JP2014151511A - Method for manufacturing liquid droplet discharge head, liquid discharge head and image formation device - Google Patents

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伝 青山
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智 水上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing at a reduced production cost a liquid droplet discharge head having a curved electromechanical conversion element.SOLUTION: A method for manufacturing a liquid droplet discharge head performs: a vibrating plate formation step of forming a vibrating plate 15 on a substrate 16; an electromechanical conversion element formation step that forms an electromechanical conversion element 14 by forming sequentially respective materials of a lower electrode layer 14b, an electromechanical conversion layer 14a and an upper electrode layer 14c constituting the electromechanical conversion element 14 on the vibrating plate 15 and heating and burning for every formation of each layer; a pressurized-liquid chamber formation step that forms a pressurized-liquid chamber so that the vibrating plate 15 constitutes a part of the pressurized-liquid chamber at a position of the substrate 16 opposing to the electromechanical conversion element 14 across the vibrating plate 15; and a nozzle plate jointing step that joints a nozzle plate 12 having a nozzle 11 formed therein to an end portion opposite to a portion contacting the vibrating plate 15 of a bulkhead partitioning the pressurized-liquid chamber.

Description

本発明は、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドの製造方法、液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a droplet discharge head using a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode, a liquid discharge head, and an image forming apparatus.

一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインクの液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備えるインクジェット記録装置がある。このインクジェット記録装置では、媒体を搬送しながらインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。   Generally, as an image forming apparatus that combines a printer, a fax machine, a copier, a plotter, or a plurality of these functions, for example, there is an ink jet recording apparatus that includes a liquid ejection head that ejects ink droplets. In this inkjet recording apparatus, image formation is performed by adhering ink droplets to a sheet while conveying a medium. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. The image forming apparatus means an apparatus for forming an image by discharging a liquid onto a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics. The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes liquid when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Use.

画像形成装置の一例であるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室と、この加圧液室内を昇圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備えている。そして、アクチュエータ手段を駆動することで加圧液室内を昇圧してノズルからインク滴を吐出させるものであり、記録の必要なときにのみインク滴を吐出するインク・オン・デマンド方式のものが主流である。インク滴を吐出させるためのアクチュエータ手段の種類により、ピエゾ方式、バブル方式、静電方式などの方式に大別される。   A droplet discharge head in an ink jet recording apparatus which is an example of an image forming apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets, a pressurized liquid chamber that communicates with the nozzle, and an actuator unit that generates energy for boosting the pressurized liquid chamber And. The actuator means is driven to boost the pressure in the pressurized liquid chamber and eject ink droplets from the nozzles. Ink-on-demand systems, which eject ink droplets only when recording is required, are the mainstream. It is. Depending on the type of actuator means for ejecting ink droplets, it is roughly classified into methods such as a piezo method, a bubble method, and an electrostatic method.

現在、この中でピエゾ方式を採用した液滴吐出ヘッドが主流となっている。このピエゾ方式のアクチュエータ手段において、電気−機械変換素子の厚み方向に振動するたわみ振動モードの電気−機械変換素子を使用したものが実用化されている。このたわみ振動モードの電気−機械変換素子による液滴吐出ヘッドでは、電気−機械変換素子がたわみ振動することで、振動板を介して加圧液室の内圧を変化させてインク液滴をノズルから吐出する。具体的には、電気−機械変換素子は、下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層を層状に形成されて構成される。電気−機械変換素子の下部電極層と上部電極層との間に印加する駆動電圧の印加がオフである駆動電圧印加オフ時には、電気−機械変換素子の形状は平坦形状である。駆動電圧の印加がオンである駆動電圧印加オン時には、電気−機械変換素子の形状は厚み方向で加圧液室側へ突出するように撓んだ湾曲形状(以下、第1湾曲形状という。)である。上記駆動電圧印加オン時、加圧液室の内圧が振動板を介して昇圧され、加圧液室の一部に設けられたノズルからインク液滴が吐出する。上記駆動電圧印加オン時から駆動電圧印加オフ時になると、電気−機械変換素子の形状は上記第1湾曲形状から平坦形状に戻っていき、加圧液室の内圧は減圧されていく。この場合、空気がノズルから加圧液室内に吸引しない程度に、かつノズルに形成されているミニスカスを存在させる程度に減圧される。そして、インクが、加圧液室に連通する共通液室やインク供給路を介してインクカートリッジ等のインク収容部から加圧液室に供給される。   At present, a droplet discharge head adopting a piezo method is mainly used. As this piezo-type actuator means, one using a flexural vibration mode electro-mechanical transducer that vibrates in the thickness direction of the electro-mechanical transducer has been put into practical use. In the droplet discharge head using the electro-mechanical conversion element in this flexural vibration mode, the electro-mechanical conversion element flexures and vibrates, thereby changing the internal pressure of the pressurized liquid chamber via the vibration plate, thereby causing ink droplets to be discharged from the nozzle. Discharge. Specifically, the electro-mechanical conversion element is configured by forming a lower electrode layer, an electro-mechanical conversion layer, and an upper electrode layer in layers. The shape of the electro-mechanical conversion element is flat when the application of the drive voltage applied between the lower electrode layer and the upper electrode layer of the electro-mechanical conversion element is off. When the drive voltage application is on when the drive voltage application is on, the shape of the electro-mechanical conversion element is a curved shape that is bent so as to protrude toward the pressurized liquid chamber in the thickness direction (hereinafter referred to as a first curved shape). It is. When the driving voltage is applied, the internal pressure of the pressurizing liquid chamber is increased via the diaphragm, and ink droplets are ejected from nozzles provided in a part of the pressurizing liquid chamber. When the driving voltage application is turned on and the driving voltage application is turned off, the shape of the electromechanical conversion element returns from the first curved shape to the flat shape, and the internal pressure of the pressurized liquid chamber is reduced. In this case, the pressure is reduced to such an extent that air is not sucked from the nozzle into the pressurized liquid chamber and a mini-scus formed on the nozzle is present. Then, the ink is supplied to the pressurizing liquid chamber from an ink storage unit such as an ink cartridge via a common liquid chamber communicating with the pressurizing liquid chamber and an ink supply path.

