JP2013065698A - Electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, droplet discharge device, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット方式のプリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置等に備えられた、インク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動源等として用いられる電気−機械変換素子、これを備えたかかる液滴吐出ヘッド、これを備えかかる画像形成装置等に具備された液滴吐出装置、これらを備えたかかる画像形成装置に関する。 The present invention relates to an electro-mechanical conversion element used as a drive source for a droplet discharge head for discharging a droplet of ink or the like provided in an image forming apparatus such as an ink jet printer, facsimile, or copying machine. The present invention relates to a droplet discharge head provided with the above, a droplet discharge device provided in such an image forming apparatus provided with the same, and an image forming apparatus including these.
従来より、かかる液滴吐出ヘッドであって、液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通し液滴となるインク等(以下インク)を収容した加圧室と、この加圧室内のインクをノズルから吐出させるために振動する振動板と、振動版を振動させる駆動源としての、圧電素子などの電気−機械変換素子若しくはヒータなどの電気熱変換素子、又は、インク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなるエネルギー発生手段とを備え、駆動源又はエネルギー発生手段で発生したエネルギーで振動板を振動させ加圧室内のインクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させるものが知られている。なお、かかる加圧室は、インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称されることがある。 Conventionally, in such a droplet discharge head, a nozzle that discharges a droplet, a pressurizing chamber that contains ink (hereinafter referred to as ink) that communicates with the nozzle, and an ink in the pressurizing chamber. A diaphragm that vibrates for ejection from the nozzle, an electromechanical transducer such as a piezoelectric element or an electrothermal transducer such as a heater, or a wall surface of an ink flow path as a drive source for vibrating the vibrating plate An energy generating means comprising an oscillating plate and an electrode facing the oscillating plate is provided, and the ink is ejected from the nozzles by oscillating the oscillating plate with the energy generated by the driving source or the energy generating unit and pressurizing ink in the pressurizing chamber. Things are known. Such a pressurizing chamber may also be referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, a liquid chamber, or the like.
かかる駆動源として用いられる、または用いられ得るアクチュエータとして、半導体デバイス、電子デバイス等の膜構造体が知られている(たとえば、〔特許文献1〕〜〔特許文献19〕参照)。このようなアクチュエータとして、たとえば、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものとの2種類が実用化されている。 As actuators that can be used or can be used as such driving sources, film structures such as semiconductor devices and electronic devices are known (see, for example, [Patent Document 1] to [Patent Document 19]). As such an actuator, for example, two types are put into practical use, one using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and one using a flexural vibration mode piezoelectric actuator. .
たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものとしては、たとえば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。 Using a piezoelectric actuator in flexural vibration mode, for example, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by film formation technology, and this piezoelectric material layer is applied to the pressure generation chamber by lithography. A piezoelectric element is known that is divided into shapes to be formed and formed independently of each pressure generating chamber.
このような圧電アクチュエータにおいては、圧電膜の自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、大きな圧電定数が得られるため、圧電膜の自発分極軸と電界印加方向とは完全に一致することが最も好ましい。また、インク吐出量のばらつき等を抑制するには、圧電膜の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましい。これらの点を考慮すれば、結晶配向性に優れた圧電膜が好ましい。 In such a piezoelectric actuator, when the vector component of the spontaneous polarization axis of the piezoelectric film matches the electric field application direction, the expansion and contraction accompanying the increase and decrease of the electric field application intensity occurs effectively, and a large piezoelectric constant is obtained. Most preferably, the spontaneous polarization axis of the piezoelectric film and the electric field application direction completely coincide. Further, in order to suppress variations in the ink discharge amount, it is preferable that the in-plane variation in the piezoelectric performance of the piezoelectric film is small. Considering these points, a piezoelectric film having excellent crystal orientation is preferable.
結晶配向性に関する技術としては、たとえば、表面にTiが島状に析出したTi含有貴金属電極上に圧電膜を成膜することで、結晶配向性に優れた圧電膜を成膜する技術(たとえば、〔特許文献1〕参照)、基板としてMgO基板を用いることで、結晶配向性に優れた圧電膜を成膜する技術(たとえば、〔特許文献2〕参照)、アモルファス強誘電体膜を成膜し、その後、急速加熱法によって該膜を結晶化させる強誘電体膜の製造方法に関する技術(たとえば、〔特許文献3〕参照)、成膜工程においては、正方晶系、斜方晶系、及び菱面体晶系のうちいずれかの結晶構造を有するペロブスカイト型複合酸化物(不可避不純物を含んでいてもよい)からなり、(100)面、(001)面、及び(111)面のうちいずれかの面に優先配向し、配向度が95%以上である圧電膜を成膜する圧電膜の製造方法に関する技術(たとえば、〔特許文献4〕参照)が知られている。 As a technique related to crystal orientation, for example, a technique for forming a piezoelectric film having excellent crystal orientation by forming a piezoelectric film on a Ti-containing noble metal electrode on which Ti is deposited in an island shape (for example, [Patent Document 1]), using a MgO substrate as a substrate, a technique for forming a piezoelectric film having excellent crystal orientation (for example, see [Patent Document 2]), and forming an amorphous ferroelectric film Thereafter, in a technique relating to a manufacturing method of a ferroelectric film in which the film is crystallized by a rapid heating method (see, for example, [Patent Document 3]), in a film forming process, a tetragonal system, an orthorhombic system, and a rhombus A perovskite complex oxide (which may contain unavoidable impurities) having any crystal structure of a rhombohedral system, and any one of (100) plane, (001) plane, and (111) plane Preferentially oriented on the surface Production process technique of a piezoelectric film having a degree of orientation to the film formation of the piezoelectric film is 95% or more (for example, see [Patent Document 4]) is known.
