JP2006173249A - Piezoelectric actuator, its manufacturing process, and liquid ejection head - Google Patents

Piezoelectric actuator, its manufacturing process, and liquid ejection head Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deformation of a supporting substrate by reducing film stress of a piezoelectric being deposited on the electrode of the supporting substrate. <P>SOLUTION: The piezoelectric actuator 60 is constituted by depositing a PZT film 68 having a thickness of 10 μm on the electrode 64 of a diaphragm 62 having a thickness of 10-20 μm by aerosol deposition (AD method), and a PZT film 66 having a thickness of ≥0.5 μm deposited by sputtering is interposed between the electrode 64 and the PZT film 68 of AD film. Since the PZT film 66 of sputtered film is composed of a material having composition identical to that of the PZT film 68 of AD film, compressive stress is not stored on the interface to the PZT film 68, and film stress of the PZT film 68 can be reduced. Since the PZT film 66 functions as a stress relax layer and exhibits low film stress and strong film adhesion, it also functions as a layer for enhancing adhesion of the PZT film 68 of AD film. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドに係り、特に圧電体の成膜時に生じる膜応力を低減させる技術に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a method for manufacturing the same, and a liquid discharge head, and more particularly to a technique for reducing a film stress generated during film formation of a piezoelectric body.

従来、インクジェットヘッドの製造方法は、圧電体のバルク研磨品やグリーンシート焼結体を振動板に接着剤により貼り付ける方法が主流であり、圧電体の膜応力を考慮する必要がなかった。   Conventionally, as a method for manufacturing an inkjet head, a method in which a bulk abrasive product of a piezoelectric body or a green sheet sintered body is attached to a vibration plate with an adhesive has been the mainstream, and there is no need to consider the film stress of the piezoelectric body.

また、特許文献1に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、エピタキシャル基板上に圧電膜をエピタキシャル成長させ、この圧電膜の反対側にシリコン基板を直接接合し、その後、エピタキシャル基板を圧電膜から剥離するようにしている。この場合、圧電膜の形成後に圧電膜とエピタキシャル基板との界面で生じる膜応力は、エピタキシャル基板を取り除くことにより除去することができる。   Also, in the method of manufacturing an ink jet head described in Patent Document 1, a piezoelectric film is epitaxially grown on an epitaxial substrate, a silicon substrate is directly bonded to the opposite side of the piezoelectric film, and then the epitaxial substrate is peeled off from the piezoelectric film. I have to. In this case, the film stress generated at the interface between the piezoelectric film and the epitaxial substrate after the piezoelectric film is formed can be removed by removing the epitaxial substrate.

更に、最近、インクジェットヘッドの高精細化に伴って圧電体も薄膜である必要が生じ、振動板上にスパッタ法で圧電体を形成する例が散見される。   Furthermore, recently, with the increase in definition of inkjet heads, the piezoelectric body also needs to be a thin film, and there are some cases where the piezoelectric body is formed on the diaphragm by sputtering.

その一方、近年、微小電気機械システム(MEMS:micro electrical mechanical system) の分野では、圧電セラミックスを利用したセンサやアクチュエータ等を更に集積化し、実用に供するために成膜によってそれらの素子を作製することが検討されている。その一つとして、セラミックスや金属等の成膜技術として知られているエアロゾルデポジション法(以下、「AD法」という)が注目されている。   On the other hand, in recent years, in the field of micro electrical mechanical systems (MEMS), sensors and actuators using piezoelectric ceramics are further integrated, and these elements are fabricated by film formation for practical use. Is being considered. As one of them, an aerosol deposition method (hereinafter referred to as “AD method”), which is known as a film forming technique for ceramics and metals, has attracted attention.

AD法とは、原料の粉体からエアロゾルを生成し、そのエアロゾルを基板に噴射し、その際の衝突エネルギーにより粉体を堆積させて膜を形成する方法である。   The AD method is a method of forming a film by generating an aerosol from raw material powder, injecting the aerosol onto a substrate, and depositing the powder by collision energy at that time.

インクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドを製造する場合において、上記AD法にて圧電体等を形成することが提案されている(特許文献2)。
特開2003−309299号公報 特開2003−136714号公報
In manufacturing a liquid discharge head such as an ink jet head, it has been proposed to form a piezoelectric body or the like by the AD method (Patent Document 2).
JP 2003-309299 A JP 2003-136714 A

ところで、スパッタ法で振動板上に成膜される圧電体の膜厚は3μm程度であり、膜厚が薄いため、膜応力が存在していても顕著な振動板の変形には繋がらず、膜応力制御は特に重要な位置づけではなかった。   By the way, since the film thickness of the piezoelectric material formed on the diaphragm by sputtering is about 3 μm and the film thickness is thin, even if film stress exists, it does not lead to significant deformation of the diaphragm. Stress control was not particularly important.

一方、特許文献2に記載のようにAD法によって圧電体等を成膜する場合、緻密構造のAD膜は圧縮応力が強く働き、厚み30μm以下の薄い振動板上に成膜すると、振動板が応力変形するという問題が生じる。また、圧電体の膜厚が1μm以上、更には10μm程度の膜厚になると、膜応力に伴う変形は更に顕著に生じる。   On the other hand, when a piezoelectric material or the like is formed by the AD method as described in Patent Document 2, the AD film having a dense structure has a strong compressive stress, and when the film is formed on a thin diaphragm having a thickness of 30 μm or less, the diaphragm is The problem of stress deformation arises. Further, when the thickness of the piezoelectric body is 1 μm or more, and further about 10 μm, the deformation due to the film stress is more remarkable.

因みに、図9は振動板(基板)の厚みと応力変形量との関係を示すグラフであり、図10はPZT圧電膜の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。   9 is a graph showing the relationship between the thickness of the diaphragm (substrate) and the amount of stress deformation, and FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the PZT piezoelectric film and the amount of stress deformation.

ここで、図9に示した応力変形量は、厚みの異なる複数の基板上にAD法によって厚み10μmのPZT圧電膜をそれぞれ成膜し、このときの膜応力による長さ10mmの短冊状の構造物の反りによる変形量(両端部の高さ変位量)を示している。また、図10に示した応力変形量は、厚み30μmの基板上にAD法によって厚みの異なるPZT圧電膜をそれぞれ成膜し、このときの膜応力による長さ10mmの短冊状の構造物の反りによる変形量を示している。   Here, the amount of stress deformation shown in FIG. 9 is that a PZT piezoelectric film having a thickness of 10 μm is formed by AD method on a plurality of substrates having different thicknesses, and a strip-shaped structure having a length of 10 mm due to the film stress at this time. The deformation amount (height displacement amount at both ends) due to the warp of the object is shown. Further, the stress deformation amount shown in FIG. 10 is that the PZT piezoelectric films having different thicknesses are formed on the substrate having a thickness of 30 μm by the AD method, and the warpage of the strip-shaped structure having a length of 10 mm due to the film stress at this time. The deformation amount due to is shown.

図11(A)は振動板1上に成膜された圧電体2に膜応力がなく、振動板1が変形しない理想的な形態を示しており、図11(B)は圧電体2に圧縮応力が働き、振動板1が凹凸状に応力変形する形態を示している。   FIG. 11A shows an ideal form in which the piezoelectric body 2 formed on the diaphragm 1 has no film stress and the diaphragm 1 is not deformed, and FIG. This shows a form in which stress acts and the diaphragm 1 undergoes stress deformation in an uneven shape.

図11(B)に示したように振動板1に応力変形が生じると、以下の不具合が生じる。   When stress deformation occurs in the diaphragm 1 as shown in FIG.