ところで、上記液滴吐出ヘッドを搭載するインクジェット記録装置では連続駆動することがある。この場合、液滴吐出ヘッドにおける上記電気−機械変換素子のたわみ振動が連続的に行われる。この連続駆動が長時間にわたって行われると、電気−機械変換素子は機械的に疲労し、上記駆動電圧印加オフ時の平坦形状を保てなくなり、平坦形状から厚み方向で加圧液室側に突出するように撓んだ湾曲形状(以下、第2湾曲形状という。)になる。駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の上記第1湾曲形状は、電気−機械変換素子を形成する材料や厚みで規定されている。これらのため、上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の厚み方向の変位幅が小さくなるので、加圧液室内の昇圧値や減圧値が狙いの値に比べて減る。このような電気−機械変換素子が搭載された液滴吐出ヘッドでは、上記駆動電圧印加オン時に、狙いの昇圧値に達しないために狙いのインク液滴量が吐出されずに画質が劣化する。そして、上記駆動電圧印加オフ時に、狙いのミニスカスを存在させることができずにインクが垂れて記録材などの媒体を汚すという問題がある。   By the way, an ink jet recording apparatus equipped with the droplet discharge head may be continuously driven. In this case, the flexural vibration of the electromechanical conversion element in the droplet discharge head is continuously performed. If this continuous driving is performed for a long time, the electromechanical conversion element is mechanically fatigued and cannot maintain a flat shape when the driving voltage application is off, and protrudes from the flat shape to the pressurized liquid chamber side in the thickness direction. Thus, the bent shape is bent (hereinafter referred to as the second bent shape). The first curved shape of the electromechanical conversion element when the drive voltage application is on is defined by the material and thickness of the electromechanical conversion element. For these reasons, the displacement width in the thickness direction of the electro-mechanical conversion element when the drive voltage application is on is reduced, so that the pressure increase value and the pressure decrease value in the pressurized liquid chamber are reduced as compared with the target values. In a droplet discharge head equipped with such an electro-mechanical conversion element, when the driving voltage is applied, the target boosted value is not reached, so that the target ink droplet amount is not discharged and the image quality deteriorates. In addition, when the drive voltage application is turned off, there is a problem that the target miniscus cannot be present and the ink drips and soils a medium such as a recording material.

液滴吐出ヘッドとして、特許文献1に記載のものが知られている。この特許文献1の液滴吐出ヘッドでは、上記駆動電圧印加オフ時の電気−機械変換素子の形状が、厚み方向で加圧液室側に突出するように撓んだ湾曲形状(以下、第3湾曲形状という。)に予め形成されている。この第3湾曲形状は、上記第2湾曲形状と略同じ湾曲形状である。上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の形状は、上記第3湾曲形状から上記第1湾曲形状に撓む。上記駆動電圧印加オフ時における電気−機械変換素子の形状は、上記第1湾曲形状から上記第3湾曲形状に戻る。インク液滴吐出動作及びインク供給動作が繰り返し行われる時、電気−機械変換素子の形状は上記第3湾曲形状から上記第1湾曲形状に撓んだり、上記第1湾曲形状から上記第3湾曲形状に戻ったりを繰り返す。   As a droplet discharge head, one described in Patent Document 1 is known. In the droplet discharge head of Patent Document 1, the shape of the electro-mechanical conversion element when the driving voltage application is turned off is a curved shape that is bent so as to protrude toward the pressurized liquid chamber in the thickness direction (hereinafter referred to as a third type). It is formed in advance in a curved shape.) The third curved shape is substantially the same curved shape as the second curved shape. The shape of the electromechanical conversion element when the drive voltage application is on is bent from the third curved shape to the first curved shape. The shape of the electromechanical conversion element when the drive voltage application is off returns from the first curved shape to the third curved shape. When the ink droplet ejection operation and the ink supply operation are repeatedly performed, the shape of the electromechanical conversion element is bent from the third curved shape to the first curved shape, or from the first curved shape to the third curved shape. Repeat or return to.

