the head unit 63, temperature, and humidity are electrically connected to the CPU.
The control unit 660 obtains print data via the communication circuit and stores it in the memory. The CPU processes the print data and outputs a drive signal to each drive circuit based on the process data and input data from various sensors. The piezoelectric element 54, the printing device 640, and the paper feeding device 650 are operated by this drive signal. Thus, desired printing is performed on the recording paper P.

このようなインクジェットプリンター600にあっては、前述したように高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド50を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能なものとなる。
なお、本発明のインクジェットプリンター600は、前述したように工業的に用いられる液滴吐出装置とすることもできる。その場合に吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整し、使用する。
Such an ink jet printer 600 includes the ink jet recording head 50 capable of high-performance and high-density nozzles as described above, so that high-density printing and high-speed printing are possible.
In addition, the inkjet printer 600 of the present invention can be a droplet discharge device used industrially as described above. In this case, as the ink (liquid material) to be ejected, various functional materials are adjusted to an appropriate viscosity with a solvent or a dispersion medium and used.

また、本発明の圧電素子は、前述したインクジェット式記録ヘッド50やインクジェットプリンター600に適用されるだけでなく、種々のデバイスにも適用可能である。
以下、このようなデバイスとして、本発明に係る表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、並びに電子機器の実施形態を、図面を参照して説明する。
In addition, the piezoelectric element of the present invention can be applied not only to the ink jet recording head 50 and the ink jet printer 600 described above, but also to various devices.
Hereinafter, embodiments of a surface acoustic wave element, a frequency filter, an oscillator, an electronic circuit, a thin film piezoelectric resonator, and an electronic apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(表面弾性波素子)
図8に、本発明の圧電素子、すなわち図1に示したシード層5と圧電体膜6とを有する圧電素子を備えた表面弾性波素子の一実施形態を示す。
この表面弾性波素子は、単結晶シリコン基板11と、酸化物薄膜層12と、シード層13と、圧電体膜14と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層15と、電極16とから構成されている。電極16はインターディジタル型電極(Inter−Digital Transducer:以下、「IDT電極」と表記する)であり、上部から観察すると、例えば後述する図9及び図10に示すインターディジタル型電極141、142、151、152、153のような形状を有するものである。
(Surface acoustic wave device)
FIG. 8 shows an embodiment of a surface acoustic wave device including the piezoelectric element of the present invention, that is, a piezoelectric element having the seed layer 5 and the piezoelectric film 6 shown in FIG.
This surface acoustic wave device includes a single crystal silicon substrate 11, an oxide thin film layer 12, a seed layer 13, a piezoelectric film 14, a protective layer 15 made of oxide or nitride as a protective film, and an electrode 16. It consists of and. The electrode 16 is an inter-digital electrode (Inter-Digital Transducer: hereinafter referred to as “IDT electrode”). When viewed from above, for example, the inter-digital electrodes 141, 142, 151 shown in FIG. 9 and FIG. , 152, and 153.

このような構成からなる表面弾性波素子を製造するには、まず、単結晶シリコン基板11として(100)単結晶シリコン基板を用意する。
次に、この単結晶シリコン基板11上に、レーザーアブレーション法等を用いて例えばIrOやTiOの薄膜を形成し、酸化物薄膜層12とする。
In order to manufacture the surface acoustic wave device having such a configuration, first, a (100) single crystal silicon substrate is prepared as the single crystal silicon substrate 11.
Next, a thin film of, for example, IrO 2 or TiO 2 is formed on the single crystal silicon substrate 11 using a laser ablation method or the like to form an oxide thin film layer 12.

次いで、酸化物薄膜層12上に、前記圧電素子1の形成の場合と同様にして液相法でシード層13を形成し、さらにこの上に液相法で圧電体膜14を形成する。
次いで、この圧電体膜14上に、保護膜15としてSiO膜を例えばレーザーアブレーション法によって形成する。この保護膜15は、圧電体膜14を雰囲気から保護して例えば雰囲気中の水分や不純物による影響を防ぐと同時に、圧電体膜14の温度特性をコントロールする役割も果たす。なお、このような目的を満たす限り、保護膜の材質としてはSiOに限定されるものではない。
Next, a seed layer 13 is formed on the oxide thin film layer 12 by a liquid phase method in the same manner as in the formation of the piezoelectric element 1, and a piezoelectric film 14 is further formed thereon by a liquid phase method.
Next, a SiO 2 film is formed as a protective film 15 on the piezoelectric film 14 by, for example, a laser ablation method. The protective film 15 protects the piezoelectric film 14 from the atmosphere to prevent the influence of moisture and impurities in the atmosphere, for example, and also serves to control the temperature characteristics of the piezoelectric film 14. As long as such a purpose is satisfied, the material of the protective film is not limited to SiO 2 .

その後、保護層15上に例えばアルミニウム薄膜を成膜し、続いてこれをパターニングすることにより、IDTと呼ばれる所望の形状の電極16を形成し、図8に示した表面弾性波素子を得る。
このようにして得られた表面弾性波素子にあっては、圧電体膜14が良好な圧電特性を有していることにより、この表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
Thereafter, for example, an aluminum thin film is formed on the protective layer 15 and then patterned to form an electrode 16 having a desired shape called IDT, thereby obtaining the surface acoustic wave device shown in FIG.
In the surface acoustic wave device thus obtained, the surface acoustic wave device itself has high performance because the piezoelectric film 14 has good piezoelectric characteristics.

(周波数フィルタ)
図9に、本発明の周波数フィルタの一実施形態を示す。
図9に示すように、周波数フィルタは基板140を有するものである。この基板140としては、例えば図8に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、(100)単結晶シリコン基板11上に酸化物薄膜層12と、シード層13と、圧電体膜14と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層15とをこの順に積層した基板である。
(Frequency filter)
FIG. 9 shows an embodiment of the frequency filter of the present invention.
As shown in FIG. 9, the frequency filter has a substrate 140. As the substrate 140, for example, a substrate on which a surface acoustic wave element shown in FIG. 8 is formed is used. That is, an oxide thin film layer 12, a seed layer 13, a piezoelectric film 14, and a protective layer 15 made of oxide or nitride as a protective film are stacked in this order on a (100) single crystal silicon substrate 11. It is a substrate.