(1) 振動板1とインク室隔壁3とを接着する際に隙間が生じ、その結果、以下の問題が生じる。   (1) A gap is generated when the vibration plate 1 and the ink chamber partition 3 are bonded, resulting in the following problems.

a)インク室隔壁3によってインク室4が分離できず、インクが隣接するインク室4間を移動、もしくは隙間に溜まってしまい、ノズルからが吐出するインク量が制御不能になる。   a) The ink chamber 4 cannot be separated by the ink chamber partition wall 3, and the ink moves between the ink chambers 4 adjacent to each other or accumulates in the gap, and the amount of ink ejected from the nozzle becomes uncontrollable.

b)振動板1がインク室隔壁3に固定されない部分が生じ、面内の変位体積、トルクにバラツキが生じて、面内のインク吐出ムラによる画像不良が生じる。   b) A portion in which the vibration plate 1 is not fixed to the ink chamber partition wall 3 is generated, the in-plane displacement volume and torque vary, and an image defect due to in-plane ink ejection unevenness occurs.

c)振動板1とインク室隔壁3との接着固定を確実に行うことができず、経時耐久性が保証できなくなる。   c) Adhesive fixation between the diaphragm 1 and the ink chamber partition wall 3 cannot be reliably performed, and durability over time cannot be guaranteed.

(2) 振動板1に変形が生じることで、インク室4の容量が変化し、仮に同じ変位体積で振動板1を駆動しても吐出インク量にばらつきが生じ、面内のインク吐出ムラによる画像不良が生じる。   (2) The deformation of the diaphragm 1 causes the capacity of the ink chamber 4 to change, and even if the diaphragm 1 is driven with the same displacement volume, the amount of ejected ink varies, resulting in uneven ink ejection within the surface. An image defect occurs.

(3) 振動板1に変形が生じると、その後の圧電体2を駆動するための電極への配線プロセス等のアライメント精度が出せずに、配線不良が生じる。   (3) When the vibration plate 1 is deformed, a wiring defect occurs without achieving an alignment accuracy such as a wiring process to an electrode for driving the piezoelectric body 2 thereafter.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、支持基板の電極上に成膜される圧電体の膜応力を低減させ、支持基板の変形を抑制することができる圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a piezoelectric actuator capable of reducing the film stress of the piezoelectric body formed on the electrode of the support substrate and suppressing the deformation of the support substrate, and a method for manufacturing the same. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head.

前記目的を達成するために請求項1に係る圧電アクチュエータは、支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極上に形成された応力緩和層と、前記応力緩和層上に成膜された圧電体とから構成され、前記応力緩和層により前記圧電体の成膜時の膜応力を低減させることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to claim 1 includes a support substrate, an electrode formed on the support substrate, a stress relaxation layer formed on the electrode, and a stress relaxation layer. It is characterized in that a film stress at the time of film formation of the piezoelectric body is reduced by the stress relaxation layer.

前記支持基板の電極上と圧電体との間に応力緩和層が介在しない場合には、圧電体と電極との界面には、圧電体の成膜に伴う膜応力 (圧縮応力)が働いているが、前記応力緩和層を介在させることにより、圧電体の膜応力を低減させて支持基板の変形を抑制するようにしている。   When no stress relaxation layer is interposed between the electrode on the support substrate and the piezoelectric body, a film stress (compressive stress) accompanying the film formation of the piezoelectric body acts on the interface between the piezoelectric body and the electrode. However, by interposing the stress relaxation layer, the film stress of the piezoelectric body is reduced to suppress deformation of the support substrate.

請求項2に示すように請求項1に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は、前記応力緩和層上にエアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴としている。エアロゾルデポジション法は、スパッタ法では成膜できない厚膜を形成することができるが、エアロゾルデポジション法によって成膜される圧電膜は、緻密構造を有しており、圧縮方向に強い膜応力が働く。前記応力緩和層は、この膜応力の発生を低減させる機能がある。   According to a second aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the first aspect, the piezoelectric body is formed on the stress relaxation layer by an aerosol deposition method. The aerosol deposition method can form a thick film that cannot be formed by sputtering, but the piezoelectric film formed by the aerosol deposition method has a dense structure and a strong film stress in the compression direction. work. The stress relaxation layer has a function of reducing the generation of the film stress.

請求項3に示すように請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴としている。応力緩和層を形成する際に電極と応力緩和層との界面に応力を発生させないようにするためである。   According to a third aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the first or second aspect, the stress relaxation layer is formed on the electrode by a film forming method in which film stress is not generated or film stress is reduced. It is characterized by that. This is to prevent stress from being generated at the interface between the electrode and the stress relaxation layer when the stress relaxation layer is formed.

請求項4に示すように請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、スパッタ法、加水分解を用いたゾルゲル法、熱分解を用いた有機金属分解法のうちのいずれかの成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴としている。   4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is one of a sputtering method, a sol-gel method using hydrolysis, and an organometallic decomposition method using thermal decomposition. It is characterized by being formed on the electrode by the film forming method.

請求項5に示すように請求項2に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、エアロゾルデポジション法により前記電極上に形成され、前記圧電体の膜密度よりも密度の低い低緻密膜であることを特徴としている。エアロゾルデポジション法によって応力緩和層を形成する際に、原料粉体条件や成膜条件を制御することにより緻密度をコントロールし、応力緩和層を低緻密膜にすることで応力緩和層自体に大きな膜応力が発生しないようにしている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the second aspect, the stress relaxation layer is a low-density film formed on the electrode by an aerosol deposition method and having a density lower than the film density of the piezoelectric body. It is characterized by being. When the stress relaxation layer is formed by the aerosol deposition method, the density is controlled by controlling the raw material powder conditions and film formation conditions, and the stress relaxation layer itself is greatly reduced by making the stress relaxation layer a low-density film. Film stress is not generated.

請求項6に示すように請求項5に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、ビッカース硬度が600Hv 以下の低緻密膜であることを特徴としている。尚、緻密度とビッカース硬度とは相関関係がある。   According to a sixth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the fifth aspect, the stress relaxation layer is a low-density film having a Vickers hardness of 600 Hv or less. Note that there is a correlation between the density and the Vickers hardness.

請求項7に示すように請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、前記圧電体と同等の組成材料からなることを特徴としている。応力緩和層を圧電体と同等の組成材料にするとこで、応力緩和層と圧電体との界面で圧縮応力が溜め込まれないようにすることができ、また、圧電駆動に寄与することができる。   According to a seventh aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to any one of the first to third aspects, the stress relaxation layer is made of a composition material equivalent to that of the piezoelectric body. By using a stress relaxation layer having a composition material equivalent to that of the piezoelectric body, it is possible to prevent compressive stress from accumulating at the interface between the stress relaxation layer and the piezoelectric body, and to contribute to piezoelectric driving.

請求項8に示すように請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は、高誘電率材料からなることを特徴としている。応力緩和層が高誘電率材料であれば、電界ロスが少なく、変位動作のロスにならない。   According to an eighth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to any one of the first to sixth aspects, the stress relaxation layer is made of a high dielectric constant material. If the stress relaxation layer is made of a high dielectric constant material, the electric field loss is small and the displacement operation is not lost.

請求項9に示すように請求項1乃至8のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層は多層からなり、各層は成膜方法及び材料のうちの少なくとも一方が異なることを特徴としている。   According to a ninth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to any one of the first to eighth aspects, the stress relaxation layer includes a plurality of layers, and each layer is different in at least one of a film forming method and a material. .

請求項10に示すように請求項1乃至9のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記支持基板の厚みは、30μm以下であることを特徴としている。   According to a tenth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to any one of the first to ninth aspects, the thickness of the support substrate is 30 μm or less.

請求項11に示すように請求項1乃至10のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体の厚みは、1μm以上であることを特徴としている。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to any one of the first to tenth aspects, the thickness of the piezoelectric body is 1 μm or more.