上記特許文献1の液滴吐出ヘッドにおいて、連続駆動が長時間にわたって行われても、上記駆動電圧印加オフ時における電気−機械変換素子の形状が、予め撓んでいる上記第3湾曲形状から更に撓むことは少ない。この結果、上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変化素子の厚み方向の変位幅の減少が抑制でき、加圧液室内の昇圧値及び減圧値は略狙いの値になる。
しかしながら、上記特許文献1の液滴吐出ヘッドを製造する工程では、電気−機械変換素子を湾曲形状に形成する工法に、プレス工法を用いている。このプレス工法によって電気−機械変換素子に圧力を加えて狙いの上記第3湾曲形状に形成しようとしても、電気−機械変換素子の本来持っている弾性力の影響で、電気−機械変換素子の形状は狙いの上記第3湾曲形状にならない虞がある。これでは、狙いの加圧液室内の昇圧値及び減圧値にすることは難しい。狙いの上記第3湾曲形状にするために長時間プレスし続けることが考えられるが、生産コスト高につながるという問題点が生じる。
In the droplet discharge head of Patent Document 1, even when continuous driving is performed for a long time, the shape of the electro-mechanical conversion element when the driving voltage application is off is further bent from the previously bent third curved shape. There is little to do. As a result, it is possible to suppress a decrease in the displacement width in the thickness direction of the electromechanical change element when the drive voltage application is on, and the pressure increase value and the pressure decrease value in the pressurizing liquid chamber become substantially target values.
However, in the process of manufacturing the droplet discharge head of Patent Document 1, a press method is used as a method for forming the electromechanical conversion element in a curved shape. Even if an attempt is made to apply the pressure to the electromechanical conversion element by this press method to form the target third curved shape, the shape of the electromechanical conversion element is affected by the elastic force inherent in the electromechanical conversion element. May not be the intended third curved shape. In this case, it is difficult to obtain the pressure increase value and the pressure reduction value in the target pressurized liquid chamber. Although it is conceivable to continue pressing for a long time in order to obtain the target third curved shape, there arises a problem that the production cost increases.

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、以下のとおりである。生産コストを抑えて湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる液滴吐出ヘッドの製造方法、該製造方法によって製造される液体吐出ヘッド及び該液滴吐出ヘッドを搭載する画像形成装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and the objects thereof are as follows. Droplet discharge head manufacturing method capable of manufacturing a droplet discharge head having a curved electro-mechanical conversion element while suppressing production costs, a liquid discharge head manufactured by the manufacturing method, and an image on which the droplet discharge head is mounted A forming apparatus is provided.

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子を用い、ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、基板上に振動板を形成する振動板形成工程と、前記電気−機械変換素子を構成する下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層の各材料を前記振動板上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、前記電気−機械変換素子を形成する電気−機械変換素子形成工程と、前記振動板を挟んで前記電気−機械変換素子と対向する前記基板の位置に、前記振動板が前記加圧液室の一部を構成するよう、前記加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、前記加圧液室を区画する隔壁の前記振動板と当接する側と反対側の端部に、前記ノズルが形成されたノズル板を接合するノズル板接合工程とを有することを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets from a nozzle using a curved electro-mechanical conversion element bent so as to protrude into a pressurized liquid chamber. In the manufacturing method, a diaphragm forming step of forming a diaphragm on a substrate, and each material of a lower electrode layer, an electro-mechanical conversion layer, and an upper electrode layer constituting the electro-mechanical conversion element are sequentially formed on the diaphragm. And forming the electro-mechanical conversion element by heating each time the layers are formed, and facing the electro-mechanical conversion element across the diaphragm A pressurizing liquid chamber forming step for forming the pressurizing liquid chamber so that the vibration plate forms a part of the pressurizing liquid chamber at the position of the substrate; and the partition walls defining the pressurizing liquid chamber. The nozzle is formed at the end opposite to the side in contact with the diaphragm. And it is characterized in that it has a nozzle plate bonding step of bonding the nozzle plate.