なお、圧電素子の製造方法については、基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなる圧電素子の製造方法において、基板上に圧電膜の構成元素を少なくとも1種含むシード層と下部電極とを順次成膜する工程と、非酸化雰囲気中にてシード層に含まれる圧電膜の構成元素を拡散させて、下部電極の表面に析出させる工程と、下部電極上に前記圧電膜を成膜する工程とを順次有する技術が提案されている。この技術によれば、MgO等の高価な基板を用いることなく、比較的低温で、結晶性に優れ、圧電性に優れた圧電膜を成膜することが可能であるとされている。また、かかる技術ではさらに、Tiを含むシード層の厚みを5〜50nmとし、下部電極の厚みを50〜500nm、下部電極の平均表面粗さRaが0.5〜8.0nmとなる条件で、拡散を実施することで、圧電膜の圧電定数d31が150pm/V以上である圧電素子を提供することが提案されている。 As for the method of manufacturing a piezoelectric element, in the method of manufacturing a piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked on a substrate, a seed layer containing at least one constituent element of the piezoelectric film on the substrate. And a step of sequentially forming a film and a lower electrode, a step of diffusing constituent elements of the piezoelectric film contained in the seed layer in a non-oxidizing atmosphere and depositing on the surface of the lower electrode, and the piezoelectric film on the lower electrode A technique has been proposed that sequentially includes a step of forming a film. According to this technique, a piezoelectric film having excellent crystallinity and excellent piezoelectricity can be formed at a relatively low temperature without using an expensive substrate such as MgO. Further, in such a technique, the thickness of the seed layer containing Ti is 5 to 50 nm, the thickness of the lower electrode is 50 to 500 nm, and the average surface roughness Ra of the lower electrode is 0.5 to 8.0 nm. It has been proposed to provide a piezoelectric element in which the piezoelectric constant d31 of the piezoelectric film is 150 pm / V or more by performing diffusion.
ところで、振動板については、従来から種々の検討がなされており、金属酸化膜を用いる技術(たとえば、〔特許文献5〕参照)や、ニッケル、クロム、アルミニウム、アルミナ、酸化シリコン、またはポリイミド系樹脂、その他、SiO2や、ニッケル、クロム、アルミニウムの酸化物、ポリイミドなどの有機高分子材料を用いる技術(たとえば、〔特許文献6〕参照)などの試みがなされている。
By the way, various studies have been made on the diaphragm, and techniques using a metal oxide film (see, for example, [Patent Document 5]), nickel, chromium, aluminum, alumina, silicon oxide, or polyimide resin are used. In addition, attempts have been made to use an organic polymer material such as
一方、振動板に関して、本発明者らは、LPCVD法で成膜された膜から構成される振動板を備えた圧電型アクチュエータでは、振動板の表面粗さが、下部電極、PZTの結晶配向に大きく影響を与え、液滴吐出特性に大きく影響を与える為、振動板の表面粗さの制御が重要であることを見出した。 On the other hand, regarding the diaphragm, the present inventors have found that in a piezoelectric actuator having a diaphragm composed of a film formed by the LPCVD method, the surface roughness of the diaphragm depends on the crystal orientation of the lower electrode and PZT. It has been found that control of the surface roughness of the diaphragm is important because it greatly affects the droplet discharge characteristics.
具体的には、表面粗さを小さくすることにより、電界集中が生じにくい圧電膜となり、耐圧を上昇させることが可能となり、また圧電体の劣化を抑制することが可能となることを見出した。振動板の表面粗さが小さいことで、後工程の加工精度が向上し、ウエハ面内での均一性がよく、各液滴吐出ヘッドのインク吐出特性を均一にすることが可能となるものである。 Specifically, it has been found that by reducing the surface roughness, it becomes a piezoelectric film in which electric field concentration hardly occurs, the breakdown voltage can be increased, and deterioration of the piezoelectric body can be suppressed. Since the surface roughness of the diaphragm is small, the processing accuracy of the subsequent process is improved, the uniformity within the wafer surface is good, and the ink discharge characteristics of each droplet discharge head can be made uniform. is there.
また、LPCVD法で成膜された膜で構成された振動板は、半導体、MEMSデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり、加工もし易いことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、SOI等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板が得られ、高精度でばらつきの少ない液滴吐出ヘッドが実現されることとなる。 In addition, a diaphragm composed of a film formed by the LPCVD method is a film that has been conventionally applied to semiconductors and MEMS devices, and since it is easy to process, it does not bring new process issues, A stable diaphragm can be obtained without using an expensive substrate such as SOI, and a liquid droplet ejection head with high accuracy and little variation can be realized.
さらに、ポリシリコン膜を含む振動板においては、ポリシリコンの結晶粒により、表面粗さが大きくなり、振動板の粗さが増大することも、本発明者らは見出した。これに関して、アモルファス状のシリコン膜においては、表面粗さを低減することは可能であるが、結晶配向性に優れた圧電膜を形成するプロセスにおいては、焼成工程などの高温での熱処理が必要とされるため、シリコン膜の粗さ、応力などが変動し、信頼性の高い液滴吐出ヘッドの実現が不可能であること、圧電素子形成のプロセスを制限することとなり、場合によっては歩留り、コストに影響を及ぼす可能性があることがわかった。 Furthermore, the present inventors have also found that in a diaphragm including a polysilicon film, the surface roughness increases due to polysilicon crystal grains, and the roughness of the diaphragm increases. In this regard, it is possible to reduce the surface roughness of an amorphous silicon film, but the process of forming a piezoelectric film with excellent crystal orientation requires heat treatment at a high temperature such as a baking step. Therefore, the roughness and stress of the silicon film fluctuate, making it impossible to realize a highly reliable droplet discharge head and limiting the piezoelectric element formation process. In some cases, the yield and cost It was found that there is a possibility of affecting.