即ち、高精細かつ高トルクの圧電インクジェットヘッドを実現するための圧電アクチュエータとしては、厚みの30μm以下 (好ましくは15μm程度)の薄い支持基板 (振動板)上に1μm以上(好ましくは10μm程度)の圧電体厚膜を直接成膜することが重要である。   That is, a piezoelectric actuator for realizing a high-definition and high-torque piezoelectric inkjet head has a thickness of 1 μm or more (preferably about 10 μm) on a thin support substrate (vibration plate) having a thickness of 30 μm or less (preferably about 15 μm). It is important to directly form a thick piezoelectric film.

請求項12に示すように請求項1乃至11のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和層上に形成された圧電体はPZT膜であり、前記PZT膜の結晶a軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲であることを特徴としている。前記PZT膜の結晶a軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲にあれば、PZT膜の膜応力は支持基板を大きく変形させることがない。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 11, wherein the piezoelectric body formed on the stress relaxation layer is a PZT film, and the crystal a-axis length of the PZT film is 2.025 to It is characterized by a range of 2.040 angstroms. When the crystal a-axis length of the PZT film is in the range of 2.025 to 2.040 angstroms, the film stress of the PZT film does not greatly deform the support substrate.

請求項13に係る液体吐出ヘッドは、液体が充填される圧力室と、前記圧力室から液体を吐出するためのノズルと、請求項1乃至12のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記支持基板が、前記圧力室内の容積を変化させて前記ノズルから液体を吐出させるための振動板である圧電アクチュエータと、を備えたことを特徴としている。この液体吐出ヘッドは、高精細かつ高トルクを実現することができる。   A liquid discharge head according to a thirteenth aspect is the pressure chamber filled with the liquid, the nozzle for discharging the liquid from the pressure chamber, and the piezoelectric actuator according to any one of the first to twelfth aspects, The support substrate includes a piezoelectric actuator that is a vibration plate for changing the volume in the pressure chamber and discharging liquid from the nozzle. This liquid discharge head can achieve high definition and high torque.

請求項14に係る圧電アクチュエータの製造方法は、支持基板の電極上に膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により1層以上の応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、エアロゾルデポジション法により圧電原料の粉体を含むエアロゾルを前記応力緩和層上に噴射し、該応力緩和層上に粉体を堆積させて圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、を含み、前記応力緩和層は、前記圧電膜との界面に生じる膜応力を低減させる材料からなることを特徴としている。   The piezoelectric actuator manufacturing method according to claim 14 is a stress relaxation layer forming step of forming one or more stress relaxation layers by a film formation method in which film stress is not generated on the electrodes of the support substrate or film stress is reduced. And a piezoelectric film forming step of forming a piezoelectric film by injecting an aerosol containing a piezoelectric raw material powder onto the stress relaxation layer by an aerosol deposition method and depositing the powder on the stress relaxation layer. The stress relaxation layer is made of a material that reduces film stress generated at the interface with the piezoelectric film.

本発明によれば、支持基板の電極とこの電極上に直接成膜される圧電体との間に応力緩和層を形成するようにしたため、前記電極上に成膜される圧電体の膜応力を低減させることができ、これにより支持基板の変形を抑制することができる。   According to the present invention, since the stress relaxation layer is formed between the electrode of the support substrate and the piezoelectric body directly formed on the electrode, the film stress of the piezoelectric body formed on the electrode is reduced. This can be reduced, whereby the deformation of the support substrate can be suppressed.

以下添付図面に従って本発明に係る圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体吐出ヘッドの好ましい実施の形態について詳説する。   DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a piezoelectric actuator, a manufacturing method thereof, and a liquid discharge head according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

[インクジェット記録装置の概要]
まず、本発明に係る液体吐出ヘッドを適用するインクジェット記録装置の概要について説明する。
[Outline of inkjet recording apparatus]
First, an outline of an ink jet recording apparatus to which a liquid discharge head according to the present invention is applied will be described.

図1はインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示すように、このインクジェット記録装置10は、インクの色ごとに設けられた複数の液体吐出ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)12K,12C,12M,12Yを有する印字部12と、各ヘッド12K,12C,12M,12Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部14と、記録紙16を供給する給紙部18と、記録紙16のカールを除去するデカール処理部20と、前記印字部12のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙16の平面性を保持しながら記録紙16を搬送する吸着ベルト搬送部22と、印字部12による印字結果を読み取る印字検出部24と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部26と、を備えている。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ink jet recording apparatus. As shown in the figure, the inkjet recording apparatus 10 includes a printing unit 12 having a plurality of liquid ejection heads (hereinafter simply referred to as “heads”) 12K, 12C, 12M, and 12Y provided for each color of ink. An ink storage / loading unit 14 that stores ink to be supplied to each of the heads 12K, 12C, 12M, and 12Y, a paper feeding unit 18 that supplies the recording paper 16, and a decurling unit 20 that removes curl from the recording paper 16. A suction belt conveyance unit 22 that is disposed opposite to the nozzle surface (ink ejection surface) of the printing unit 12 and conveys the recording paper 16 while maintaining the flatness of the recording paper 16, and a printing result by the printing unit 12 And a paper discharge unit 26 that discharges printed recording paper (printed matter) to the outside.

給紙部18から送り出される記録紙16はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部20においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム30で記録紙16に熱を与える。   The recording paper 16 delivered from the paper supply unit 18 retains curl due to having been loaded in the magazine. In order to remove this curl, heat is applied to the recording paper 16 by the heating drum 30 in the direction opposite to the curl direction of the magazine in the decurling unit 20.

ロール紙を使用する装置構成の場合、図1のように、裁断用のカッター(第1のカッター)28が設けられており、該カッター28によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター28は、記録紙16の搬送路幅以上の長さを有する固定刃28Aと、該固定刃28Aに沿って移動する丸刃28Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃28Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃28Bが配置される。尚、カット紙を使用する場合には、カッター28は不要である。   In the case of an apparatus configuration that uses roll paper, a cutter (first cutter) 28 is provided as shown in FIG. 1, and the roll paper is cut into a desired size by the cutter 28. The cutter 28 includes a fixed blade 28A having a length equal to or greater than the conveyance path width of the recording paper 16, and a round blade 28B that moves along the fixed blade 28A. The fixed blade 28A is provided on the back side of the print. The round blade 28B is disposed on the printing surface side with the conveyance path interposed therebetween. Note that the cutter 28 is not necessary when cut paper is used.

デカール処理後、カットされた記録紙16は、吸着ベルト搬送部22へと送られる。吸着ベルト搬送部22は、ローラ31、32間に無端状のベルト33が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部12のノズル面及び印字検出部24のセンサ面に対向する部分が水平面(フラット面)をなすように構成されている。   After the decurling process, the cut recording paper 16 is sent to the suction belt conveyance unit 22. The suction belt conveyance unit 22 has a structure in which an endless belt 33 is wound between rollers 31 and 32, and at least portions facing the nozzle surface of the printing unit 12 and the sensor surface of the printing detection unit 24 are horizontal ( Flat surface).

ベルト33は、記録紙16の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(不図示)が形成されている。図1に示したとおり、ローラ31、32間に掛け渡されたベルト33の内側において印字部12のノズル面及び印字検出部24のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ34が設けられており、この吸着チャンバ34をファン35で吸引して負圧にすることによってベルト33上の記録紙16が吸着保持される。   The belt 33 has a width that is greater than the width of the recording paper 16, and a plurality of suction holes (not shown) are formed on the belt surface. As shown in FIG. 1, a suction chamber 34 is provided at a position facing the nozzle surface of the print unit 12 and the sensor surface of the print detection unit 24 inside the belt 33 spanned between the rollers 31 and 32. Then, the suction chamber 34 is sucked by the fan 35 to be a negative pressure, whereby the recording paper 16 on the belt 33 is sucked and held.