本発明において、電気−機械変換素子形成工程では、電気−機械変換素子の下部電極層が振動板上に形成される。このとき、下部電極層の材料は振動板の表面形状にならって撓みがない状態になっている。その後、加熱によって下部電極層の材料の液体成分を無くす焼成が行われると、下部電極層と振動板との密着性を徐々に増しながら下部電極層は収縮していき、焼成終了時の下部電極層には収縮しようとする収縮力が生じる。このとき、下部電極層の振動板との界面側と反対の面は開放端であるので撓んでいる。一方、下部電極層の振動板との界面側の付近にも収縮力が伝わっており、下部電極層の振動板との界面付近では下部電極層の収縮力に対して相反する応力が発生して互いにバランスがとれた状態になっている。つまり、下部電極層の振動板との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分に向かう方向の応力が発生し、振動板の下部電極層との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が発生している。下部電極層の上に電気−機械変換層を形成し、該電気−機械変換層の上に上部電極層を形成する。これらの各層の形成において上記下部電極層の形成と同様なメカニズムが生じる。このため、振動板の下部電極層との界面側には、各層の形成毎に生じた加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が累積して発生している。振動板の下部電極層との界面側での伸びようとする応力は、下部電極層との界面側に反対の振動板の面にも伝わっており、振動板が形成されている基板からの応力でバランスがとれた状態になっている。そして、振動板において加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力は、加圧液室形成工程で基板に加圧液室が形成されて加圧液室の一部を構成する振動板があらわれた際に、開放される。このとき、振動板の下部電極層との界面付近では下部電極層からの収縮力を受けて縮んでいる。また、加圧液室を区画する隔壁によって加圧液室の一部を構成する以外の振動板の変形が規制されている。これらにより、振動板は、縮もうとしている振動板の下部電極層との界面付近に対して反対側であってかつ開放された加圧液室側に突出するように湾曲形状に撓み易い。電気−機械変換素子の湾曲形状の撓み量は、電気−機械変換素子の撓みによる圧力を受けた振動板の撓みによって定まる。振動板の剛性は電気−機械変換素子の剛性より高いので、電気−機械変換素子の撓みによる圧力が振動板の撓みに及ぼす影響は少ない。振動板は単体であるので、例えば振動板の材料や厚さを規定すれば、振動板の湾曲形状の撓み量は定まる。このため、振動板形成工程で、振動板の撓む量が狙いの撓み量になるよう、振動板の材料や厚さを狙いのものに規定して形成しておけば、電気−機械変換素子の加圧液室側に突出するように振動板を介して撓んだ湾曲形状の撓み量は、狙いの撓み量に定まる。これにより、従来のようなプレス工程を用いた場合の製造時間より短い製造時間で製造して、生産コストを抑えて狙いの撓み量の湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる、という特有な効果が得られる。   In the present invention, in the electromechanical conversion element forming step, the lower electrode layer of the electromechanical conversion element is formed on the diaphragm. At this time, the material of the lower electrode layer is in a state where there is no deflection following the surface shape of the diaphragm. After that, when firing is performed to remove the liquid component of the material of the lower electrode layer by heating, the lower electrode layer shrinks while gradually increasing the adhesion between the lower electrode layer and the diaphragm, and the lower electrode at the end of firing The layer has a contraction force that tends to contract. At this time, the surface of the lower electrode layer opposite to the interface with the diaphragm is an open end and is bent. On the other hand, the contraction force is also transmitted to the vicinity of the interface between the lower electrode layer and the diaphragm, and a stress opposite to the contraction force of the lower electrode layer is generated near the interface with the diaphragm of the lower electrode layer. They are in a balanced state. That is, a stress in a direction toward the central portion in the short direction of the pressurized liquid chamber is generated on the interface side of the lower electrode layer with the diaphragm, and the pressurized liquid chamber is formed on the interface side of the diaphragm with the lower electrode layer. The stress which is going to extend in the direction away from the center part of the transversal direction of has occurred. An electro-mechanical conversion layer is formed on the lower electrode layer, and an upper electrode layer is formed on the electro-mechanical conversion layer. In the formation of these layers, the same mechanism as in the formation of the lower electrode layer occurs. For this reason, on the interface side of the diaphragm with the lower electrode layer, there is a cumulative amount of stress that tends to extend in the direction away from the central portion in the short direction of the pressurized liquid chamber that occurs during the formation of each layer. Yes. The stress to be extended on the interface side with the lower electrode layer of the diaphragm is also transmitted to the surface of the opposite diaphragm on the interface side with the lower electrode layer, and the stress from the substrate on which the diaphragm is formed Is in a balanced state. The stress that tends to extend away from the central portion of the pressurizing fluid chamber in the lateral direction of the pressurizing fluid chamber is caused by the formation of the pressurizing fluid chamber on the substrate in the pressurizing fluid chamber forming step. When the diaphragm constituting the part appears, it is opened. At this time, in the vicinity of the interface between the diaphragm and the lower electrode layer, the diaphragm contracts due to the contraction force from the lower electrode layer. Further, deformation of the diaphragm other than that constituting a part of the pressurizing fluid chamber is regulated by the partition wall that partitions the pressurizing fluid chamber. Accordingly, the diaphragm is easily bent into a curved shape so as to protrude toward the open pressurized liquid chamber side on the opposite side to the vicinity of the interface with the lower electrode layer of the diaphragm to be contracted. The bending amount of the curved shape of the electro-mechanical conversion element is determined by the bending of the diaphragm that receives pressure due to the bending of the electro-mechanical conversion element. Since the rigidity of the diaphragm is higher than the rigidity of the electromechanical conversion element, the pressure due to the bending of the electromechanical conversion element has little influence on the bending of the diaphragm. Since the diaphragm is a single body, for example, if the material and thickness of the diaphragm are defined, the bending amount of the curved shape of the diaphragm is determined. For this reason, in the diaphragm forming process, if the material and thickness of the diaphragm are specified to be the desired one so that the diaphragm is deflected, the electro-mechanical conversion element The amount of bending of the curved shape bent through the diaphragm so as to protrude toward the pressurized liquid chamber is determined to be the target amount of bending. As a result, a droplet discharge head that is manufactured in a manufacturing time shorter than the manufacturing time in the case of using a conventional press process, and that includes a curved electro-mechanical conversion element with a target deflection amount while suppressing the production cost. A unique effect that it can be manufactured is obtained.