基板140の上面には、IDT電極141及び142が形成されている。IDT電極141、142は、例えばAl又はAl合金によって形成されたもので、その厚みはIDT電極141、142のピッチの100分の1程度に設定されている。また、IDT電極141、142を挟むように、基板140の上面には吸音部143、144が形成されている。吸音部143、144は、基板140の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基板140上に形成されたIDT電極141には高周波信号源145が接続されており、IDT電極142には信号線が接続されている。   IDT electrodes 141 and 142 are formed on the upper surface of the substrate 140. The IDT electrodes 141 and 142 are made of, for example, Al or an Al alloy, and the thickness thereof is set to about 1/100 of the pitch of the IDT electrodes 141 and 142. Further, sound absorbing portions 143 and 144 are formed on the upper surface of the substrate 140 so as to sandwich the IDT electrodes 141 and 142. The sound absorbing parts 143 and 144 absorb surface acoustic waves that propagate on the surface of the substrate 140. A high frequency signal source 145 is connected to the IDT electrode 141 formed on the substrate 140, and a signal line is connected to the IDT electrode 142.

前記構成において、高周波信号源145から高周波信号が出力されると、この高周波信号はIDT電極141に印加され、これによって基板140の上面に表面弾性波が発生する。この表面弾性波は、約5000m/s程度の速度で基板140上面を伝播する。IDT電極141から吸音部143側へ伝播した表面弾性波は、吸音部143で吸収されるが、IDT電極142側へ伝播した表面弾性波のうち、IDT電極142のピッチ等に応じて定まる特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子146a、146bに取り出される。なお、前記特定の周波数又は特定の帯域の周波数以外の周波数成分は、大部分がIDT電極142を通過して吸音部144に吸収される。このようにして、本実施形態の周波数フィルタが備えるIDT電極141に供給した電気信号の内、特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る(フィルタリングする)ことができる。   In the above configuration, when a high frequency signal is output from the high frequency signal source 145, the high frequency signal is applied to the IDT electrode 141, thereby generating a surface acoustic wave on the upper surface of the substrate 140. The surface acoustic wave propagates on the upper surface of the substrate 140 at a speed of about 5000 m / s. The surface acoustic wave propagated from the IDT electrode 141 to the sound absorbing portion 143 side is absorbed by the sound absorbing portion 143. Of the surface acoustic waves propagated to the IDT electrode 142 side, the specific surface acoustic wave is determined according to the pitch of the IDT electrode 142 or the like. A surface acoustic wave having a frequency or a frequency in a specific band is converted into an electric signal and taken out to terminals 146a and 146b through signal lines. Note that most of the frequency components other than the specific frequency or the frequency in the specific band pass through the IDT electrode 142 and are absorbed by the sound absorbing unit 144. In this way, it is possible to obtain (filter) only a surface acoustic wave having a specific frequency or a specific band of the electric signal supplied to the IDT electrode 141 included in the frequency filter of the present embodiment.

(発振器)
図10に、本発明の発振器の一実施形態を示す。
図10に示すように、発振器は基板150を有するものである。この基板150としては、先の周波数フィルタと同様に、例えば図8に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、(100)単結晶シリコン基板11上に酸化物薄膜層12と、シード層13と、圧電体膜14と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層15とをこの順に積層した基板である。
(Oscillator)
FIG. 10 shows an embodiment of the oscillator of the present invention.
As shown in FIG. 10, the oscillator has a substrate 150. As the substrate 150, for example, a substrate on which the surface acoustic wave element shown in FIG. That is, an oxide thin film layer 12, a seed layer 13, a piezoelectric film 14, and a protective layer 15 made of oxide or nitride as a protective film are stacked in this order on a (100) single crystal silicon substrate 11. It is a substrate.

基板150の上面には、IDT電極151が形成されており、さらに、IDT電極151を挟むように、IDT電極152、153が形成されている。IDT電極151〜153は、例えばAl又はAl合金によって形成されたもので、それぞれの厚みはIDT電極151〜153各々のピッチの100分の1程度に設定されている。IDT電極151を構成する一方の櫛歯状電極151aには、高周波信号源154が接続されており、他方の櫛歯状電極151bには、信号線が接続されている。なお、IDT電極151は、電気信号印加用電極に相当し、IDT電極152、153は、IDT電極151によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。   An IDT electrode 151 is formed on the upper surface of the substrate 150, and IDT electrodes 152 and 153 are formed so as to sandwich the IDT electrode 151. The IDT electrodes 151 to 153 are made of, for example, Al or an Al alloy, and each thickness is set to about 1/100 of the pitch of the IDT electrodes 151 to 153. A high frequency signal source 154 is connected to one comb-like electrode 151a constituting the IDT electrode 151, and a signal line is connected to the other comb-like electrode 151b. The IDT electrode 151 corresponds to an electric signal application electrode, and the IDT electrodes 152 and 153 are used for resonance to resonate a specific frequency component of a surface acoustic wave generated by the IDT electrode 151 or a frequency component of a specific band. It corresponds to an electrode.

前記構成において、高周波信号源154から高周波信号が出力されると、この高周波信号は、IDT電極151の一方の櫛歯状電極151aに印加され、これによって基板150の上面にIDT電極152側に伝播する表面弾性波及びIDT電極153側に伝播する表面弾性波が発生する。なお、この表面弾性波の速度は5000m/s程度である。これらの表面弾性波の内の特定の周波数成分の表面弾性波は、IDT電極152及びIDT電極153で反射され、IDT電極152とIDT電極153との間には定在波が発生する。この特定の周波数成分の表面弾性波がIDT電極152、153で反射を繰り返すことにより、特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分が共振して、振幅が増大する。この特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分の表面弾性波の一部は、IDT電極151の他方の櫛歯状電極151bから取り出され、IDT電極152とIDT電極153との共振周波数に応じた周波数(又はある程度の帯域を有する周波数)の電気信号が端子155aと端子155bに取り出すことができる。   In the above configuration, when a high-frequency signal is output from the high-frequency signal source 154, this high-frequency signal is applied to one comb-like electrode 151a of the IDT electrode 151, thereby propagating to the IDT electrode 152 side on the upper surface of the substrate 150. The surface acoustic wave that propagates and the surface acoustic wave that propagates to the IDT electrode 153 side are generated. The surface acoustic wave velocity is about 5000 m / s. Of these surface acoustic waves, the surface acoustic waves having a specific frequency component are reflected by the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153, and a standing wave is generated between the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153. When the surface acoustic wave having the specific frequency component is repeatedly reflected by the IDT electrodes 152 and 153, the specific frequency component or the frequency component in the specific band resonates and the amplitude increases. A part of the surface acoustic wave of the specific frequency component or the frequency component of the specific band is extracted from the other comb-shaped electrode 151b of the IDT electrode 151, and corresponds to the resonance frequency of the IDT electrode 152 and the IDT electrode 153. An electric signal having a frequency (or a frequency having a certain band) can be taken out to the terminals 155a and 155b.