ベルト33が巻かれているローラ31、32の少なくとも一方にモータ(不図示)の動力が伝達されることにより、ベルト33は図1上の時計回り方向に駆動され、ベルト33上に保持された記録紙16は図1の左から右へと搬送される。   The power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the rollers 31 and 32 around which the belt 33 is wound, so that the belt 33 is driven in the clockwise direction in FIG. The recording paper 16 is conveyed from left to right in FIG.

縁無しプリント等を印字するとベルト33上にもインクが付着するので、ベルト33の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部36が設けられている。   Since ink adheres to the belt 33 when a borderless print or the like is printed, the belt cleaning unit 36 is provided at a predetermined position outside the belt 33 (an appropriate position other than the print area).

吸着ベルト搬送部22により形成される用紙搬送路上において印字部12の上流側には、加熱ファン40が設けられている。加熱ファン40は、印字前の記録紙16に加熱空気を吹き付け、記録紙16を加熱する。印字直前に記録紙16を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。   A heating fan 40 is provided on the upstream side of the printing unit 12 on the paper conveyance path formed by the suction belt conveyance unit 22. The heating fan 40 heats the recording paper 16 by blowing heated air onto the recording paper 16 before printing. Heating the recording paper 16 immediately before printing makes it easier for the ink to dry after landing.

印字部12は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図2参照)。各印字ヘッド12K,12C,12M,12Yは、図2に示したように、本インクジェット記録装置10が対象とする最大サイズの記録紙16の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。   The printing unit 12 is a so-called full line type head in which line type heads having a length corresponding to the maximum paper width are arranged in a direction (main scanning direction) orthogonal to the paper feed direction (see FIG. 2). As shown in FIG. 2, each of the print heads 12K, 12C, 12M, and 12Y has an ink discharge port (nozzle) over a length that exceeds at least one side of the maximum size recording paper 16 targeted by the inkjet recording apparatus 10. It is composed of a plurality of line type heads.

記録紙16の送り方向に沿って上流側から黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応したヘッド12K,12C,12M,12Yが配置されている。記録紙16を搬送しつつ各ヘッド12K,12C,12M,12Yからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙16上にカラー画像を形成し得る。   Heads 12K, 12C, 12M, and 12Y corresponding to the respective color inks are arranged in the order of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) from the upstream side along the feeding direction of the recording paper 16. Yes. A color image can be formed on the recording paper 16 by ejecting the color inks from the heads 12K, 12C, 12M, and 12Y while conveying the recording paper 16, respectively.

印字検出部24は、印字部12の打滴結果を撮像するためのラインセンサを含み、該ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。   The print detection unit 24 includes a line sensor for imaging the droplet ejection result of the print unit 12, and functions as means for checking nozzle clogging and other ejection defects from the droplet ejection image read by the line sensor.

印字検出部24の後段には、後乾燥部42が設けられている。後乾燥部42は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。   A post-drying unit 42 is provided following the print detection unit 24. The post-drying unit 42 is means for drying the printed image surface, and for example, a heating fan is used. Since it is preferable to avoid contact with the printing surface until the ink after printing is dried, a method of blowing hot air is preferred.

後乾燥部42の後段には、加熱・加圧部44が設けられている。加熱・加圧部44は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ45で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。   A heating / pressurizing unit 44 is provided following the post-drying unit 42. The heating / pressurizing unit 44 is a means for controlling the glossiness of the image surface, and pressurizes with a pressure roller 45 having a predetermined surface uneven shape while heating the image surface to transfer the uneven shape to the image surface. To do.

こうして生成されたプリント物はカッター28によって所定のサイズに切断された後、排紙部26から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置10では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部26A、26Bへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。尚、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター(第2のカッター)48によってテスト印字の部分を切り離す。   The printed matter generated in this manner is cut into a predetermined size by the cutter 28 and then discharged from the paper discharge unit 26. It is preferable that the original image to be printed (printed target image) and the test print are discharged separately. The ink jet recording apparatus 10 is provided with a sorting means (not shown) that switches the paper discharge path so as to select the print product of the main image and the print product of the test print and send them to the discharge units 26A and 26B. Yes. When the main image and the test print are simultaneously formed in parallel on a large sheet, the test print portion is cut off by the cutter (second cutter) 48.

[エアロゾルデポジション法(以下、「AD法」という)による成膜方法]
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの製造に使用するAD法による成膜方法について説明する。
[Film formation method by aerosol deposition method (hereinafter referred to as “AD method”)]
Next, a film forming method by the AD method used for manufacturing the piezoelectric actuator according to the present invention will be described.

図3はAD法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体51を配置するエアロゾル生成容器52を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。   FIG. 3 is a schematic view showing a film forming apparatus using the AD method. This film forming apparatus has an aerosol generation container 52 in which raw material powder 51 is arranged. Here, the aerosol refers to solid or liquid fine particles suspended in a gas.

エアロゾル生成容器52には、キャリアガス導入部53、エアロゾル導出部54、振動部55が設けられている。キャリアガス導入部53から窒素ガス(N2 )等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器52内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部55によってエアロゾル生成容器52に振動を与えることにより、原料の粉体が攪拌され、効率よくエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部54を通って成膜チャンバ56に導かれる。 The aerosol generation container 52 is provided with a carrier gas introduction part 53, an aerosol lead-out part 54, and a vibration part 55. By introducing a gas such as nitrogen gas (N 2 ) from the carrier gas introduction part 53, the raw material powder disposed in the aerosol generation container 52 is blown up to generate an aerosol. At that time, vibration is applied to the aerosol generation container 52 by the vibration unit 55, whereby the raw material powder is stirred and the aerosol is efficiently generated. The generated aerosol is guided to the film forming chamber 56 through the aerosol deriving unit 54.

成膜チャンバ56には、排気管57、ノズル58、可動ステージ59が設けられている。排気管57は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ56内を排気する。エアロゾル生成容器52において生成され、エアロゾル導出部54を通って成膜チャンバ56に導かれたエアロゾルは、ノズル58から支持基板50に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が支持基板50上に衝突して堆積する。支持基板50は、3次元に移動可能な可動ステージ59に載置されており、可動ステージ59を制御することにより、支持基板50とノズル58との相対的位置が調節される。   The film forming chamber 56 is provided with an exhaust pipe 57, a nozzle 58, and a movable stage 59. The exhaust pipe 57 is connected to a vacuum pump and exhausts the film forming chamber 56. The aerosol generated in the aerosol generation container 52 and guided to the film forming chamber 56 through the aerosol deriving unit 54 is ejected from the nozzle 58 toward the support substrate 50. Thereby, the raw material powder collides and accumulates on the support substrate 50. The support substrate 50 is placed on a movable stage 59 that can move in three dimensions. By controlling the movable stage 59, the relative position between the support substrate 50 and the nozzle 58 is adjusted.

[圧電体及び支持基板の目標厚]
高精細の液体吐出ヘッドを実現するために圧電体寸法を300μm角、支持基板 (振動板)寸法を500μm角とする。
[Target thickness of piezoelectric body and support substrate]
In order to realize a high-definition liquid discharge head, the size of the piezoelectric body is 300 μm square, and the size of the support substrate (vibration plate) is 500 μm square.

図4(A)は上記条件下でのジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなる圧電体の厚みと、変位体積及び発生圧との関係を示すグラフであり、同図(B)は振動板の厚みと、変位体積及び発生圧との関係を示すグラフである。   FIG. 4A is a graph showing the relationship between the thickness of a piezoelectric body made of lead zirconate titanate (PZT), the displacement volume, and the generated pressure under the above conditions, and FIG. It is a graph which shows the relationship between thickness, displacement volume, and generated pressure.