本実施形態のインクジェット記録装置の構成を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a configuration of an ink jet recording apparatus according to an embodiment. 本実施形態のインクジェット記録装置の機構部の側面図である。It is a side view of the mechanism part of the inkjet recording device of this embodiment. (a)製造時の液滴吐出ヘッドの断面図であり、(b)本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図である。(A) It is sectional drawing of the droplet discharge head at the time of manufacture, (b) It is sectional drawing of the droplet discharge head of this embodiment. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing process of the droplet discharge head of this embodiment. 曲率半径を説明する図である。It is a figure explaining a curvature radius. 本実施形態の液滴吐出ヘッドを複数個配置したものを示す断面図である。It is sectional drawing which shows what has arrange | positioned the several droplet discharge head of this embodiment.

はじめに、本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例である液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成について図面を参照して説明する。図1は本実施形態のインクジェット記録装置の構成を示す斜視図、図2は本実施形態のインクジェット記録装置の機構部の側面図である。   First, the configuration of an ink jet recording apparatus equipped with a droplet discharge head which is an example of a droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an ink jet recording apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a side view of a mechanism portion of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment.

図1及び図2に示す本実施形態のインクジェット記録装置100は、装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ101を備えている。そして、そのキャリッジ101に搭載した本実施形態の液滴吐出ヘッド1及び液滴吐出ヘッド1に対してインクを供給するインクカートリッジ102等で構成される印字機構部103等を収納する。そして、装置本体の下方部には、前方側から多数枚の記録紙Pを積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい)104を抜き差し自在に装着されている。また、記録紙Pを手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ105を有する。給紙カセット104あるいは手差しトレイ105から給送される記録紙Pを取り込み、印字機構部103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106に排紙する。   The ink jet recording apparatus 100 of this embodiment shown in FIGS. 1 and 2 includes a carriage 101 that can move in the main scanning direction inside the apparatus main body. And the printing mechanism part 103 etc. which are comprised by the ink cartridge 102 etc. which supply the ink with respect to the droplet discharge head 1 of this embodiment and the droplet discharge head 1 mounted in the carriage 101 are accommodated. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 104 on which a large number of recording sheets P can be stacked from the front side is detachably attached to the lower part of the apparatus main body. In addition, it has a manual feed tray 105 that is opened to manually feed the recording paper P. The recording paper P fed from the paper feed cassette 104 or the manual feed tray 105 is taken in, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 103, the paper is discharged onto a paper discharge tray 106 mounted on the rear side.

印字機構部103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107と従ガイドロッド108とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ101にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッド1を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と直交する副走査方向に配列する。そして、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ101には液滴吐出ヘッド1に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ102を交換可能に装着している。   The printing mechanism 103 holds the carriage 101 slidably in the main scanning direction with a main guide rod 107 and a sub guide rod 108 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The carriage 101 has a droplet discharge head 1 for discharging ink droplets of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk), and a plurality of ink discharge ports (nozzles) in the main scanning direction. Are arranged in the sub-scanning direction orthogonal to. The ink droplet is ejected in the downward direction. In addition, each ink cartridge 102 for supplying ink of each color to the droplet discharge head 1 is replaceably mounted on the carriage 101.

インクカートリッジ102は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド1へインクを供給する供給口が設けられている。内部にはインクが充填された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1へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、各色毎に液滴吐出ヘッド1を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個の液滴吐出ヘッドでもよい。   The ink cartridge 102 is provided with an atmosphere port communicating with the atmosphere above, and a supply port for supplying ink to the droplet discharge head 1 below. A porous body filled with ink is contained inside, and the ink supplied to the droplet discharge head 1 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the droplet discharge head 1 is used for each color, a single droplet discharge head having nozzles for discharging ink droplets of each color may be used.

ここで、キャリッジ101は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド107に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド108に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ109aで回転駆動される駆動プーリ110と従動プーリ111との間にタイミングベルト112を張装している。このタイミングベルト112をキャリッジ101に固定し、主走査モータ109aの正逆回転によりキャリッジ101が往復に走査される。   Here, the carriage 101 is slidably fitted to the main guide rod 107 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the secondary guide rod 108 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 101 in the main scanning direction, a timing belt 112 is stretched between a driving pulley 110 and a driven pulley 111 that are rotationally driven by a main scanning motor 109a. The timing belt 112 is fixed to the carriage 101, and the carriage 101 is reciprocally scanned by forward and reverse rotation of the main scanning motor 109a.