図11は、本発明の発振器(表面弾性波素子)をVCSO(Voltage Controlled SAW Oscillator:電圧制御SAW発振器)に応用した場合の一例を示す図であり、(a)は側面透視図であり、(b)は上面透視図である。
VCSOは、金属製(Al又はステンレススチール製)の筐体60内部に実装されて構成されている。基板61上には、IC(Integrated Circuit)62及び発振器63が実装されている。この場合、IC62は、外部の回路(不図示)から入力される電圧値に応じて、発振器63に印加する周波数を制御する発振回路である。
FIG. 11 is a diagram showing an example in which the oscillator (surface acoustic wave device) of the present invention is applied to a VCSO (Voltage Controlled SAW Oscillator), and (a) is a side perspective view. b) is a top perspective view.
The VCSO is configured to be mounted inside a metal (Al or stainless steel) housing 60. On the substrate 61, an IC (Integrated Circuit) 62 and an oscillator 63 are mounted. In this case, the IC 62 is an oscillation circuit that controls the frequency applied to the oscillator 63 in accordance with a voltage value input from an external circuit (not shown).

発振器63は、基板64上に、IDT電極65a〜65cが形成されており、その構成は、図10に示した発振器とほぼ同様である。なお、基板64には、先の例と同様で図8に示したように、(100)単結晶シリコン基板11上に酸化物薄膜層12と、シード層13と、圧電体膜14と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層15とをこの順に積層した基板である。
基板61上には、IC62と発振器63とを電気的に接続するための配線66がパターニングされている。IC62及び配線66が例えば金線等のワイヤー線67によって接続され、発振器63及び配線66が金線等のワイヤー線68によって接続されることにより、IC62と発振器63とが配線66を介して電気的に接続されている。
In the oscillator 63, IDT electrodes 65a to 65c are formed on a substrate 64, and the configuration thereof is substantially the same as that of the oscillator shown in FIG. As shown in FIG. 8, the substrate 64 is formed on the (100) single crystal silicon substrate 11, the oxide thin film layer 12, the seed layer 13, the piezoelectric film 14, and the protective film. This is a substrate in which a protective layer 15 made of oxide or nitride as a film is laminated in this order.
A wiring 66 for electrically connecting the IC 62 and the oscillator 63 is patterned on the substrate 61. The IC 62 and the wiring 66 are connected by a wire line 67 such as a gold wire, and the oscillator 63 and the wiring 66 are connected by a wire line 68 such as a gold wire, so that the IC 62 and the oscillator 63 are electrically connected via the wiring 66. It is connected to the.

また、前記のVCSOは、IC62と発振器(表面弾性波素子)63を同一基板上に集積させて形成することも可能である。
図12に、IC62と発振器63とを集積させたVCSOの概略図を示す。なお、図10中において発振器63は、図8に示した表面弾性波素子において第2の酸化物薄膜層13の形成を省略した構造を有するものとしている。
図12に示すように、VCSOは、IC62と発振器63とにおいて、単結晶シリコン基板61(11)を共有させて形成されている。IC62と、発振器63に備えられた電極65a(15)とは、図示しないものの電気的に接続されている。本実施形態では、IC62を構成するトランジスタとして、特に、TFT(薄膜トランジスタ)を採用している。
The VCSO may be formed by integrating the IC 62 and the oscillator (surface acoustic wave element) 63 on the same substrate.
FIG. 12 shows a schematic diagram of a VCSO in which an IC 62 and an oscillator 63 are integrated. In FIG. 10, the oscillator 63 has a structure in which the formation of the second oxide thin film layer 13 is omitted in the surface acoustic wave device shown in FIG.
As shown in FIG. 12, the VCSO is formed by sharing the single crystal silicon substrate 61 (11) in the IC 62 and the oscillator 63. Although not shown, the IC 62 and the electrode 65a (15) provided in the oscillator 63 are electrically connected. In the present embodiment, in particular, a TFT (thin film transistor) is employed as the transistor constituting the IC 62.

IC62を構成するトランジスタとしてTFTを採用することにより、本実施形態では、まず、単結晶シリコン基板61上に発振器(表面弾性波素子)63を形成し、その後、単結晶シリコン基板61とは別の第2の基板上で形成したTFTを、単結晶シリコン基板61上に転写させて、TFTと発振器63を集積させることができる。したがって、基板上にTFTを直接形成させることが困難か、形成させることが適さない材料であっても、転写により好適に形成させることが可能となる。転写方法については、種々の方法が採用可能であるが、特に、特開平11−26733号公報に記載の転写方法が好適に採用できる。   By adopting a TFT as a transistor constituting the IC 62, in this embodiment, first, an oscillator (surface acoustic wave element) 63 is formed on the single crystal silicon substrate 61, and then different from the single crystal silicon substrate 61. The TFT formed on the second substrate can be transferred onto the single crystal silicon substrate 61 so that the TFT and the oscillator 63 can be integrated. Therefore, even if it is difficult to form the TFT directly on the substrate or it is not suitable to form the TFT, it can be suitably formed by transfer. Various methods can be adopted as the transfer method, and in particular, the transfer method described in JP-A-11-26733 can be preferably used.

図11及び図12に示したVCSOは、例えば、図13に示すPLL回路のVCO(Voltage Controlled Oscillator)として用いられる。ここで、PLL回路について簡単に説明する。
図13はPLL回路の基本構成を示すブロック図であり、この図13に示すようにPLL回路は、位相比較器71、低域フィルタ72、増幅器73、及びVCO74から構成されている。位相比較器71は、入力端子70から入力される信号の位相(又は周波数)とVCO74から出力される信号の位相(又は周波数)とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力するものである。低域フィルタ72は、位相比較器71から出力される誤差電圧信号の位置の低周波成分のみを通過させるものであり、増幅器73は、低域フィルタ72から出力される信号を増幅するものである。VCO74は、入力された電圧値に応じて発振する周波数がある範囲で連続的に変化する発振回路である。
The VCSO shown in FIGS. 11 and 12 is used, for example, as a VCO (Voltage Controlled Oscillator) of the PLL circuit shown in FIG. Here, the PLL circuit will be briefly described.
FIG. 13 is a block diagram showing the basic configuration of the PLL circuit. As shown in FIG. 13, the PLL circuit includes a phase comparator 71, a low-pass filter 72, an amplifier 73, and a VCO 74. The phase comparator 71 compares the phase (or frequency) of the signal input from the input terminal 70 with the phase (or frequency) of the signal output from the VCO 74, and an error voltage whose value is set according to the difference. A signal is output. The low-pass filter 72 passes only the low-frequency component at the position of the error voltage signal output from the phase comparator 71, and the amplifier 73 amplifies the signal output from the low-pass filter 72. . The VCO 74 is an oscillation circuit that continuously changes within a certain range according to an input voltage value.