図4(A)に示すように液体吐出ヘッドの液滴サイズ(体積目標)をxピコリットル(pl)、圧力目標をyメガパスカル(Mpa)とすると、体積目標及び圧力目標の両者を満足するPZTの厚みは10μmとなる。   As shown in FIG. 4A, when the droplet size (volume target) of the liquid ejection head is x picoliter (pl) and the pressure target is y megapascal (Mpa), both the volume target and the pressure target are satisfied. The thickness of PZT is 10 μm.

同様に、図4(B)に示しように体積目標をx(pl)、圧力目標をy(Mpa)とすると、体積目標及び圧力目標の両者を満足する振動板の厚みは15μmとなる。   Similarly, as shown in FIG. 4B, when the volume target is x (pl) and the pressure target is y (Mpa), the thickness of the diaphragm that satisfies both the volume target and the pressure target is 15 μm.

振動板上にPZTを直接成膜する際に、スパッタ法で成膜可能な厚みは3μm程度であるため、上記のように10μmのPZT膜を成膜するには、AD法による成膜が好適である。   When depositing PZT directly on the diaphragm, the thickness that can be deposited by sputtering is about 3 μm. Therefore, to form a 10 μm PZT film as described above, film formation by AD is suitable. It is.

[圧電アクチュエータの構造]
上述したように15μm厚の振動板上にAD法によって10μm厚のPZT膜を成膜すると、緻密構造のPZT膜は、PZT膜自体に圧縮応力が強く働く。この圧縮応力は、実験結果により膜内部よりも振動板との界面の方が高く、また、振動板との界面の電子顕微鏡観察により、振動板側にダメージが確認された。
[Piezoelectric actuator structure]
As described above, when a PZT film having a thickness of 10 μm is formed on the vibration plate having a thickness of 15 μm by the AD method, the PZT film having a dense structure exerts a strong compressive stress on the PZT film itself. This compressive stress was higher at the interface with the diaphragm than within the film, and damage was confirmed on the diaphragm side by electron microscope observation of the interface with the diaphragm.

このことから、AD成膜時の高エネルギー粒子の振動板への打ち込みにより振動板が非平衡状態となり、過剰なエネルギーが界面に溜め込まれることが、膜応力(圧縮応力)の発生の原因と捉えられる。従って、振動板の界面のダメージを低減させることで、PZT膜の膜応力の低減(振動板の応力変形の抑制)を図るようにしている。   For this reason, it is considered that the diaphragm is brought into a non-equilibrium state due to the high energy particles being driven into the diaphragm during AD film formation, and excessive energy is accumulated at the interface, which is the cause of the generation of film stress (compressive stress). It is done. Therefore, by reducing the damage at the interface of the diaphragm, the film stress of the PZT film is reduced (stress deformation of the diaphragm is suppressed).

(第1実施例)
図5は本発明に係る圧電アクチュエータの第1実施例を示す要部断面図である。図5に示すように、この圧電アクチュエータ60は、シリコン(Si)又はジルコニア(ZrO2)からなる基板(振動板)62上に白金(Pt)からなる電極64がスパッタ法により形成され、この電極64上に応力緩和層としてPZT膜66がスパッタ法により形成され、更にPZT膜66上にPZT膜68がAD法により室温成膜されている。
(First embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view of a principal part showing a first embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. As shown in FIG. 5, in this piezoelectric actuator 60, an electrode 64 made of platinum (Pt) is formed by sputtering on a substrate (vibrating plate) 62 made of silicon (Si) or zirconia (ZrO2). A PZT film 66 is formed as a stress relaxation layer on the PZT film 66 by sputtering, and a PZT film 68 is formed on the PZT film 66 at room temperature by AD.

前記振動板62の厚みは10−20μmであり、電極64の厚みは500nmである。また、スパッタ膜のPZT膜66の膜厚は0.5μm以上であり、AD膜のPZT膜68の膜厚は10μmである。尚、スパッタ膜のPZT膜66の厚みの上限は、スパッタ法によって成膜可能な厚みであり、例えば3μm程度である。   The diaphragm 62 has a thickness of 10-20 μm, and the electrode 64 has a thickness of 500 nm. The thickness of the sputtered PZT film 66 is 0.5 μm or more, and the thickness of the AD PZT film 68 is 10 μm. Note that the upper limit of the thickness of the PZT film 66 of the sputtered film is a thickness that can be formed by a sputtering method, and is, for example, about 3 μm.

スパッタ法によりPZT膜66を電極64上に形成する場合、断面電子顕微鏡写真からも電極ダメージが確認されず、電極64の凹凸が0.01μm以下であることが確認された。また、PZT膜66の膜厚を0.5μm以上形成したが、振動板62の膜応力変形は全く確認されなかった。   When the PZT film 66 was formed on the electrode 64 by sputtering, no electrode damage was confirmed from the cross-sectional electron micrograph, and it was confirmed that the unevenness of the electrode 64 was 0.01 μm or less. Further, although the thickness of the PZT film 66 was 0.5 μm or more, no film stress deformation of the diaphragm 62 was confirmed.

このPZT膜66上にAD成膜された10μm厚のPZT膜68の膜応力は、振動板62の膜応力変形量を測定した結果、10%まで低減されていることが確認された。また、膜の密着性試験においても膜剥離は確認されず、実用上問題ない密着性が確保されていることが確認された。   As a result of measuring the film stress deformation amount of the diaphragm 62, it was confirmed that the film stress of the 10 μm thick PZT film 68 formed on the PZT film 66 by AD was reduced to 10%. Also, film peeling was not confirmed in the film adhesion test, and it was confirmed that adhesion having no practical problem was secured.

(第2実施例)
図6は本発明に係る圧電アクチュエータの第2実施例を示す要部断面図である。尚、図5と共通する部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Second embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part showing a second embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in FIG. 5, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図6に示す第2実施例の圧電アクチュエータ70は、応力緩和層として2層のPZT膜66、 72が形成されている点で、図5に示した第1実施例と相違する。   The piezoelectric actuator 70 of the second embodiment shown in FIG. 6 is different from the first embodiment shown in FIG. 5 in that two PZT films 66 and 72 are formed as stress relaxation layers.

2層のPZT膜66、 72のうちの電極64上に形成されたPZT膜66は、前述したようにスパッタ法によって形成されたスパッタ膜であり、PZT膜66上に形成されたPZT膜72は、AD法によって室温成膜された低緻密のAD膜である。   The PZT film 66 formed on the electrode 64 of the two layers of PZT films 66 and 72 is a sputtered film formed by the sputtering method as described above, and the PZT film 72 formed on the PZT film 66 is A low-density AD film formed at room temperature by the AD method.

低緻密のPZT膜72は、原料粉体条件や成膜条件の制御により緻密度が低くなるようにAD成膜されたものであり、ここでの低緻密のPZT膜とはビッカース硬度が600Hv 以下の膜を指す。また、PZT膜72の厚みは、1μmである。   The low-density PZT film 72 is formed by AD film formation so as to reduce the density by controlling raw material powder conditions and film formation conditions. The low-density PZT film here has a Vickers hardness of 600 Hv or less. Refers to the membrane. The thickness of the PZT film 72 is 1 μm.

この低緻密のPZT膜72上には、10μm厚の高緻密のPZT膜68がAD法によって室温成膜されている。   On the low-density PZT film 72, a high-density PZT film 68 having a thickness of 10 μm is formed at room temperature by the AD method.

ここで、AD膜の緻密度の制御方法について説明する。   Here, a method for controlling the density of the AD film will be described.