このように、振動板の表面粗さが、下部電極、PZTの結晶配向に大きく影響を与え、液滴吐出特性に大きく影響を与えることから、振動板の表面粗さの制御が重要であるにもかかわらず、上述した技術など、従来の技術では、振動板の粗さについての詳細が規定されていない。なお、本発明者らの研究により、振動板の表面粗さは、たとえばシリコン層の膜厚の影響を受けること、シリコン層を薄くすれば表面粗さを低減することが可能となるが振動板の剛性を著しく小さくしてしまうことも判明したため、振動板の表面粗さを制御するには、これらのことにも留意することを要する。 As described above, since the surface roughness of the diaphragm greatly affects the crystal orientation of the lower electrode and PZT, and greatly affects the droplet discharge characteristics, it is important to control the surface roughness of the diaphragm. Nevertheless, details regarding the roughness of the diaphragm are not stipulated in conventional techniques such as those described above. According to the studies by the present inventors, the surface roughness of the diaphragm is affected by, for example, the thickness of the silicon layer, and the surface roughness can be reduced if the silicon layer is thinned. Therefore, it is necessary to pay attention to these points in order to control the surface roughness of the diaphragm.
本発明は、インクジェット方式のプリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置等に備えられ、振動板の表面粗さを適正にすることにより、下部電極、電気−機械変換膜の結晶配向を適正化し、経時的に安定した駆動力を得ることを可能とした電気−機械変換素子、これを備えインク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッド、これを備えた液滴吐出装置、これらを備えたかかる画像形成装置を提供することを目的とする。 The present invention is provided in an image forming apparatus such as an ink jet printer, a facsimile machine, a copying machine, etc., and optimizes the crystal orientation of the lower electrode and the electromechanical conversion film by making the surface roughness of the diaphragm appropriate. An electro-mechanical conversion element capable of obtaining a stable driving force over time, a droplet discharge head for discharging a droplet of ink or the like provided with the electro-mechanical conversion element, a droplet discharge device including the same, and the like An object of the present invention is to provide such an image forming apparatus.
上記目的を達成するため、本発明は、基板上に形成された振動板と、この振動板上に直接又は間接的に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、この電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有し、前記下部電極は(111)配向を有する層を含み、前記電気−機械変換膜は(111)を優先配向とするPZTからなり、前記振動板は表面粗さが5nm以下のポリシリコン層を含む電気−機械変換素子にある。 In order to achieve the above object, the present invention provides a diaphragm formed on a substrate, a lower electrode formed directly or indirectly on the diaphragm, and an electro-mechanical conversion formed on the lower electrode. And an upper electrode formed on the electro-mechanical conversion film, wherein the lower electrode includes a layer having a (111) orientation, and the electro-mechanical conversion film has (111) as a preferred orientation. The diaphragm is made of PZT, and the diaphragm is in an electro-mechanical conversion element including a polysilicon layer having a surface roughness of 5 nm or less.
本発明は、基板上に形成された振動板と、この振動板上に直接又は間接的に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、この電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有し、前記下部電極は(111)配向を有する層を含み、前記電気−機械変換膜は(111)を優先配向とするPZTからなり、前記振動板は表面粗さが5nm以下のポリシリコン層を含む電気−機械変換素子にあるので、振動板の表面粗さの適正化により、下部電極、電気−機械変換膜の結晶配向を適正化し、経時的に安定した駆動力を得ることを可能とした電気−機械変換素子を提供することができる。 The present invention relates to a diaphragm formed on a substrate, a lower electrode formed directly or indirectly on the diaphragm, an electro-mechanical conversion film formed on the lower electrode, and the electro-mechanical An upper electrode formed on the conversion film, the lower electrode including a layer having a (111) orientation, and the electro-mechanical conversion film is made of PZT having (111) as a preferred orientation, and the diaphragm Is in an electro-mechanical conversion element including a polysilicon layer having a surface roughness of 5 nm or less. By optimizing the surface roughness of the diaphragm, the crystal orientation of the lower electrode and the electro-mechanical conversion film is optimized, It is possible to provide an electromechanical conversion element that can obtain a stable driving force.
図1に本発明を適用した電気−機械変換素子の一例の断面の概略を示す。
電気−機械変換素子10は、基板11上の下地膜として基板11上に成膜された成膜振動板である振動板12と、この振動板12上に形成された密着層13と、この密着層13上に形成された下部電極21と、下部電極21上に形成された電気−機械変換膜16と、電気−機械変換膜16上に形成された上部電極22とを有している。
FIG. 1 shows an outline of a cross section of an example of an electromechanical conversion element to which the present invention is applied.