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

(電子回路及び電子機器)
図14に、本発明の電子回路の一実施形態として、その電気的構成をブロック図で示す。なお、図14に示す電子回路は、例えば、図15に示す携帯電話機100の内部に設けられる回路である。ここで、図15に示した携帯電話機100は、本発明の電子機器の一例としてのもので、アンテナ101、受話器102、送話器103、液晶表示部104、及び操作釦部105等を備えて構成されたものである。
(Electronic circuit and electronic equipment)
FIG. 14 is a block diagram showing an electrical configuration as an embodiment of the electronic circuit of the present invention. Note that the electronic circuit illustrated in FIG. 14 is, for example, a circuit provided in the mobile phone 100 illustrated in FIG. Here, the cellular phone 100 shown in FIG. 15 is an example of the electronic apparatus of the present invention, and includes an antenna 101, a receiver 102, a transmitter 103, a liquid crystal display unit 104, an operation button unit 105, and the like. It is configured.

図14に示した電子回路は、前記携帯電話機100内に設けられる電子回路の基本構成を有したもので、送話器80、送信信号処理回路81、送信ミキサ82、送信フィルタ83、送信電力増幅器84、送受分波器85、アンテナ86a,86b、低雑音増幅器87、受信フィルタ88、受信ミキサ89、受信信号処理回路90、受話器91、周波数シンセサイザ92、制御回路93、及び入力/表示回路94を備えて構成されたものである。なお、現在実用化されている携帯電話機は、周波数変換処理を複数回行っているため、その回路構成はより複雑となっている。   The electronic circuit shown in FIG. 14 has a basic configuration of the electronic circuit provided in the mobile phone 100, and includes a transmitter 80, a transmission signal processing circuit 81, a transmission mixer 82, a transmission filter 83, and a transmission power amplifier. 84, transmitter / receiver demultiplexer 85, antennas 86a and 86b, low noise amplifier 87, reception filter 88, reception mixer 89, reception signal processing circuit 90, receiver 91, frequency synthesizer 92, control circuit 93, and input / display circuit 94 It is prepared. In addition, since the cellular phone currently in practical use performs frequency conversion processing a plurality of times, its circuit configuration is more complicated.

送話器80は、例えば音波信号を電気信号に変換するマイクロフォン等で実現されるもので、図15に示す携帯電話機100中の送話器103に相当するものである。送信信号処理回路81は、送話器80から出力される電気信号に対して、例えばD/A変換処理、変調処理等の処理を施す回路である。送信ミキサ82は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて送信信号処理回路81から出力される信号をミキシングするものである。なお、送信ミキサ82に供給される信号の周波数は、例えば380MHz程度である。送信フィルタ83は、中間周波数(以下、「IF」と表記する)の必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。なお、送信フィルタ83から出力される信号は、図示しない変換回路によってRF信号に変換されるようになっている。このRF信号の周波数は、例えば1.9GHz程度である。送信電力増幅器84は、送信フィルタ83から出力されるRF信号の電力を増幅し、送受分波器85へ出力するものである。   The transmitter 80 is realized by, for example, a microphone that converts a sound wave signal into an electric signal, and corresponds to the transmitter 103 in the mobile phone 100 shown in FIG. The transmission signal processing circuit 81 is a circuit that performs processing such as D / A conversion processing and modulation processing on the electrical signal output from the transmitter 80. The transmission mixer 82 mixes the signal output from the transmission signal processing circuit 81 using the signal output from the frequency synthesizer 92. The frequency of the signal supplied to the transmission mixer 82 is about 380 MHz, for example. The transmission filter 83 passes only a signal having a frequency that requires an intermediate frequency (hereinafter referred to as “IF”) and cuts a signal having an unnecessary frequency. The signal output from the transmission filter 83 is converted into an RF signal by a conversion circuit (not shown). The frequency of this RF signal is, for example, about 1.9 GHz. The transmission power amplifier 84 amplifies the power of the RF signal output from the transmission filter 83 and outputs it to the transmission / reception duplexer 85.

送受分波器85は、送信電力増幅器84から出力されるRF信号をアンテナ86a,86bへ出力し、アンテナ86a,86bから電波の形で送信するものである。また、送受分波器85は、アンテナ86a,86bで受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器87へ出力するものである。なお、送受信分波器85から出力される受信信号の周波数は、例えば2.1GHz程度である。低雑音増幅器87は、送受分波器85からの受信信号を増幅するものである。なお、低雑音増幅器87から出力される信号は、図示しない変換回路によってIFに変換されるようになっている。   The transmitter / receiver demultiplexer 85 outputs the RF signal output from the transmission power amplifier 84 to the antennas 86a and 86b, and transmits the signals in the form of radio waves from the antennas 86a and 86b. The transmitter / receiver demultiplexer 85 demultiplexes the received signals received by the antennas 86 a and 86 b and outputs the demultiplexed signals to the low noise amplifier 87. The frequency of the reception signal output from the transmission / reception demultiplexer 85 is, for example, about 2.1 GHz. The low noise amplifier 87 amplifies the received signal from the transmitter / receiver demultiplexer 85. The signal output from the low noise amplifier 87 is converted to IF by a conversion circuit (not shown).

受信フィルタ88は、図示しない変換回路によって変換されたIFの必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。受信ミキサ89は、周波数シンセサイザ92から出力される信号を用いて、送信信号処理回路81から出力される信号をミキシングするものである。なお、受信ミキサ89に供給される中間周波数は、例えば190MHz程度である。受信信号処理回路90は、受信ミキサ89から出力される信号に対して、例えばA/D変換処理、復調処理等の処理を施す回路である。受話器91は、例えば電気信号を音波に変換する小型スピーカ等で実現されるもので、図17に示した携帯電話機100中の受話器102に相当するものである。   The reception filter 88 passes only a signal having a frequency required for IF converted by a conversion circuit (not shown), and cuts a signal having an unnecessary frequency. The reception mixer 89 mixes the signal output from the transmission signal processing circuit 81 using the signal output from the frequency synthesizer 92. The intermediate frequency supplied to the receiving mixer 89 is, for example, about 190 MHz. The reception signal processing circuit 90 is a circuit that performs processing such as A / D conversion processing and demodulation processing on the signal output from the reception mixer 89. The receiver 91 is realized by, for example, a small speaker that converts an electric signal into a sound wave, and corresponds to the receiver 102 in the mobile phone 100 shown in FIG.