一方、給紙カセット104にセットした記録紙Pを液滴吐出ヘッド1の下方側に搬送するために、給紙ローラ113、フリクションパッド114、ガイド部材115、搬送ローラ116、搬送コロ117、搬送ローラ116及び先端コロ118を有している。給紙ローラ113及びフリクションパッド114は、給紙カセット104から記録紙Pを分離給装する。ガイド部材115は記録紙Pを案内するガイド部材である。搬送ローラ116は、給紙された記録紙Pを反転させて搬送する搬送ローラである。先端コロ118は、搬送ローラ116の周面に押し付けられる搬送コロ117及び搬送ローラ116からの記録紙Pの送り出し角度を規定するコロである。搬送ローラ116は副走査モータ109bによってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to transport the recording paper P set in the paper feed cassette 104 to the lower side of the droplet discharge head 1, a paper feed roller 113, a friction pad 114, a guide member 115, a transport roller 116, a transport roller 117, a transport roller 116 and a tip roller 118. The paper feed roller 113 and the friction pad 114 separate and feed the recording paper P from the paper feed cassette 104. The guide member 115 is a guide member that guides the recording paper P. The conveyance roller 116 is a conveyance roller that reverses and conveys the fed recording paper P. The leading end roller 118 is a roller that regulates the conveying roller 117 pressed against the circumferential surface of the conveying roller 116 and the feeding angle of the recording paper P from the conveying roller 116. The conveyance roller 116 is rotationally driven via a gear train by the sub-scanning motor 109b.

そして、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ116から送り出された記録紙Pを液滴吐出ヘッド1の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材119を設けている。この印写受け部材119の用紙搬送方向下流側には、記録紙Pを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ120と拍車121を設けている。さらに、記録紙Pを排紙トレイ106に送り出す排紙ローラ123と拍車124と、排紙経路を形成するガイド部材125、126とを配設している。   In addition, a printing receiving member 119 that is a paper guide member is provided to guide the recording paper P fed from the transport roller 116 below the droplet discharge head 1 in accordance with the moving range of the carriage 101 in the main scanning direction. ing. A conveyance roller 120 and a spur 121 that are rotationally driven to send the recording paper P in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 119 in the paper conveyance direction. Further, a discharge roller 123 and a spur 124 for feeding the recording paper P to the discharge tray 106, and guide members 125 and 126 for forming a discharge path are provided.

このインクジェット記録装置100で記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド1を駆動することにより、停止している記録紙Pにインクを吐出して1行分を記録し、その後、記録紙P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記録紙P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記録紙Pを排紙する。   When recording with the inkjet recording apparatus 100, the droplet discharge head 1 is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 101, thereby discharging ink onto the stopped recording paper P to record one line. Thereafter, after the recording paper P is conveyed by a predetermined amount, the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the recording paper P reaches the recording area, the recording operation is terminated and the recording paper P is discharged.

また、キャリッジ101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1の吐出不良を回復するための回復装置127を配置している。回復装置127はそれぞれ図示していない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101は印字待機中にはこの回復装置127側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド1をキャッピングして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 127 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head 1 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 101. Each of the recovery devices 127 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit (not shown). During printing standby, the carriage 101 is moved to the recovery device 127 side, and the droplet discharge head 1 is capped by the capping unit to keep the discharge port portion in a wet state, thereby preventing discharge failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

更に、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1の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。吐出口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、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)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。   Further, when a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the droplet discharge head 1 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port through the tube with a suction unit. Ink, dust, etc. adhering to the ejection port surface are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、このインクジェット記録装置100においては後述する本発明の液滴吐出ヘッドを搭載している。このため、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、変位の変動も抑制されているため、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質が向上する。   As described above, the ink jet recording apparatus 100 is equipped with a droplet discharge head of the present invention described later. For this reason, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and fluctuations in displacement are suppressed, so that stable ink droplet ejection characteristics can be obtained and image quality is improved.

図3は本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図である。図3(a)は製造時の液滴吐出ヘッドの断面図であり、図3(b)は連続駆動後の液滴吐出ヘッドの断面図である。図3に示す本実施形態の液滴吐出ヘッドの液滴吐出ヘッド10は、インク液室13と圧力発生手段とを備えている。インク液室13は、ノズル板12に設けられたインク滴を吐出するノズル11が連通する加圧液室である。圧力発生手段は、インク液室13のインクを吐出するためのアクチュエータである。インク液室13は、吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。圧力発生手段としては、ピエゾ型、サーマル型(バブル型)等がある。その中で、ピエゾ型は、圧電素子などの電気−機械変換素子(例えば、三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT))14を用いてインク液室の壁面を形成している振動板15を変形させることでインク滴を吐出させる。このピエゾ型のものには、d33方向の変形を利用した縦振動(プッシュモード)型、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the droplet discharge head of this embodiment. 3A is a cross-sectional view of the droplet discharge head at the time of manufacture, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the droplet discharge head after continuous driving. The droplet discharge head 10 of the droplet discharge head of this embodiment shown in FIG. 3 includes an ink liquid chamber 13 and a pressure generating means. The ink liquid chamber 13 is a pressurized liquid chamber that communicates with the nozzle 11 that discharges ink droplets provided on the nozzle plate 12. The pressure generating means is an actuator for discharging ink in the ink liquid chamber 13. The ink liquid chamber 13 is also referred to as a discharge chamber, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, an ink flow path, and the like. Examples of the pressure generating means include a piezo type and a thermal type (bubble type). Among them, the piezoelectric type uses an electro-mechanical conversion element such as a piezoelectric element (for example, lead zirconate titanate (PZT), which is a ternary metal oxide) 14 to form the wall surface of the ink liquid chamber. Ink droplets are ejected by deforming the vibrating plate 15. This piezo type includes a longitudinal vibration (push mode) type utilizing deformation in the d33 direction, a transverse vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction, and a shear mode type utilizing shear deformation. is there.