The
電気−機械変換素子10は、基板11上に、振動板12、密着層13、下部電極21、電気−機械変換膜16、上部電極22が、この順で、半導体製造プロセス等の、膜構造体の製造において用いられる手法によって成膜されることによって形成される。
The electro-
よって、下部電極21は、振動板12上に、密着層13を介して間接的に形成されている。ただし、密着層13を省略して下部電極21を振動板12上に直接形成しても良い。また、密着層13は下部電極21に含まれる構成であっても良い(次に示す図2、図3参照)。ただし、図2、図3においては、単に、密着層13の図示を省略したに過ぎない。なお、振動板12は基板11上に直接形成されている。
Therefore, the
電気−機械変換素子10は、電気−機械変換膜16を圧電膜として備えた圧電素子となっている。上部電極22は個別電極となっている。
The electro-
図2、図3に示すように、電気−機械変換素子10は、液体噴射ヘッドである液滴吐出ヘッド30の一部として用いることが可能である。なお、図2に示す液滴吐出ヘッド30は1ノズルの構成の一例の概略であり、図3は図2に示したエレメントを複数個配列して形成された液滴吐出ヘッド30の概略を示している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
液滴吐出ヘッド30は、その駆動源として機能する電気−機械変換素子10の他、電気−機械変換素子10を形成されている基板11を後述のようにエッチングして形成されインク等の液体(以下、「インク」という)を収容するインク室である加圧室としての圧力室31と、圧力室31内のインクを液滴状に吐出するインク吐出口としてのノズル孔であるノズル32を備えたインクノズルとしてのノズル板33とを有している。
The
液滴吐出ヘッド30は、電気−機械変換素子10が駆動されることにより、ノズル32からインクの液滴を吐出するヘッドである。具体的には、液滴吐出ヘッド30は、後述のように下部電極21、上部電極22に給電されることで電気−機械変換膜16に応力が発生し、これによって振動板12を振動させ、この振動に伴って、ノズル32から圧力室31内のインクを液滴状に吐出するようになっている。なお、圧力室31内にインクを供給するインク供給手段である液体供給手段、インクの流路、流体抵抗についての図示及び説明は省略している。
The
以下、基板11、振動板12、密着層13、下部電極21、電気−機械変換膜16、上部電極22の材質、成膜条件、配向等について、より具体的に説明する。
Hereinafter, the material of the
基板11としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用した。
As the
図2、図3に示した圧力室31のような圧力室を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。たとえばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54.74°の傾斜を持つ構造体が作製されるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることが可能であるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることが可能であることが分かっている。よって本構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされてしまうため、この点に留意して用いている。
When a pressure chamber such as the
振動板12は、電気−機械変換膜16によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室31内のインクをインク滴として吐出させる。そのため、振動板12は所定の強度を有したものであることが好ましい。
The
振動板12は、LPCVD法により作製し、表面粗さを算術平均粗さで4nm以下としたものを用いる。粗さについては、この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。振動板12の材料としては、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やその組み合わせが挙げられ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の少なくとも一方を含む構成となっている。LPCVD法で成膜された膜それ自身としては、半導体、MEMSデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり、加工もし易いことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、SOI等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板が得られる。振動板12は熱処理成膜法で成膜しても良い。
The
振動板12は、(100)の面方位を持つシリコン単結晶基板11に、振動板構成膜として、LPCVD法で厚さ200nmのシリコン酸化膜を成膜し、その後、LPCVD法で厚さ500nmのポリシリコン膜を成膜し、次に、LPCVD法でシリコン窒化膜を成膜した。ポリシリコン層の厚さは0.1μm以上3μm以下、表面粗さが算術平均粗さで5nm以下である。
The
振動板12は、実際にはさらに多層の9層構造となっている。
具体的には、図4に示すように、基板11側から密着層13側に向けて、次に述べる各膜が順に成膜されている。シリコン単結晶基板である基板11に、LPCVD法あるいは熱処理製膜法で成膜されたシリコン酸化膜12a。このシリコン酸化膜12aに、LPCVD法で成膜されたポリシリコン膜12b。このポリシリコン膜12bに、LPCVD法で成膜されたシリコン酸化膜12c。このシリコン酸化膜12cに、LPCVD法で成膜されたシリコン窒化膜12d。このシリコン窒化膜12dに、LPCVD法で成膜されたシリコン酸化膜12e。このシリコン酸化膜12eに、LPCVD法で成膜されたシリコン窒化膜12f。このシリコン窒化膜12fに、LPCVD法で成膜されたシリコン酸化膜12g。このシリコン酸化膜12gに、LPCVD法で成膜されたポリシリコン膜12h。このポリシリコン膜12hに、LPCVD法で成膜されたシリコン酸化膜12i。以上の各膜の成膜により、振動板12の構成膜の成膜が完了する。各膜の膜厚は、振動板12が9層全体で所望の振動板剛性、および応力になるように設定されている。
The
Specifically, as shown in FIG. 4, the following films are sequentially formed from the
振動板12の熱酸化膜をLPCDV法で形成すると、数10ナノの表面粗さとなるため、積層することで表面粗さを低下させる。しかし、一般的な手法で従来知られている構造を形成すると、積層を行っても、表面粗さは通常10nm程度となり、4nm以下とすることが難しい。そこで、振動板12に、LPCVD法で成膜した、5nm以下の表面粗さで厚さが0.1μm以上3μm以下のポリシリコン膜を含むようにすることにより、振動板12の表面粗さを4nm以下とする手法を、本発明者らは開発したものである。
When the thermal oxide film of the
LPCVD法にて、表面粗さ5nm以下のポリシリコン膜を成膜する手法について述べる。まず、LPCVD法にて、600℃以下、好ましくは500〜600℃にてアモルファスシリコン膜を成膜する。続けて成膜されたアモルファスシリコンを高温において安定な膜となるポリシリコンとするために、不活性ガス雰囲気中、たとえばアルゴン中や窒素中で、700〜1100℃の高温にて30分〜2時間程度の熱処理を施す。これにより、表面粗さ5nm以下のポリシリコン膜が成膜される。本発明者らは、このような手法を、インクジェットの振動板の構成膜であるポリシリコン膜の成膜手法として、新たに開発した。 A method for forming a polysilicon film having a surface roughness of 5 nm or less by the LPCVD method will be described. First, an amorphous silicon film is formed by LPCVD at 600 ° C. or less, preferably 500 to 600 ° C. In order to make the amorphous silicon formed continuously into polysilicon which becomes a stable film at high temperature, in an inert gas atmosphere, for example, in argon or nitrogen, at a high temperature of 700 to 1100 ° C. for 30 minutes to 2 hours. Apply a degree of heat treatment. Thereby, a polysilicon film having a surface roughness of 5 nm or less is formed. The present inventors have newly developed such a technique as a technique for forming a polysilicon film, which is a constituent film of an inkjet diaphragm.