周波数シンセサイザ92は、送信ミキサ82へ供給する信号(例えば、周波数380MHz程度)及び受信ミキサ89へ供給する信号(例えば、周波数190MHz)を生成する回路である。なお、周波数シンセサイザ92は、例えば760MHzの発振周波数で発信するPLL回路を備え、このPLL回路から出力される信号を分周して周波数が380MHzの信号を生成し、さらに分周して周波数が190MHzの信号を生成するようになっている。制御回路93は、送信信号処理回路81、受信信号処理回路90、周波数シンセサイザ92、及び入力/表示回路94を制御することにより、携帯電話機の全体動作を制御するものである。入力/表示回路94は、図15に示した携帯電話機100の使用者に対して機器の状態を表示したり、操作者の指示を入力するためのものであり、例えばこの携帯電話機100の液晶表示部104及び操作釦部105に相当するものである。   The frequency synthesizer 92 is a circuit that generates a signal to be supplied to the transmission mixer 82 (for example, a frequency of about 380 MHz) and a signal to be supplied to the reception mixer 89 (for example, a frequency of 190 MHz). Note that the frequency synthesizer 92 includes a PLL circuit that transmits at an oscillation frequency of, for example, 760 MHz, divides the signal output from the PLL circuit to generate a signal having a frequency of 380 MHz, and further divides the frequency to 190 MHz. The signal is generated. The control circuit 93 controls the overall operation of the mobile phone by controlling the transmission signal processing circuit 81, the reception signal processing circuit 90, the frequency synthesizer 92, and the input / display circuit 94. The input / display circuit 94 is for displaying the state of the device to the user of the mobile phone 100 shown in FIG. 15 and inputting an instruction from the operator. This corresponds to the unit 104 and the operation button unit 105.

以上の構成の電子回路において、送信フィルタ83及び受信フィルタ88として、図9に示した周波数フィルタが用いられている。フィルタリングする周波数(通過させる周波数)は、送信ミキサ82から出力される信号の内の必要となる周波数、及び、受信ミキサ89で必要となる周波数に応じて送信フィルタ83及び受信フィルタ88で個別に設定されている。また、周波数シンセサイザ92内に設けられるPLL回路は、図11に示したPLL回路のVCO74として、図11に示した発振器又は図12に示した発振器(VCSO)を設けたものである。   In the electronic circuit having the above configuration, the frequency filter shown in FIG. 9 is used as the transmission filter 83 and the reception filter 88. The frequency to be filtered (frequency to be passed) is individually set by the transmission filter 83 and the reception filter 88 according to the frequency required in the signal output from the transmission mixer 82 and the frequency required by the reception mixer 89. Has been. The PLL circuit provided in the frequency synthesizer 92 is provided with the oscillator shown in FIG. 11 or the oscillator (VCSO) shown in FIG. 12 as the VCO 74 of the PLL circuit shown in FIG.

(薄膜圧電共振器)
図16に、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す。図16中符号30は特に通信用素子や通信用フィルタとして用いられるダイアフラム型の薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器30は、単結晶シリコン基板からなる基体31上に、弾性板32を介して共振子33を形成したものである。
基体31は、(110)配向した厚さ200μm程度の単結晶シリコン基板からなるもので、その底面側(共振子32と反対の側)には、該基体31の底面側から上面側にまで貫通するビアホール34が形成されている。
(Thin film piezoelectric resonator)
FIG. 16 shows an embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. Reference numeral 30 in FIG. 16 denotes a diaphragm-type thin film piezoelectric resonator particularly used as a communication element or a communication filter. The thin film piezoelectric resonator 30 has an elastic plate 32 on a base 31 made of a single crystal silicon substrate. A resonator 33 is formed through the gap.
The base 31 is made of a (110) -oriented single crystal silicon substrate having a thickness of about 200 μm, and penetrates from the bottom side to the top side of the base 31 on the bottom side (the side opposite to the resonator 32). A via hole 34 is formed.

弾性板32は、本実施形態では図1に示した圧電素子1における弾性膜3によって形成されたもので、前記基体31の(110)面上に形成されたものである。また、共振子33は、図1に示した圧電素子1における下部電極4、シード層5、圧電体膜6、上部電極7によって形成されている。このような構成のもとに薄膜圧電共振器30は、基体31上に図1に示した圧電素子1の主部(基体2を除く部分)をそのまま形成した構成のものとなっている。   In this embodiment, the elastic plate 32 is formed by the elastic film 3 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1, and is formed on the (110) surface of the base 31. The resonator 33 is formed by the lower electrode 4, the seed layer 5, the piezoelectric film 6, and the upper electrode 7 in the piezoelectric element 1 shown in FIG. Based on such a configuration, the thin film piezoelectric resonator 30 has a configuration in which the main part (portion excluding the base 2) of the piezoelectric element 1 shown in FIG.

なお、この弾性板32については、例えば基体31上に窒化シリコン(SiN)を厚さ200nm程度に形成し、さらにその上に二酸化シリコン(SiO)を厚さ400nm〜3μm程度に形成しておき、これらの上に前記弾性膜3を形成して、これら窒化シリコンと二酸化シリコンと弾性膜3との積層膜を弾性板32としてもよい。また、このように基体2上に窒化シリコンと二酸化シリコンとを形成する場合、弾性膜3を形成せず、これら積層膜のみから弾性板32を形成するようにしてもよい。 As for the elastic plate 32, for example, silicon nitride (SiN) is formed to a thickness of about 200 nm on the substrate 31, and silicon dioxide (SiO 2 ) is further formed to a thickness of about 400 nm to 3 μm. Alternatively, the elastic film 3 may be formed thereon, and a laminated film of these silicon nitride, silicon dioxide, and elastic film 3 may be used as the elastic plate 32. Further, when silicon nitride and silicon dioxide are formed on the base 2 in this way, the elastic plate 32 may be formed only from these laminated films without forming the elastic film 3.