原料のPZT粉体の平均粒子径とAD膜の膜質との関係をSEM(走査型電子顕微鏡) を用いて調べた結果、原料のPZT粉体の平均粒子径が大きいほど、AD膜における平均結晶粒径は小さく、高緻密であり(空隙率が低く)、逆に原料のPZT粉体の平均粒子径が小さいほど、AD膜における平均結晶粒径は大きく、低緻密であった(空隙率が高かった)。   As a result of investigating the relationship between the average particle diameter of the raw material PZT powder and the film quality of the AD film using SEM (scanning electron microscope), the larger the average particle diameter of the raw material PZT powder, the higher the average crystal in the AD film. The particle size is small and highly dense (the porosity is low). Conversely, the smaller the average particle size of the raw material PZT powder is, the larger the average crystal grain size in the AD film is, and the lower the density is (the porosity is lower). it was high).

また、原料のPZT粉体の平均粒子径とAD膜のビッカース硬度(Hv)とは相関関係があり、原料のPZT粉体の平均粒子径が大きいほど、AD膜のビッカース硬度は大きく、原料のPZT粉体の平均粒子径が小さいほど、AD膜のビッカース硬度が小さいことが確認された。   In addition, the average particle diameter of the raw material PZT powder and the Vickers hardness (Hv) of the AD film have a correlation. The larger the average particle diameter of the raw material PZT powder, the larger the Vickers hardness of the AD film. It was confirmed that the smaller the average particle size of the PZT powder, the smaller the Vickers hardness of the AD film.

これらの観察結果及び測定結果は、次のメカニズムによって生じたものと考えられる。即ち、粒子径の大きい1次粒子は、ノズルから噴射された際に有している運動エネルギーが大きいので、基板に衝突したときに破砕しやすい。そのため、小さく破砕された1次粒子の断片がメカノケミカル反応によって互いに結合するので、緻密で強固なAD膜が形成される。反対に、粒子径が小さい1次粒子は、運動エネルギーが小さいので、基板に衝突しても破砕しにくい。そのような1次粒子は、基板に衝突しても下層にトラップ (捕獲)されて堆積するのみなので、緻密度が低く (空隙率が高く)、比較的脆い膜となる。   These observation results and measurement results are considered to be caused by the following mechanism. That is, the primary particles having a large particle diameter have a large kinetic energy when ejected from the nozzle, and thus are easily crushed when they collide with the substrate. For this reason, the fragmented primary particles are bonded to each other by a mechanochemical reaction, so that a dense and strong AD film is formed. On the other hand, primary particles having a small particle diameter have a small kinetic energy, so that they are not easily crushed even when they collide with a substrate. Even if such primary particles collide with the substrate, they are only trapped and deposited in the lower layer, so that the density is low (the porosity is high) and the film becomes relatively brittle.

従って、このようなメカニズムに基づいて原料の粉体の平均粒子径を規定することにより、AD膜の平均結晶粒径や緻密度 (空隙率)や硬度を制御することが可能となる。   Therefore, by defining the average particle size of the raw material powder based on such a mechanism, it becomes possible to control the average crystal particle size, density (porosity) and hardness of the AD film.

上記のようにして1μm厚の低緻密のPZT膜72、及び10μm厚の高緻密のPZT膜68を形成した後、600°Cでアニール処理した。アニール雰囲気は酸素もしくは大気中とした。   After forming the low-density PZT film 72 having a thickness of 1 μm and the high-density PZT film 68 having a thickness of 10 μm as described above, annealing was performed at 600 ° C. The annealing atmosphere was oxygen or air.

スパッタ膜によるPZT膜66の応力緩和層を入れずに、電極64上に直接低緻密のPZT膜を形成した場合には、応力低減の効果は確認されたものの、膜剥離テストにより密着性が悪く、密着性の向上が課題であった。スパッタ膜を応力緩和層として導入し、且つ特性向上も兼ねたアニール工程を行うと、膜応力が5%程度まで低減されていることが確認されただけでなく、膜の密着性も格段に向上していることが確認された。   When a low-density PZT film is formed directly on the electrode 64 without the stress relaxation layer of the PZT film 66 formed by the sputtered film, the effect of reducing the stress is confirmed, but the adhesion is poor by the film peeling test. Improvement of adhesion was a problem. Introducing a sputtered film as a stress relaxation layer and performing an annealing process that also improves characteristics not only confirms that the film stress has been reduced to about 5%, but also significantly improves film adhesion. It was confirmed that

膜の構造解析によりスパッタ膜と低緻密AD膜が粒子成長により固着結合し、強固な密着性がとれていることが分かった。スパッタ膜と低緻密AD膜の2層の応力緩和層の導入により、応力低減が大幅に実現されるとともに、密着性も十分確保されていることが確認された。   From the structural analysis of the film, it was found that the sputtered film and the low-density AD film were firmly bonded by particle growth, and strong adhesion was obtained. It was confirmed that by introducing two stress relaxation layers of a sputtered film and a low-density AD film, the stress was greatly reduced and the adhesion was sufficiently secured.

(第3実施例)
図7は本発明に係る圧電アクチュエータの第3実施例を示す要部断面図である。尚、図5と共通する部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part showing a third embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in FIG. 5, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図7に示す第3実施例の圧電アクチュエータ80は、応力緩和層としてスパッタ膜のPZT膜66の代わりに、ゾルゲル膜のPZT膜82が形成されている点で、図5に示した第1実施例と相違する。   The piezoelectric actuator 80 of the third embodiment shown in FIG. 7 is different from the sputtered PZT film 66 in that a sol-gel PZT film 82 is formed as a stress relaxation layer in the first embodiment shown in FIG. Different from the example.

即ち、振動板62の電極64上に応力緩和層として、ゾルゲル法によりPZT膜82が形成されている。   That is, a PZT film 82 is formed on the electrode 64 of the diaphragm 62 as a stress relaxation layer by a sol-gel method.

このゾルゲル法によるPZT膜82は、PZT組成のゾルゲル溶液を調整し、スピンコートにより振動板62の電極64上に塗布し、その後、乾燥(150°C)、脱溶媒(400°C)工程を繰り返すことで膜厚を制御し、最後に550°Cで焼成することにより形成する。   The PZT film 82 by this sol-gel method is prepared by preparing a sol-gel solution having a PZT composition and applying it on the electrode 64 of the diaphragm 62 by spin coating, followed by drying (150 ° C.) and desolvation (400 ° C.). The film thickness is controlled by repeating, and finally, the film is formed by baking at 550 ° C.

ゾルゲル膜のPZT膜82の場合、断面電子顕微鏡写真からも電極ダメージが確認されず、電極64の凹凸が0.01μm以下であることが確認された。また、振動板62の膜応力変形は全く確認されなかった。   In the case of the PZT film 82 of the sol-gel film, no electrode damage was confirmed from the cross-sectional electron micrograph, and it was confirmed that the unevenness of the electrode 64 was 0.01 μm or less. Further, no film stress deformation of the diaphragm 62 was confirmed.

尚、ゾルゲル法とは加水分解による溶液製膜法であるが、ゾルゲル法の代わりに、熱分解による溶液製膜法である有機金属分解法(MOD法)などの他の化学溶液法によって化学溶液膜を形成するようにしてもよい。   The sol-gel method is a solution film-forming method by hydrolysis. Instead of the sol-gel method, a chemical solution is obtained by another chemical solution method such as an organometallic decomposition method (MOD method) which is a solution-forming method by thermal decomposition. A film may be formed.