下部電極21は、(111)配向を有する層からなる。ただし、下部電極21が密着層13を含むように構成される場合には、密着層13を除く部分あるいは全体を、(111)配向を有する層とする。この点において、下部電極21は、(111)配向を有する層を含む。下部電極21の材質としては、Pt、Ir、IrO2、RuO2、LaNiO3、SrRuO3から選ばれる少なくとも1種類を主成分とする金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
The
下部電極21を構成する金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もある。よって、下部電極21を構成する金属材料としては、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。
Conventionally, platinum having high heat resistance and low reactivity has been used as the metal material constituting the
下部電極21の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。下部電極21の膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmがさらに好ましい。またこのとき、電気−機械変換膜16としてPZTを選択したときにその結晶性として(111)配向を有していることが好ましい。そのために下部電極21の材料としては、(111)配向性が高いPtを含む。
As a method for producing the
ただし、下部電極21の材質として以上述べた材質の中でも、SrRuO3(ルテニウム酸ストロンチウム)を含むことがとくに好ましい。この理由は次のとおりである。
圧電体動作時に、経時的に圧電体中の酸素欠損が増大する可能性が従来指摘されている。その欠損酸素成分の補給源として、導電性の酸化物電極を、誘電体材料との接触界面として利用することが好ましい。この点、SrRuO3は、PZTと同じペロブスカイト型結晶構造を有しているので、界面での接合性に優れ、PZTのエピタキシャル成長を実現し易く、Pbの拡散バリア層としての特性にも優れている。
However, among the materials described above as the material of the
It has been pointed out that oxygen vacancies in the piezoelectric body may increase over time during the operation of the piezoelectric body. As a supply source of the deficient oxygen component, it is preferable to use a conductive oxide electrode as a contact interface with the dielectric material. In this respect, since SrRuO3 has the same perovskite crystal structure as PZT, it has excellent bonding properties at the interface, facilitates the epitaxial growth of PZT, and has excellent characteristics as a Pb diffusion barrier layer.
密着層13は、中間層として備えられているものであり、Ti、TiO2、Ta、Ta2O5、Ta3N5等を下部電極21より先に積層することによって形成されている。これは、下部電極21に白金を使用する場合には、振動板12によって形成されている下地と、下部電極21との密着性が低いためである。
The
上部電極22の構成にはとくに制限はなく、上部電極22の材料としては、下部電極21で例示した材料、Al、Cu等の、一般に半導体プロセスで用いられる材料およびその組み合わせが挙げられる。
The configuration of the
電気-機械変換膜16は、PZTからなっている。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO3)とチタン酸(PbTiO3)との固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3との比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般PZT(53/47)と示される。PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
The
これら材料は一般式ABO3で記述され、A=Pb、Ba、Sr、B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x,Ba)(Zr,Ti)O3、(Pb1−x,Sr)(Zr,Ti)O3となり、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。 These materials are described by the general formula ABO3, and A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and complex oxides whose main components are applicable. The specific description is (Pb1-x, Ba) (Zr, Ti) O3, (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O3, which is obtained by partially replacing Pb of the A site with Ba or Sr. Is the case. Such substitution is possible with a divalent element, and the effect thereof has an effect of reducing characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.
作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することが可能である。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。 As a manufacturing method, it is possible to manufacture by a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、PZT前駆体溶液が作製される。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加しても良い。 When PZT is produced by the Sol-gel method, lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds are used as starting materials and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution, thereby producing a PZT precursor solution. The Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
下地基板全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。 When a PZT film is obtained on the entire surface of the base substrate, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film.
また、インクジェット工法により作製していく場合については、下部電極21と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることが可能である。表面改質材については、下地である下部電極21の材料によっても異なるが、酸化物を下地とする場合は主にシラン化合物、金属を下地とする場合は主にアルカンチオールを選定する。
Further, in the case of manufacturing by the inkjet method, it is possible to obtain a film patterned by the same manufacturing flow as that of the
電気−機械変換膜16の膜厚としては0.5〜5μmが好ましく、さらに好ましくは1μm〜2μmとなる。この範囲より小さいと十分な変位を発生することが出来なくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
The film thickness of the
図5に、下部電極21上にPZTをSol−gel法により作製した溶液を用いてスピンコートにより1μm成膜した後のXRDについて示す。同図より、PZTは(111)面が非常に優先配向した膜が得られていることがわかる。また、PZTの熱処理条件によっては(111)以外の配向膜にもなっており、以下の式を用いたときに、(111)配向度が0.95以上かつ(110)配向度が0.05以下であることが好ましい。
FIG. 5 shows XRD after forming 1 μm of PZT on the
この式は、XRDで得られた各配向のピークの総和を1とした時のそれぞれの配向の比率を表す計算方法を示している。この式によって得られる値は平均配向度を表している。
ρ=I(hkl)/ΣI(hkl)
分母:各ピーク強度の総和
分子:任意の配向のピーク強度
この範囲を超える場合は、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないことがわかった。
This equation shows a calculation method that represents the ratio of each orientation when the sum of the peaks of each orientation obtained by XRD is 1. The value obtained by this formula represents the average degree of orientation.
ρ = I (hkl) / ΣI (hkl)
Denominator: Total numerator of each peak intensity: Peak intensity of arbitrary orientation When exceeding this range, it was found that sufficient characteristics could not be obtained for displacement degradation after continuous driving.
以上述べたことからわかるように、電気−機械変換素子10は、簡便な製造工程で形成可能であり、バルクセラミックスと同等の性能を持つとともに、その後の圧力室31形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル32を有するノズル板33を接合することで、液滴吐出ヘッド30が製造可能である。
As can be seen from the above description, the
以下、本発明の実施例及び実施例と比較される比較例を説明する。
これらの例において、電気−機械変換素子の構成は、図2に示したのと同様となっている。なお、以下の説明で述べていない事項については、適宜、すでに述べた事項を援用する。
Hereinafter, examples of the present invention and comparative examples compared with the examples will be described.
In these examples, the configuration of the electromechanical conversion element is the same as that shown in FIG. In addition, about the matter which is not stated in the following description, the already stated matter is used suitably.