最近では半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical System)の進歩により、Si基板に直接にインク液室13及び電気−機械変換素子14を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。しかし、このような電気−機械変換素子14を繰り返し使用すると、電気−機械変換素子14が機械的に疲労し、図3(a)に示す製造時の薄膜アクチュエータの平坦形状を保てなくなる。そして、図3(b)に示すように、製造時の薄膜アクチュエータの平坦形状(図中の一点鎖線A)と比べて電気−機械変換素子14がインク液室13側に撓んでしまい、その結果電気−機械変換素子14の変位量が低下してしまう。このような電気−機械変換素子が搭載されたインクジェット記録装置では、吐出滴体積、吐出滴速度などの吐出滴特性が安定しないという問題が生じてしまう。この問題はインクと吐出するインクジェット記録装置だけでなく、インク以外の液体を吐出する他の液体吐出装置においても同様に存在する。本発明はこのような課題に対し、電気−機械変換素子をインク液室13側に突出したように湾曲形状に撓ませることで変位量の変化を今まで以上に抑制することにある。   Recently, a thin film actuator in which the ink liquid chamber 13 and the electro-mechanical conversion element 14 are directly formed on a Si substrate has been devised due to advances in semiconductor processes and MEMS (Micro Electro Mechanical System). However, when such an electro-mechanical conversion element 14 is repeatedly used, the electro-mechanical conversion element 14 is mechanically fatigued, and the flat shape of the thin film actuator during manufacture shown in FIG. 3A cannot be maintained. Then, as shown in FIG. 3B, the electro-mechanical conversion element 14 is bent toward the ink chamber 13 as compared with the flat shape of the thin film actuator at the time of manufacture (the one-dot chain line A in the figure). The amount of displacement of the electromechanical conversion element 14 is reduced. In an ink jet recording apparatus equipped with such an electro-mechanical conversion element, there arises a problem that ejection droplet characteristics such as ejection droplet volume and ejection droplet velocity are not stable. This problem exists not only in ink jet recording apparatuses that eject ink but also in other liquid ejection apparatuses that eject liquids other than ink. The present invention is intended to suppress the change in the amount of displacement more than ever by deflecting the electro-mechanical conversion element into a curved shape so as to protrude to the ink liquid chamber 13 side.

インク液室13を形成する基板16の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600[μm]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主に使用した。また、インク液室13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り、例えば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°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができる。このため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっており本構成としては(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SiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この点も留意して利用している。 As a material of the substrate 16 forming the ink liquid chamber 13, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 to 600 [μm]. There are three types of plane orientations, (100), (110), and (111), but (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. A single crystal substrate having a plane orientation of 100) was mainly used. When the ink liquid chamber 13 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. In this case, anisotropic etching is generally used as an etching method. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate is different with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH (compared to the (100) plane ( 111) plane has an etching rate of about 1/400. Accordingly, a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), whereas a deep groove can be dug in the plane orientation (110). For this reason, it has been found that the arrangement density can be increased while maintaining rigidity, and it is also possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation as this configuration. However, in this case, SiO 2 that is a mask material is also etched, and this point is also used with attention.

振動板15は電気−機械変換膜14aによって発生した力を受け、変形してインク液室13のインクをノズル11から吐出させるため、振動板15としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO、Siを化学蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition method)により作製したものが挙げられる。さらに、図3に示す下部電極層14b、電気−機械変換膜14aの線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜14aとしては、一般的に材料としてPZTが使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには、7×10−6〜9×10−6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。 The vibration plate 15 receives a force generated by the electro-mechanical conversion film 14a, deforms and discharges the ink in the ink liquid chamber 13 from the nozzle 11, so that the vibration plate 15 has a predetermined strength. preferable. Examples of the material include Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 produced by chemical vapor deposition (CVD). Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the lower electrode layer 14b and the electromechanical conversion film 14a shown in FIG. In particular, as the electromechanical conversion film 14a, since PZT is generally used as a material, the linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K) is 5 × 10 −6 to 10 × 10. A material having a linear expansion coefficient of × 10 −6 is preferable. Furthermore, a material having a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 is more preferable.