下部電極4は、(111)配向したPtからなっており、その厚さが200nm程度に厚く形成されている。
シード層5は、Bi層状化合物からなり、かつc軸(001)に優先配向してなるもので、具体的には以下の式に示すBi層状化合物等からなっており、厚さが0.1μm以下に形成されている。
・SrBi(Ta1−xNb
(但し、0≦x≦1.0)(m=2)
・(Bi1−xLaTi12
(但し、0≦x≦0.4)(m=3)
・SrBiMe15
(但し、MeはTi,Zr,Hfの少なくとも一種)(m=4)
圧電体膜6は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向したリラクサー材料からなっており、厚さが0.9μm程度に形成されている。
上部電極7は、前記下部電極4と同様、Ptからなっている。ただし、この上部電極6、本実施形態では厚さ700nm程度に厚く形成されている。
なお、この上部電極6には、弾性板32上に形成された電極35に電気的に接続するための、金等からなる配線37がパッド36を介して設けられている。
The lower electrode 4 is made of (111) -oriented Pt, and the thickness thereof is about 200 nm.
The seed layer 5 is made of a Bi layered compound and is preferentially oriented with respect to the c-axis (001). Specifically, the seed layer 5 is made of a Bi layered compound or the like represented by the following formula and has a thickness of 0.1 μm. It is formed as follows.
· SrBi 2 (Ta 1-x Nb x) 2 O 9
(However, 0 ≦ x ≦ 1.0) (m = 2)
(Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12
(However, 0 ≦ x ≦ 0.4) (m = 3)
SrBi 4 Me 4 O 15
(However, Me is at least one of Ti, Zr, and Hf) (m = 4)
The piezoelectric film 6 is made of a relaxor material having a perovskite type and a rhombohedral structure and preferentially oriented to pseudo cubic (100), and has a thickness of about 0.9 μm.
The upper electrode 7 is made of Pt, like the lower electrode 4. However, the upper electrode 6 is formed to a thickness of about 700 nm in this embodiment.
The upper electrode 6 is provided with a wiring 37 made of gold or the like via a pad 36 for electrical connection to the electrode 35 formed on the elastic plate 32.

このような構成の薄膜圧電共振器30を製造するには、まず、基体31となる母材、すなわち前述した(110)配向の単結晶シリコン基板(Si基板)を用意する。そして、このSi基板上に弾性膜3を形成し、さらにその上に下部電極4、シード層5、圧電体膜6、上部電極7を順次形成する。なお、弾性板32として窒化シリコンと二酸化シリコンとバッファ層3との積層膜を採用する場合には、弾性膜3の形成に先立ってSi基板上に窒化シリコンと二酸化シリコンとをこの順に形成しておく。   In order to manufacture the thin film piezoelectric resonator 30 having such a configuration, first, a base material to be the base 31, that is, the above-described (110) -oriented single crystal silicon substrate (Si substrate) is prepared. Then, the elastic film 3 is formed on the Si substrate, and the lower electrode 4, the seed layer 5, the piezoelectric film 6, and the upper electrode 7 are sequentially formed thereon. When a laminated film of silicon nitride, silicon dioxide, and buffer layer 3 is employed as the elastic plate 32, silicon nitride and silicon dioxide are formed in this order on the Si substrate prior to the formation of the elastic film 3. deep.

次いで、上部電極7、圧電体膜6、シード層5、下部電極4を、形成するビアホール34に対応させてそれぞれパターニングし、共振子33を形成する。なお、特に下部電極4のパターニングに際しては、図16に示したように下部電極4とは別に電極35も同時に形成しておく。
次いで、単結晶シリコン基板をその底面側からエッチング等によって加工(パターニング)し、これを貫通するビアホール34を形成する。
その後、上部電極7と電極35との間を接続するパッド36及び配線37を形成し、薄膜圧電共振器30を得る。
Next, the upper electrode 7, the piezoelectric film 6, the seed layer 5, and the lower electrode 4 are patterned corresponding to the via holes 34 to be formed, thereby forming the resonators 33. In particular, when the lower electrode 4 is patterned, the electrode 35 is formed simultaneously with the lower electrode 4 as shown in FIG.
Next, the single crystal silicon substrate is processed (patterned) from the bottom side by etching or the like to form a via hole 34 penetrating therethrough.
Thereafter, the pad 36 and the wiring 37 that connect the upper electrode 7 and the electrode 35 are formed, and the thin film piezoelectric resonator 30 is obtained.

このようにして得られた薄膜圧電共振器30にあっては、共振子の圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがって高い電気機械結合係数を有することから、例えばGHz帯などの高周波数領域で使用可能なものとなり、また、小型(薄型)であるにもかかわらず良好に機能するものとなる。   In the thin film piezoelectric resonator 30 obtained in this manner, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film of the resonator are good, and thus have a high electromechanical coupling coefficient. Therefore, for example, in a high frequency region such as the GHz band. In addition, it can function well even though it is small (thin).

図17は、本発明の薄膜圧電共振器の他の実施形態を示す図であり、図17中符号40は薄膜圧電共振器である。この薄膜圧電共振器40が図16に示した薄膜圧電共振器30と主に異なるところは、ビアホールを形成せず、基体41と共振子42との間にエアギャップ43を形成した点にある。
すなわち、この薄膜圧電共振器40は、(110)配向した単結晶シリコン基板からなる基体41上に、共振子42を形成したものである。この共振子42は、前述した下部電極4、シード層5、圧電体膜6、上部電極7と同じ材質からなる下部電極44、シード層及び圧電体膜からなる圧電材料層45、上部電極46によって形成されたもので、特にエアギャップ43上にてこれら下部電極44、圧電材料層45、上部電極46が積層されたことにより、形成されたものである。
FIG. 17 is a view showing another embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, and reference numeral 40 in FIG. 17 denotes a thin film piezoelectric resonator. The main difference between the thin film piezoelectric resonator 40 and the thin film piezoelectric resonator 30 shown in FIG. 16 is that a via hole is not formed and an air gap 43 is formed between the substrate 41 and the resonator 42.
That is, this thin film piezoelectric resonator 40 is obtained by forming a resonator 42 on a base body 41 made of a (110) -oriented single crystal silicon substrate. The resonator 42 includes the lower electrode 4, the seed layer 5, the piezoelectric film 6, the lower electrode 44 made of the same material as the upper electrode 7, the piezoelectric material layer 45 made of the seed layer and the piezoelectric film, and the upper electrode 46. In particular, the lower electrode 44, the piezoelectric material layer 45, and the upper electrode 46 are stacked on the air gap 43.

ここで、本実施形態では、下部電極44の下側に前記エアギャップ43を覆った状態で弾性膜3が形成されており、この弾性膜3が先の例と同様に弾性板47となっている。なお、この弾性板47についても、先の例と同様に基体41上に窒化シリコンと二酸化シリコンとを形成しておき、あるいは二酸化シリコンのみを形成しておき、これの上に弾性膜層3を形成してこれらの積層膜を弾性板47としてもよい。また、弾性膜層3を形成せず、窒化シリコンと二酸化シリコンとの積層膜、あるいは二酸化シリコンのみから弾性板47を形成してもよい。   Here, in the present embodiment, the elastic film 3 is formed under the lower electrode 44 so as to cover the air gap 43, and this elastic film 3 becomes the elastic plate 47 as in the previous example. Yes. As for the elastic plate 47, as in the previous example, silicon nitride and silicon dioxide are formed on the substrate 41, or only silicon dioxide is formed, and the elastic film layer 3 is formed thereon. These laminated films may be formed as the elastic plate 47. Alternatively, the elastic plate 47 may be formed from a laminated film of silicon nitride and silicon dioxide, or silicon dioxide alone, without forming the elastic film layer 3.