<実施例1>
基板11としてのシリコンウェハに膜厚1ミクロンの熱酸化膜による振動板12をLPCVD法によって形成した。振動板12は、具体的に、LPCVD法で厚さ200nmのシリコン酸化膜を成膜し、その後、LPCVD法で厚さ500nmのポリシリコン膜を成膜し、次に、LPCVD法でシリコン窒化膜を成膜した。次いで、膜厚50nmのチタン膜による密着層13を成膜し、次に下部電極21として、膜厚250nmの白金膜をスパッタ成膜し、さらに膜厚50nmのSrRuO膜をスパッタ成膜した。
<Example 1>
A
なお、下部電極21を構成している白金膜、SrRuO膜はそれぞれ、電気−機械変換素子10における第1の電極、第2の電極となっている。
密着層13であるチタン膜は、熱酸化膜と白金膜との間の密着層となっている。
SrRuO膜のスパッタ成膜時の基板加熱温度については550℃にて成膜を実施した。
Note that the platinum film and the SrRuO film constituting the
The titanium film as the
The substrate was heated at a temperature of 550 ° C. when the SrRuO film was formed by sputtering.
電気−機械変換膜16の作成にあたってはPb:Zr:Ti=110:53:47の組成比で調合した溶液を準備した。具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上述の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/リットルにした。
In preparing the
電気−機械変換膜16を、この液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥→500℃熱分解を行った。3層目の熱分解処理後に、温度750℃による結晶化熱処理を急速熱処理であるRTAにて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回実施し、24層で約2μmのPZT膜厚を得た。
The electro-
次に上部電極22として膜厚40nmのSrRuO膜、さらに膜厚125nmのPt膜をスパッタ成膜した。なお、上部電極22を構成しているSrRuO膜、Pt膜はそれぞれ、電気−機械変換素子10における第3の電極、第4の電極となっている。
Next, a 40 nm thick SrRuO film and a 125 nm thick Pt film were formed by sputtering as the
その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いてパターンを作製した。 Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by spin coating, a resist pattern was formed by ordinary photolithography, and then a pattern was prepared using an ICP etching apparatus (manufactured by Samco).
その後、基板11を構成しているシリコンウエハに加工を施し、圧力室31と、ノズル32を備えたノズル板33とを形成した。
以上のようにして、電気−機械変換素子10を作製した。
Thereafter, the silicon wafer constituting the
The
<実施例2>
振動板12のLPCVD法による振動板構成を変化させ、表面粗さを表1(a)に示す条件に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 2>
The
<実施例3>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜を成膜しなかったこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 3>
The
<実施例4>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜を成膜しなかったこと以外は、実施例2と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 4>
The
<実施例5>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をIr膜に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 5>
The
<実施例6>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をIr膜に変更したこと以外は、実施例2と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 6>
The
<実施例7>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をIrO2膜に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 7>
The
<実施例8>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をIrO2膜に変更したこと以外は、実施例2と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 8>
The
<実施例9>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をRuO2膜に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 9>
The
<実施例10>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をRuO2膜に変更したこと以外は、実施例2と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 10>
The
<実施例11>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をLaNiO3膜に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 11>
The
<実施例12>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をLaNiO3膜に変更したこと以外は、実施例2と同様に電気−機械変換素子10を作製した。
<Example 12>
The
<比較例1>
振動板12のLPCVD法による振動板構成を変化させ、表面粗さを表1(a)に示す条件に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative Example 1>
An electromechanical conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the diaphragm configuration of the
<比較例2>
振動板12のLPCVD法による振動板構成を変化させ、表面粗さを表1(a)に示す条件に変更したこと以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative example 2>
An electromechanical conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the diaphragm configuration of the
<比較例3>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜を成膜しなかったこと以外は、比較例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative Example 3>
An electro-mechanical conversion element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the configuration of the
<比較例4>
下部電極21の構成を表1(b)に示すように変更し、SrRuO膜をIr膜に変更したこと以外は、比較例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative example 4>
An electromechanical conversion element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the configuration of the
実施例1、2、比較例1、2で作製した電気−機械変換素子について、プロセス過程において、振動板12をLPCVDにて成膜した直後に、日本ビーコ社製 NanoScope IIIaAFMを用いて表面粗さについて評価を行った。この表面粗さは平均粗さである。AFM測定において、測定モードはタッピングモード、測定範囲は3μm×3μm、走査速度は1Hzとした。作製した電気-機械変換素子を用いて電気特性、電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。代表的なP−Eヒステリシス曲線を図6に示す。電気−機械変換能は電界印加(150kV/cm)による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性を評価した後に、耐久性(10^10回繰り返し印可電圧を加えた直後の特性)評価を実施した。
For the electromechanical transducers prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the surface roughness was measured using NanoScope IIIaAFM manufactured by Beiko Japan, immediately after the
これらの詳細結果を表1(a)にまとめた。
なお、同表において、太枠内の数値は、特性が劣っていることを示している。太枠内に数値が記載されていない項目については、試験中に評価不能となった場合を示している。
These detailed results are summarized in Table 1 (a).
In the table, the numerical values in the thick frame indicate that the characteristics are inferior. For items for which no numerical value is indicated in the bold frame, the case where evaluation is impossible during the test is shown.
実施例1、2、比較例1については、初期特性、耐久性試験後の結果についても一般的なセラミック焼結体と同等の特性を有していた。たとえば、残留分極Pr:20〜25μC/cm2、圧電定数d31:−130〜−160pm/Vの範囲内となっている。
About Example 1, 2, and the comparative example 1, it had the characteristic equivalent to the general ceramic sintered compact also about the initial characteristic and the result after a durability test. For example, the residual polarization Pr is in the range of 20 to 25 μC /
一方、比較例2については、初期特性において、一般的なセラミックス焼結体に比べて、残留分極Pr及び圧電定数d31の双方において特性が劣っている。さらに10^10回後すなわち10^10回繰り返し印加電圧を加えた耐久性試験言い換えると劣化試験直後の特性においては、実施例1、2に比べて、比較例2は残留分極Pr及び圧電定数d31の双方において劣化しているのが確認され、劣化試験中に電極リークが発生し、途中で評価が出来なくなってしまった。 On the other hand, in Comparative Example 2, the initial characteristics are inferior in both residual polarization Pr and piezoelectric constant d31 as compared with a general ceramic sintered body. Further, after 10 ^ 10 times, i.e., the durability test in which the applied voltage was repeatedly applied 10 ^ 10 times, in other words, in the characteristic immediately after the deterioration test, the comparative example 2 is different from the first and second examples in the residual polarization Pr and the piezoelectric constant d31. In both cases, it was confirmed that the electrode was deteriorated, electrode leakage occurred during the deterioration test, and evaluation could not be performed on the way.