上記第1実施例乃至第3実施例において、スパッタ膜のPZT膜66 (第1実施例)、スパッタ膜のPZT膜66+低緻密AD膜のPZT膜72 (第2実施例)、及びゾルゲル膜を含む化学溶液膜のPZT膜82(第3実施例)は、AD膜のPZT膜68と同一組成の材料で構成されているため、PZT膜68との界面に圧縮応力が溜め込まれず、膜応力を低減させることができ、応力緩和層として機能するとともに、PZT膜66のスパッタ膜、PZT膜82の化学溶液膜の場合、膜応力が少なく且つ膜密着性が強いため、AD膜のPZT膜68の密着性向上層としての機能も併せ持つことができる。   In the first to third embodiments, a sputtered PZT film 66 (first example), a sputtered PZT film 66 + a low-density AD film PZT film 72 (second example), and a sol-gel film are used. Since the PZT film 82 (third embodiment) of the chemical solution film is made of a material having the same composition as the PZT film 68 of the AD film, the compressive stress is not accumulated at the interface with the PZT film 68 and the film stress is increased. In the case of the sputtered film of the PZT film 66 and the chemical solution film of the PZT film 82, the film stress is low and the film adhesion is strong, so that the PZT film 68 of the AD film can be reduced. It can also have a function as an adhesion improving layer.

また、スパッタ膜のPZT膜66、低緻密AD膜のPZT膜72、化学溶液膜のPZT膜82と、AD膜のPZT膜68とが同一組成の材料であるため、熱処理(例えば、残留応力を取り除くために600°Cを1時間保持するアニール処理)を行うと、粒子融合が進み化学結合が生じることになり密着性がより強固になる。更に、PZT膜66、72、82は、応力緩和層であっても圧電駆動に寄与するため、圧電アクチュエータ60の変位動作のロスにならない。   Since the sputtered PZT film 66, the low-density AD film PZT film 72, the chemical solution film PZT film 82, and the AD film PZT film 68 are made of the same material, heat treatment (for example, residual stress is reduced). In order to remove it, an annealing process in which the temperature is kept at 600 ° C. for 1 hour is performed, so that particle fusion proceeds and chemical bonding occurs, resulting in stronger adhesion. Furthermore, since the PZT films 66, 72, and 82 contribute to the piezoelectric drive even if they are stress relaxation layers, the displacement operation of the piezoelectric actuator 60 is not lost.

また、応力緩和層は、圧電膜と同等の組成でなくても高誘電率材料であれば、電界ロスが少なく圧電アクチュエータの変位動作のロスにならない。従って、応力緩和層は、高誘電率材料でもよい。高誘電率材料としては、SiO2 、アルミナ、ハフニア(HfO2) 、チタン酸バリウムストロンチウム、酸化ニオブ五酸化タンタルなどが挙げられる。 Further, if the stress relaxation layer does not have the same composition as the piezoelectric film, if it is a high dielectric constant material, the electric field loss is small and the displacement operation loss of the piezoelectric actuator does not occur. Therefore, the stress relaxation layer may be a high dielectric constant material. Examples of the high dielectric constant material include SiO 2 , alumina, hafnia (HfO 2), barium strontium titanate, niobium tantalum pentoxide, and the like.

また、第2実施例に示したように応力緩和層は、単層に限らず、多層構成とすることもでき、各応力緩和層の製膜方法は任意に選択することができる。   In addition, as shown in the second embodiment, the stress relaxation layer is not limited to a single layer, but may have a multilayer structure, and a method for forming each stress relaxation layer can be arbitrarily selected.

[膜応力の定量化]
AD膜の膜応力の定量化を図るためにX線回折(XRD)による結晶a軸長の評価を行った。
[Quantification of film stress]
In order to quantify the film stress of the AD film, the crystal a-axis length was evaluated by X-ray diffraction (XRD).

まず、応力フリーの状態を把握するためにAD膜の原料であるPZT微粒子のXRD評価を行ったところ、a軸長は、2.034 オングストローム(Å)であった。更に、PZT微粒子を1250°Cで焼結したバルク焼結品のXRD評価を行ったところ、a軸長は、2.030Åであった。そこで、応力フリーの状態のPZTのa軸長を約2.025 〜2.040 Åの間と規定した。即ち、PZT微粒子のa軸長(2.034 Å)とバルク焼結品のa軸長(2.030 Å)の平均値2.032 ±0.007 Åを応力フリーの状態のPZTとした。ここで、前記2.025 〜2.040 Åの上限値及び下限値は、PZT膜の膜応力によって振動板の変形量が±10μmとなる値であり、また、10μmは振動板をインク室隔壁等に接着する際の接着剤の厚みである。   First, in order to grasp the stress-free state, XRD evaluation of PZT fine particles as a raw material for the AD film was performed. As a result, the a-axis length was 2.034 angstroms (Å). Furthermore, when an XRD evaluation of a bulk sintered product obtained by sintering PZT fine particles at 1250 ° C. was performed, the a-axis length was 2.030 mm. Therefore, the a-axis length of PZT in a stress-free state is defined as about 2.025 to 2.040 mm. That is, the average value of 2.032 ± 0.007 mm of the a-axis length (2.034 mm) of the PZT fine particles and the a-axis length (2.030 mm) of the bulk sintered product was defined as PZT in a stress-free state. Here, the upper limit value and the lower limit value of 2.025 to 2.040 mm are values at which the deformation amount of the vibration plate becomes ± 10 μm due to the film stress of the PZT film, and 10 μm adheres the vibration plate to the ink chamber partition wall or the like. It is the thickness of the adhesive at the time.

応力緩和層を導入しない場合のAD法(室温製膜)によるPZT膜a軸長は、2.055 Åであり、膜応力が10%まで低減された実施例の場合、a軸長は2.033 Åまで変化していることが確認された。   When the stress relaxation layer is not introduced, the PZT film a-axis length by the AD method (room temperature film formation) is 2.055 mm, and in the example in which the film stress is reduced to 10%, the a-axis length changes to 2.033 mm. It was confirmed that

[液体吐出ヘッドの構造]
図8は本発明に係る液体吐出ヘッドの要部断面図である。尚、図5と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
[Liquid discharge head structure]
FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part of the liquid discharge head according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in FIG. 5, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図8に示す液体吐出ヘッド90は、図5に示した圧電アクチュエータ60と圧力室隔壁92とを接着剤によって貼り付け、この圧力室隔壁92の下面にノズルプレート94を貼り付けて構成されている。また、PZT膜68の上面には、電極91が形成されている。   The liquid discharge head 90 shown in FIG. 8 is configured by attaching the piezoelectric actuator 60 and the pressure chamber partition 92 shown in FIG. 5 with an adhesive, and attaching a nozzle plate 94 to the lower surface of the pressure chamber partition 92. . An electrode 91 is formed on the upper surface of the PZT film 68.

圧力室隔壁によって画成された圧力室98には図示しない液体流路を介して液体 (インク)が供給されるようになっており、液体吐出ヘッド90は、電極64、91間に1kV/mm程度のDCパルス電界が印加されることで振動板62を変位駆動し、ノズルプレート94に形成されたノズル96から所望の液滴サイズのインクを吐出する。   A liquid (ink) is supplied to a pressure chamber 98 defined by the pressure chamber partition via a liquid flow path (not shown), and the liquid discharge head 90 is 1 kV / mm between the electrodes 64 and 91. By applying a DC pulse electric field of a degree, the vibration plate 62 is driven to be displaced, and ink of a desired droplet size is ejected from the nozzle 96 formed on the nozzle plate 94.