このような構成の薄膜圧電共振器40を形成するには、まず、基体41上に例えばゲルマニウム(Ge)を蒸着等によって成膜し、さらにこれを形成するエアギャップの形状と同じ形状にパターニングすることにより、犠牲層を形成する。
次に、この犠牲層を覆って弾性膜3を形成する。なお、これに先だって窒化シリコンと二酸化シリコンとを形成しておき、あるいは二酸化シリコンのみを形成しておいてもよい。続いて、これらバッファ層を所望形状にパターニングする。
In order to form the thin film piezoelectric resonator 40 having such a configuration, first, for example, germanium (Ge) is formed on the substrate 41 by vapor deposition or the like, and further patterned into the same shape as the air gap forming the same. As a result, a sacrificial layer is formed.
Next, the elastic film 3 is formed covering the sacrificial layer. Prior to this, silicon nitride and silicon dioxide may be formed, or only silicon dioxide may be formed. Subsequently, these buffer layers are patterned into a desired shape.

次いで、弾性膜3を覆って下部電極44となる層を形成し、さらにこれをドライエッチング等でパターニングすることにより、下部電極44を形成する。
次いで、下部電極44を覆ってシード層及び圧電体膜をこの順に形成し、これら積層膜から圧電材料層45となる層を形成し、さらにこれをドライエッチング等でパターニングすることにより、圧電材料層45を形成する。
次いで、圧電材料層45を覆って上部電極46となる層を形成し、さらにこれをドライエッチング等でパターニングすることにより、上部電極46を形成する。なお、このようにして犠牲層の上に、弾性膜3、下部電極44、圧電材料層45、上部電極46をそれぞれパターニングして形成することにより、犠牲層はその一部が外側露出したものとなる。
その後、前記犠牲層を例えば過酸化水素水(H)でエッチングするで基体41上から除去し、これによってエアギャップ43を形成することにより、薄膜圧電共振器40を得る。
Next, a layer to be the lower electrode 44 is formed so as to cover the elastic film 3 and further patterned by dry etching or the like to form the lower electrode 44.
Next, a seed layer and a piezoelectric film are formed in this order so as to cover the lower electrode 44, a layer that becomes the piezoelectric material layer 45 is formed from these laminated films, and further, this is patterned by dry etching or the like, whereby a piezoelectric material layer is formed. 45 is formed.
Next, a layer to be the upper electrode 46 is formed so as to cover the piezoelectric material layer 45, and further, this is patterned by dry etching or the like, thereby forming the upper electrode 46. In this way, by forming the elastic film 3, the lower electrode 44, the piezoelectric material layer 45, and the upper electrode 46 on the sacrificial layer by patterning, the sacrificial layer is partially exposed outside. Become.
Thereafter, the sacrificial layer is removed from the substrate 41 by etching with, for example, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), thereby forming an air gap 43, thereby obtaining the thin film piezoelectric resonator 40.

このようにして得られた薄膜圧電共振器40にあっても、共振子の圧電体膜の圧電特性が良好であり、したがって高い電気機械結合係数を有することから、例えばGHz帯などの高周波数領域で使用可能なものとなり、また、小型(薄型)であるにもかかわらず良好に機能するものとなる。
また、前述した薄膜圧電共振器30、40にあっては、インダクタンスやコンデンサ等の回路構成要素と適宜に組み合わされることにより、良好な誘導フィルタを構成するものとなる。
Even in the thin film piezoelectric resonator 40 obtained in this way, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film of the resonator are good, and thus have a high electromechanical coupling coefficient. Therefore, for example, in a high frequency region such as the GHz band. In addition, it can function well even though it is small (thin).
Further, in the above-described thin film piezoelectric resonators 30 and 40, an appropriate inductive filter is configured by appropriately combining with circuit components such as an inductance and a capacitor.

以上、本発明の実施形態による表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器及び電子機器(携帯電話機100)について説明したが、本発明は、前記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。
例えば、前記実施形態においては電子機器として携帯電話機を、電子回路として携帯電話機内に設けられる電子回路をその一例として挙げ、説明したが、本発明は携帯電話機に限定されることなく、種々の移動体通信機器及びその内部に設けられる電子回路に適用することができる。
As described above, the surface acoustic wave device, the frequency filter, the oscillator, the electronic circuit, the thin film piezoelectric resonator, and the electronic device (the mobile phone 100) according to the embodiment of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above embodiment, Modifications can be made freely within the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, a mobile phone has been described as an example of an electronic device, and an electronic circuit provided in the mobile phone as an example of an electronic circuit has been described. However, the present invention is not limited to a mobile phone, and various movements are possible. It can be applied to a body communication device and an electronic circuit provided therein.

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

本発明の圧電素子の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the piezoelectric element of this invention. (a)、(b)はリラクサー材料を説明するためのグラフである。(A), (b) is a graph for demonstrating a relaxor material. (a)〜(e)は圧電素子の製造工程図である。(A)-(e) is a manufacturing-process figure of a piezoelectric element. インクジェット式記録ヘッドの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording head. インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。2 is an exploded perspective view of an ink jet recording head. FIG. (a)、(b)はヘッドの動作を説明するための図である。(A), (b) is a figure for demonstrating operation | movement of a head. 本発明のインクジェットプリンターの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the inkjet printer of this invention. 本発明に係る表面弾性波素子を示す側断面図である。1 is a side sectional view showing a surface acoustic wave device according to the present invention. 本発明に係る周波数フィルタを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the frequency filter which concerns on this invention. 本発明に係る発振器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the oscillator which concerns on this invention. 前記発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example which applied the said oscillator to VCSO. 前記発振器をVCSOに応用した一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example which applied the said oscillator to VCSO. PLL回路の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of a PLL circuit. 本発明に係る電子回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the electronic circuit which concerns on this invention. 電子機器の実施形態としての携帯電話機を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mobile telephone as embodiment of an electronic device. 本発明に係る薄膜圧電共振器を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the thin film piezoelectric resonator which concerns on this invention. 本発明に係る薄膜圧電共振器を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the thin film piezoelectric resonator which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…圧電素子、2…基板、3…弾性膜、4…下部電極、5…シード層、6…圧電体膜、
7…上部電極、11…単結晶シリコン基板(単結晶基板)、14…圧電体膜、
50…インクジェット式記録ヘッド(ヘッド)、54…圧電素子、
60…インクジェットプリンター、521…キャビティー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric element, 2 ... Substrate, 3 ... Elastic film, 4 ... Lower electrode, 5 ... Seed layer, 6 ... Piezoelectric film,
7 ... Upper electrode, 11 ... Single crystal silicon substrate (single crystal substrate), 14 ... Piezoelectric film,
50: Inkjet recording head (head), 54: Piezoelectric element,
60 ... Inkjet printer, 521 ... Cavity