実施例1、2、比較例1と、比較例2とのこのような特性の比較から、電気−機械変換膜10の電気特性については、150kV/cmでのP−Eヒステリシスにおいて、2Pr値が35μC/cm2以上であることが好ましいことが分かった。
From comparison of such characteristics between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2, regarding the electrical characteristics of the
実施例1、2、比較例1で作製した電気-機械変換素子を用いて、図3に示した液滴吐出ヘッド30を作製し液の吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出されていることを確認した。
Using the electro-mechanical transducers produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the
ただし、同表(a)の耐久性試験後液滴速度Vjの劣化率に関しては、10^10回後すなわち10^10回繰り返し印加電圧を加えた耐久性試験直後のvj特性において、実施例1、2に比べて、比較例1は、10%以上劣化しているのが確認され、耐久性で劣っており、NGと判断した。 However, with respect to the deterioration rate of the droplet velocity Vj after the durability test in the same table (a), in the vj characteristics immediately after the durability test in which the applied voltage was applied 10 ^ 10 times, that is, 10 ^ 10 times repeatedly, Example 1 Compared to 2, Comparative Example 1 was confirmed to be deteriorated by 10% or more, was inferior in durability, and judged to be NG.
次に、実施例3〜12、比較例3、4で作製した電気-機械変換素子を用いて、図3に示した液滴吐出ヘッド30を作製し液の吐出評価を行った。具体的には次のとおりである。
粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出されていることを確認した。
Next, using the electro-mechanical conversion elements produced in Examples 3 to 12 and Comparative Examples 3 and 4, the
Using an ink whose viscosity was adjusted to 5 cp, the discharge situation when applying an applied voltage of −10 to −30 V was confirmed by a simple Push waveform, and it was confirmed that all the nozzle holes were discharging.
同表(b)に、この場合の耐久性試験後液滴速度Vjの劣化率を示す。10^10回後すなわち10^10回繰り返し印加電圧を加えた耐久性試験直後のVj特性においては、実施例3〜12に比べて、比較例3、4は、10%以上劣化しているのが確認され、耐久性で劣っており、NGと判断した。
Table (b) shows the deterioration rate of the droplet velocity Vj after the durability test in this case. In the Vj characteristics immediately after the durability test after applying the applied
液滴吐出ヘッド30をインクジェット式記録ヘッドとして搭載した画像形成装置であるインクジェット記録装置の一例について図7を参照して説明する。なお、同図(a)は同記録装置の機構部の側面図、同図(b)は同記録装置の斜視図である。
An example of an ink jet recording apparatus which is an image forming apparatus in which the
インクジェット記録装置50は、インクジェットプリンタとしてのプリンタであってフルカラーの画像形成を行うことが可能なデジタル印刷装置である。インクジェット記録装置50は、外部から受信した画像情報に対応する画像信号に基づき画像形成処理を行なう。
The ink
インクジェット記録装置50は、一般にコピー等に用いられる普通紙の他、OHPシートや、カード、ハガキ等の厚紙や、封筒等の何れをもシート状の記録媒体としてこれに画像形成を行なうことが可能である。インクジェット記録装置50は、記録媒体である用紙としての記録体である転写紙Sの片面に画像形成可能な片面画像形成装置であるが、転写紙Sの両面に画像形成可能な両面画像形成装置であってもよい。
The ink
インクジェット記録装置50は、記録装置本体81の内部に、主走査方向に移動可能なキャリッジ93と、キャリッジ93に搭載したインクジェットヘッドとしての記録ヘッドである液滴吐出ヘッド30と、液滴吐出ヘッド30へインクを供給する液体供給部としてのインクカートリッジ95とを有する液滴吐出装置としての印字機構部82等を収納している。
The ink
インクジェット記録装置50は、本体81の下方部に前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット84を抜き差し自在に装着されるようになっている。また、本体81は、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒可能である。給紙カセット84は給紙トレイであっても良い。
In the ink
インクジェット記録装置50は、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
The ink
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ93には、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインクを吐出する液滴吐出ヘッド30が、複数のノズル32を主走査方向と交差する方向に配列した状態で、インク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。またキャリッジ93には液滴吐出ヘッド30のそれぞれに各色のインクを供給するためのインクカートリッジ95を交換可能に装着されている。
The printing mechanism 82 holds a
インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する図示しない大気口、下方には液滴吐出ヘッド30へインクを供給する図示しない供給口を有しているとともに、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド30へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。本構成の液滴吐出ヘッド30は各色に対応して複数備えられているが、液滴吐出ヘッド30は、各色のインクを吐出する構成とし、これを1つ備えられていてもよい。
The ink cartridge 95 has an air port (not shown) that communicates with the atmosphere above and an ink port (not shown) that supplies ink to the
キャリッジ93は後方側に対応した用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装され、前方側に対応した用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド92に摺動自在に載置されている。キャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間に、キャリッジ93を固定したタイミングベルト100を張装し、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動するようになっている。
The
インクジェット記録装置50は、給紙カセット84にセットした用紙83を液滴吐出ヘッド30の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によって図示しないギヤ列を介して回転駆動される。
The
液滴吐出ヘッド30の下方には、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液滴吐出ヘッド30の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109が設けられている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。
Below the
記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド30を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。
During recording, the
キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド30の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117は、図示を省略するが、キャップ手段と、吸引手段と、クリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド30をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
A recovery device 117 for recovering defective ejection of the
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド30のノズル32を密封し、図示しないチューブを通して吸引手段でノズル32からインクとともに気泡等を吸い出し、ノズル板33の表面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体81下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
When a discharge failure occurs, the
このような構成のインクジェット記録装置50においては液滴吐出ヘッド30を搭載しており、この液滴吐出ヘッド30が、電気−機械変換素子10、すなわち、振動板12の表面粗さの適正化により、下部電極21、電気−機械変換膜16の結晶配向を適正化した電気−機械変換素子10を備えていることにより、経時的に安定してインク吐出特性が得られ、インク滴吐出不良が防止ないし抑制され、良好な画像品質が得られる。
In the ink
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and the present invention described in the claims is not specifically limited by the above description. Various modifications and changes are possible within the scope of the above.