尚、本発明に係る圧電アクチュエータは、液体吐出ヘッドのアクチュエータとして適用する場合について説明したが、他の機器のアクチュエータとしても使用できる。また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、記録紙にインクを吐出するライン型インクジェットヘッドとして使用される場合について説明したが、これに限らず、ヘッドが印字媒体の送り方向と直交する方向に往復移動するシャトル型のヘッドにも適用できる。更に、本発明に係る液体吐出ヘッドは、記録媒体に処理液又は水を噴射することによる画像形成用ヘッドとして、また、基材に塗布液を噴射することで画像記録媒体を形成するための液体吐出ヘッドとして用いても良い。   Although the piezoelectric actuator according to the present invention has been described as being applied as an actuator for a liquid ejection head, it can also be used as an actuator for other devices. Further, the liquid ejection head according to the present invention has been described as being used as a line-type inkjet head that ejects ink onto recording paper. However, the present invention is not limited to this, and the head reciprocates in a direction perpendicular to the feeding direction of the print medium. It can also be applied to a shuttle-type head that moves. Furthermore, the liquid discharge head according to the present invention is a liquid for forming an image recording medium as an image forming head by ejecting a treatment liquid or water onto a recording medium, and by ejecting a coating liquid onto a substrate. It may be used as a discharge head.

図1は本発明に係るインクジェット記録装置の全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ink jet recording apparatus according to the present invention. 図2は図1に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。FIG. 2 is a plan view of the main part around the printing unit of the ink jet recording apparatus shown in FIG. 図3はAD法による成膜装置を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a film forming apparatus using the AD method. 図4(A)はジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなる圧電体の厚みと変位体積及び発生圧との関係を示すグラフであり、図4(B)は振動板の厚みと変位体積及び発生圧との関係を示すグラフである。4A is a graph showing the relationship between the thickness of a piezoelectric body made of lead zirconate titanate (PZT), the displacement volume, and the generated pressure, and FIG. 4B is the thickness, displacement volume, and generation of the diaphragm. It is a graph which shows the relationship with a pressure. 図5は本発明に係る圧電アクチュエータの第1実施例を示す要部断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a principal part showing a first embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. 図6は本発明に係る圧電アクチュエータの第2実施例を示す要部断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part showing a second embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. 図7は本発明に係る圧電アクチュエータの第3実施例を示す要部断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part showing a third embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention. 図8は本発明に係る液体吐出ヘッドの要部断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part of the liquid discharge head according to the present invention. 図9は振動板(基板)の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the thickness of the diaphragm (substrate) and the amount of stress deformation. 図10はPZT圧電膜の厚みと応力変形量との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the PZT piezoelectric film and the amount of stress deformation. 図11(A)は振動板上に成膜された圧電体に膜応力がなく、振動板が変形しない理想的な形態を示し、図11(B)は圧電体に圧縮応力が働き、振動板が凹凸状に応力変形する形態を示す図である。FIG. 11A shows an ideal form in which the piezoelectric body formed on the diaphragm has no film stress and the diaphragm is not deformed, and FIG. 11B shows a compressive stress acting on the piezoelectric body. It is a figure which shows the form which stress-deforms in uneven | corrugated shape.

符号の説明Explanation of symbols

10…インクジェット記録装置、12…印字部、12K,12C,12M,12Y…ヘッド、60、70、80…圧電アクチュエータ、62…振動板、64、91…電極、66…スパッタ膜のPZT膜、68…AD膜のPZT膜、72…低緻密のPZT膜、82…ゾルゲル膜のPZT膜、90……液体吐出ヘッド、92…圧力室隔壁、94…ノズルプレート、96…ノズル、98…圧力室   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Inkjet recording device, 12 ... Printing part, 12K, 12C, 12M, 12Y ... Head, 60, 70, 80 ... Piezoelectric actuator, 62 ... Diaphragm, 64, 91 ... Electrode, 66 ... PZT film of sputtered film, 68 ... AD film PZT film, 72 ... low-density PZT film, 82 ... sol-gel film PZT film, 90 ... liquid ejection head, 92 ... pressure chamber partition, 94 ... nozzle plate, 96 ... nozzle, 98 ... pressure chamber

Claims (14)

支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極上に形成された応力緩和層と、前記応力緩和層上に成膜された圧電体とから構成され、
前記応力緩和層により前記圧電体の成膜時の膜応力を低減させることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A support substrate; an electrode formed on the support substrate; a stress relaxation layer formed on the electrode; and a piezoelectric body formed on the stress relaxation layer.
A piezoelectric actuator characterized in that a film stress during film formation of the piezoelectric body is reduced by the stress relaxation layer.
前記圧電体は、前記応力緩和層上にエアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric body is formed on the stress relaxation layer by an aerosol deposition method. 前記応力緩和層は、膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ。   3. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is formed on the electrode by a film forming method in which film stress is not generated or film stress is reduced. 前記応力緩和層は、スパッタ法、加水分解を用いたゾルゲル法、熱分解を用いた有機金属分解法のうちのいずれかの成膜方法により前記電極上に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ。   The stress relaxation layer is formed on the electrode by any one of a sputtering method, a sol-gel method using hydrolysis, and an organometallic decomposition method using thermal decomposition. Item 3. The piezoelectric actuator according to Item 1 or 2. 前記応力緩和層は、エアロゾルデポジション法により前記電極上に形成され、前記圧電体の膜密度よりも密度の低い低緻密膜であることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ。   3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the stress relaxation layer is a low-density film formed on the electrode by an aerosol deposition method and having a density lower than the film density of the piezoelectric body. 前記応力緩和層は、ビッカース硬度が600Hv 以下の低緻密膜であることを特徴とする請求項5に記載の圧電アクチュエータ。   6. The piezoelectric actuator according to claim 5, wherein the stress relaxation layer is a low-density film having a Vickers hardness of 600 Hv or less. 前記応力緩和層は、前記圧電体と同一組成、又はほぼ同一組成の材料からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is made of a material having the same composition as or substantially the same composition as the piezoelectric body. 前記応力緩和層は、高誘電率材料からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is made of a high dielectric constant material. 前記応力緩和層は多層からなり、各層は成膜方法及び材料のうちの少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the stress relaxation layer includes a plurality of layers, and each layer is different in at least one of a film forming method and a material. 前記支持基板の厚みは、30μm以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the support substrate has a thickness of 30 μm or less. 前記圧電体の厚みは、1μm以上であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric body has a thickness of 1 μm or more. 前記応力緩和層上に形成された圧電体はPZT膜であり、前記PZT膜の結晶a軸長が2.025 〜2.040 オングストロームの範囲であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric body formed on the stress relaxation layer is a PZT film, and a crystal a-axis length of the PZT film is in a range of 2.025 to 2.040 angstroms. Piezoelectric actuator. 液体が充填される圧力室と、
前記圧力室から液体を吐出するためのノズルと、
請求項1乃至12のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記支持基板が、前記圧力室内の容積を変化させて前記ノズルから液体を吐出させるための振動板である圧電アクチュエータと、
を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
A pressure chamber filled with liquid;
A nozzle for discharging liquid from the pressure chamber;
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 12, wherein the support substrate is a vibration plate for changing the volume in the pressure chamber to discharge liquid from the nozzle;
A liquid discharge head comprising:
支持基板の電極上に膜応力が発生しないか、又は膜応力が低くなる成膜方法により1層以上の応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、
エアロゾルデポジション法により圧電原料の粉体を含むエアロゾルを前記応力緩和層上に噴射し、該応力緩和層上に粉体を堆積させて圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、を含み、
前記応力緩和層は、前記圧電膜との界面に生じる膜応力を低減させる材料からなることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
A stress relaxation layer forming step of forming one or more stress relaxation layers by a film forming method in which film stress is not generated on the electrode of the support substrate or the film stress is reduced;
A piezoelectric film forming step of spraying an aerosol containing a piezoelectric raw material powder onto the stress relaxation layer by an aerosol deposition method and depositing the powder on the stress relaxation layer to form a piezoelectric film;
The method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the stress relaxation layer is made of a material that reduces a film stress generated at an interface with the piezoelectric film.
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