Claims (14)

基体上に形成されたシード層と、該シード層上に形成された圧電体膜とを備えてなり、
前記シード層は、一般式Bim−13m+3(但し、m=2,3,4、AはBa,Ca,Sr,La,Biから選ばれる金属元素、BはFe,Ga,Ti,Ta,Nb,V,Mo,W,Zr,Hfから選ばれる金属元素)で示されるビスマス層状化合物からなり、かつc軸(001)に優先配向してなるものであり、
前記圧電体膜は、ペロブスカイト型で擬立方晶(100)に優先配向したリラクサー材料からなることを特徴とする圧電素子。
A seed layer formed on the substrate, and a piezoelectric film formed on the seed layer,
The seed layer has the general formula Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3 (where m = 2, 3, 4, A is a metal element selected from Ba, Ca, Sr, La, Bi, and B is Fe, Ga) , Ti, Ta, Nb, V, Mo, W, Zr, Hf) and a preferentially oriented c axis (001).
The piezoelectric film is made of a relaxor material preferentially oriented to pseudo cubic (100) in a perovskite type.
前記リラクサー材料は、ペロブスカイト型でロンボヘドラル構造を有し、かつ擬立方晶(100)に優先配向していることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the relaxor material is a perovskite type, has a rhombohedral structure, and is preferentially oriented to pseudo cubic (100). 前記シード層は、以下の式で示される材料のうちの少なくとも一種からなることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電素子。
・SrBi(Ta1−xNb(但し、0≦x≦1.0)
・(Bi1−xLaTi12(但し、0≦x≦0.4)
・SrBiMe15(但し、MeはTi,Zr,Hfの少なくとも一種)
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the seed layer is made of at least one of materials represented by the following formulas.
· SrBi 2 (Ta 1-x Nb x) 2 O 9 ( where, 0 ≦ x ≦ 1.0)
・ (Bi 1-x La x ) 4 Ti 3 O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.4)
SrBi 4 Me 4 O 15 (where Me is at least one of Ti, Zr, and Hf)
前記リラクサー材料は、以下の式で示される材料のうちの少なくとも一種からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子。
・(1−x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42)
・(1−x)Pb(In1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.37)
・(1−x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.50)
・(1−x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.45)
・(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.35)
・(1−x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.10)
・(1−x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.01<x<0.11)
・(1−x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O−xPbTiO
(ただし、xは0.08<x<0.38)
・(1−x)Pb(Co1/21/2)O−xPbTiO
(ただし、xは0.10<x<0.42)
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the relaxor material is made of at least one of materials represented by the following formulas.
· (1-x) Pb ( Sc 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42)
· (1-x) Pb ( In 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.37)
· (1-x) Pb ( Ga 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.50)
(1-x) Pb (Sc 1/2 Ta 1/2 ) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.45)
(1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x is 0.10 <x <0.35)
· (1-x) Pb ( Fe 1/2 Nb 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.10)
(1-x) Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(Where x is 0.01 <x <0.11)
(1-x) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —xPbTiO 3
(However, x is 0.08 <x <0.38)
· (1-x) Pb ( Co 1/2 W 1/2) O 3 -xPbTiO 3
(Where x is 0.10 <x <0.42)
前記圧電素子は、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体膜の変形によって前記キャビティーの内容積を変化させるものである請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子。   5. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric element is an ink jet recording head having a cavity whose inner volume changes, and the inner volume of the cavity is changed by deformation of the piezoelectric film. The piezoelectric element described in 1. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電素子を備えた圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator provided with the piezoelectric element as described in any one of Claims 1-5. 内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、
圧電体膜の変形によって前記キャビティーの内容積を変化させる圧電素子として、請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電素子を備えたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
In an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes,
An ink jet recording head comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5 as a piezoelectric element that changes the internal volume of the cavity by deformation of the piezoelectric film.
請求項7記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェットプリンター。   An ink jet printer comprising the ink jet recording head according to claim 7. 基板上に請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子が形成されてなることを特徴とする表面弾性波素子。   A surface acoustic wave device, wherein the piezoelectric device according to any one of claims 1 to 4 is formed on a substrate. 請求項9記載の表面弾性波素子が備える前記圧電体膜の上に形成された第1の電極と、
前記圧電体膜の上に形成され、前記第1の電極に印加される電気信号によって前記圧電体膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第2の電極と、を備えることを特徴とする周波数フィルタ。
A first electrode formed on the piezoelectric film included in the surface acoustic wave device according to claim 9;
An electric signal that is formed on the piezoelectric film and resonates with a specific frequency or a specific frequency of a surface acoustic wave generated in the piezoelectric film by an electric signal applied to the first electrode, and converts it into an electric signal. A frequency filter comprising: a second electrode.
請求項9記載の表面弾性波素子が備える前記圧電体膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電体膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、
前記圧電体膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、を備えることを特徴とする発振器。
An electric signal applying electrode that is formed on the piezoelectric film included in the surface acoustic wave device according to claim 9 and generates a surface acoustic wave in the piezoelectric film by an applied electric signal;
An oscillation circuit formed on the piezoelectric film and including a resonance electrode and a transistor for resonating a specific frequency component or a specific frequency component of a surface acoustic wave generated by the electric signal application electrode; An oscillator comprising:
請求項11記載の発振器と、
前記発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、
前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴とする電子回路。
An oscillator according to claim 11;
An electrical signal supply element that applies the electrical signal to the electrical signal application electrode provided in the oscillator;
Select a specific frequency component from the frequency components of the electrical signal or convert it to a specific frequency component, or apply predetermined modulation to the electrical signal, perform predetermined demodulation, or perform predetermined detection An electronic circuit characterized by having a function.
基体上に請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子からなる共振子が形成されてなることを特徴とする薄膜圧電共振器。   A thin film piezoelectric resonator, wherein a resonator comprising the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4 is formed on a substrate. 請求項10記載の周波数フィルタ、請求項11記載の発振器、請求項12記載の電子回路、請求項13記載の薄膜圧電共振器のうちの、少なくとも1つを有することを特徴とする電子機器。
An electronic apparatus comprising at least one of the frequency filter according to claim 10, the oscillator according to claim 11, the electronic circuit according to claim 12, and the thin film piezoelectric resonator according to claim 13.
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