たとえば、電気−機械変換素子は、基板、下地膜、密着層、下部電極、電気−機械変換膜、上部電極のうち、少なくとも下地膜、下部電極、電気−機械変換膜、上部電極を有していれば良く、これに加えて密着層及び/又は基板を備えていても良い。 For example, the electro-mechanical conversion element has at least the base film, the lower electrode, the electro-mechanical conversion film, and the upper electrode among the substrate, the base film, the adhesion layer, the lower electrode, the electro-mechanical conversion film, and the upper electrode. In addition to this, an adhesion layer and / or a substrate may be provided.
本発明を適用する画像形成装置は、上述のタイプの画像形成装置に限らず、他のタイプの画像形成装置、すなわち、複写機、ファクシミリの単体、あるいはこれらの複合機、これらに関するモノクロ機等の複合機、その他、電気回路形成に用いられる画像形成装置、バイオテクノロジー分野において所定の画像を形成するのに用いられる画像形成装置であっても良い。 The image forming apparatus to which the present invention is applied is not limited to the above-mentioned type of image forming apparatus, but other types of image forming apparatuses, that is, a copying machine, a single facsimile, a complex machine of these, a monochrome machine related thereto, and the like. The image forming apparatus may be a multifunction peripheral, an image forming apparatus used for forming an electric circuit, or an image forming apparatus used for forming a predetermined image in the biotechnology field.
電気−機械変換素子は、その適用範囲が画像形成装置に限られないが、画像形成装置に適用される場合であっても、画像形成装置において、液滴吐出ヘッドと異なる部分に、アクチュエータとして備えられていても良い。電気−機械変換素子は、インクジェット技術を利用した3次元造型技術等に応用可能である。 The application range of the electro-mechanical conversion element is not limited to the image forming apparatus. However, even when the electro-mechanical conversion element is applied to the image forming apparatus, the electro-mechanical conversion element is provided as an actuator in a portion different from the droplet discharge head in the image forming apparatus. It may be done. The electro-mechanical conversion element can be applied to a three-dimensional molding technique using an inkjet technique.
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。 The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.
10 電気−機械変換素子
11 基板
12 振動板
16 電気−機械変換膜
21 下部電極
22 上部電極
30 液滴吐出ヘッド
50 画像形成装置
82 液滴吐出装置
95 液体供給部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
この振動板上に直接又は間接的に形成された下部電極と、
この下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、
この電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有し、
前記下部電極は(111)配向を有する層を含み、
前記電気−機械変換膜は(111)を優先配向とするPZTからなり、
前記振動板は表面粗さが5nm以下のポリシリコン層を含む電気−機械変換素子。 A diaphragm formed on a substrate;
A lower electrode formed directly or indirectly on the diaphragm;
An electro-mechanical conversion film formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the electro-mechanical conversion film,
The lower electrode includes a layer having a (111) orientation,
The electro-mechanical conversion film is made of PZT with a preferred orientation of (111),
The diaphragm is an electromechanical conversion element including a polysilicon layer having a surface roughness of 5 nm or less.
前記振動板は、表面粗さが4nm以下であり、前記ポリシリコン層の厚さが0.1μm以上3μm以下であることを特徴とする電気−機械変換素子。 The electro-mechanical transducer according to claim 1,
The diaphragm has a surface roughness of 4 nm or less and a thickness of the polysilicon layer of 0.1 μm to 3 μm.
前記電気−機械変換膜の結晶配向について、
ρ=I(hkl)/ΣI(hkl)
[I(hkl):任意の配向のピーク強度、ΣI(hkl)各ピーク強度の総和]
によって表される、XRDで得られた各配向のピークの総和を1としたときのそれぞれの配向の比率を表す計算方向による平均配向度において、
(111)配向の配向度が0.95以上であり、(110)配向の配向度が0.05以下であることを特徴とする電気−機械変換素子。 The electro-mechanical conversion element according to claim 1 or 2,
Regarding the crystal orientation of the electro-mechanical conversion film,
ρ = I (hkl) / ΣI (hkl)
[I (hkl): peak intensity of arbitrary orientation, ΣI (hkl) sum of each peak intensity]
In the average orientation degree by the calculation direction representing the ratio of the respective orientations when the sum of the peaks of the respective orientations obtained by XRD is 1 represented by
An electro-mechanical transducer having an orientation degree of (111) orientation of 0.95 or more and an orientation degree of (110) orientation of 0.05 or less.
前記電気−機械変換膜の電気特性について、150kV/cmでのP−Eヒステリシスにおいて、2Pr値が35μC/cm2以上であることを特徴とする電気−機械変換素子。 The electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 3,
Regarding the electrical characteristics of the electro-mechanical conversion film, the 2Pr value is 35 μC / cm 2 or more in the PE hysteresis at 150 kV / cm.
前記振動板は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の少なくとも一方を含むことを特徴とする電気−機械変換素子。 The electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 4,
The electro-mechanical conversion element, wherein the diaphragm includes at least one of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
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