また、振動板は引張応力あるいは圧縮応力を持つ複数の膜を減圧化学蒸着法(LPCVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition method)により積層されていることが望ましい。その理由は、単層膜の場合SOIウェハが挙げられるが、その場合ウェハコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとした時に任意の膜応力に設定できない。一方、積層構造の振動板の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板の剛性と膜応力を所望の値に設定する自由度を得ることができるため、振動板全体の剛性と、応力の制御を積層化と膜厚、及び積層構成の組み合わせで実現できる。これにより、電気−機械変換素子(電極層、強誘電体層)の材料、膜厚に適時対応できる。そして、電気−機械変換膜の焼成温度による振動板の剛性、応力の変動が少なく安定した振動板が得られることから、液滴吐出特性を高精度にでき、かつ安定した液滴吐出ヘッドを実現できる。   The diaphragm is preferably formed by laminating a plurality of films having tensile stress or compressive stress by a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD). The reason for this is an SOI wafer in the case of a single layer film, but in that case the wafer cost is very high, and it is not possible to set an arbitrary film stress when trying to make the bending rigidity uniform. On the other hand, in the case of a diaphragm having a laminated structure, by optimizing the laminated structure, it is possible to obtain a degree of freedom to set the rigidity and film stress of the diaphragm to a desired value. Stress control can be realized by a combination of lamination, film thickness, and lamination configuration. Thereby, it can respond to the material and film thickness of an electromechanical conversion element (an electrode layer, a ferroelectric layer) in a timely manner. In addition, since a stable diaphragm with less fluctuation in rigidity and stress due to the firing temperature of the electro-mechanical conversion film can be obtained, droplet ejection characteristics can be made highly accurate and a stable droplet ejection head can be realized. it can.

下部電極層14bは、金属材料、密着層、導電性酸化物層から形成されており、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。しかし、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り、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。白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。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り、膜厚としては、0.05〜1[μm]が好ましく、0.1〜0.5[μm]がさらに好ましい。また、このとき、電気−機械変換膜として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、電極材料としては、(111)配向性が高いPtを選択することが好ましい。また、電気−機械変換膜14aの変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、下部電極層14bと電気−機械変換膜14aとの間にルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を電極部として積層することが好ましい。上部電極層14cも下部電極層14bと同様に白金などの金属材料を用い、白金と電気−機械変換膜14aとの間にルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を積層させて構成される。 The lower electrode layer 14b is formed of a metal material, an adhesion layer, and a conductive oxide layer, and platinum having high heat resistance and low reactivity has been conventionally used as the metal material. However, it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead, and examples include platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and alloy films thereof. In the case of using platinum, it is preferable that Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5, etc. are laminated first because of poor adhesion to the base (particularly SiO 2 ). As a production method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used, and the film thickness is preferably 0.05 to 1 [μm], more preferably 0.1 to 0.5 [μm]. . At this time, when PZT is selected as the electro-mechanical conversion film, the crystallinity thereof preferably has (111) orientation. Therefore, it is preferable to select Pt having a high (111) orientation as the electrode material. Further, in consideration of the fatigue characteristics over time of the displacement of the electro-mechanical conversion film 14a, a conductive oxide such as strontium ruthenate is laminated as an electrode part between the lower electrode layer 14b and the electro-mechanical conversion film 14a. It is preferable. Similarly to the lower electrode layer 14b, the upper electrode layer 14c is formed by using a metal material such as platinum and laminating a conductive oxide such as strontium ruthenate between the platinum and the electro-mechanical conversion film 14a.

電気−機械変換膜14aの具体的な材料としては、以下のとおりである。酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等である。これらをスパッタ法もしくは、Sol−Gel法を用いてスピンコータにて作製することができる。膜厚としては0.1〜10[μm]が好ましく、0.5〜3[μm]がさらに好ましい。この範囲より小さいと図2に示すようなインク液室13の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板15が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。本発明では電気−機械変換膜14aとしてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO)とチタン酸(PbTiO)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PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53Ti0.47)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る。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。 Specific materials for the electro-mechanical conversion film 14a are as follows. Examples thereof include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. These can be produced by a spin coater using a sputtering method or a Sol-Gel method. The film thickness is preferably from 0.1 to 10 [μm], more preferably from 0.5 to 3 [μm]. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the ink liquid chamber 13 as shown in FIG. 2, and if it is larger than this range, the vibration plate 15 is difficult to deform and displace, and ink droplet ejection becomes unstable. In the present invention, lead zirconate titanate (PZT) is mainly used as the electromechanical conversion film 14a. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. When expressed by the chemical formula, it is indicated as Pb (Zr0.53Ti0.47) O 3 and general PZT (53/47). It is. Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is possible to prepare a barium titanate precursor solution by using barium alkoxide and a titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in a common solvent.

これら材料は一般式ABO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,Bax)(Zr,Ti)O3、(Pb)(Zrx,Tiy,Nb1-x-y)O3、これはAサイトのPbを一部Baで置換した場合及びBサイトのZr、Tiを一部Nbで置換した場合である。このような置換はPZTの変位特性の応用に向けた材料改質で行なわれる。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にて作製することができる。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。 These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. The specific description is (Pb1-x, Bax) (Zr, Ti) O 3 , (Pb) (Zrx, Tiy, Nb1-xy) O 3 , which is obtained by partially replacing Pb at the A site with Ba. And Zr and Ti in the B site are partially substituted with Nb. Such replacement is performed by material modification for application of displacement characteristics of PZT. As a manufacturing method, it can be manufactured 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.

上記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前駆体溶液が作製できる。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、前駆体溶液に安定化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を適量添加しても良い。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100[nm]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。電気−機械変換膜の膜厚としては0.5〜5[μm]が好ましく、さらに好ましくは1〜2[μm]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できなくなり、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。   When the above PZT is produced by the Sol-Gel method, a PZT precursor solution is produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. it can. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added to the precursor solution as a stabilizer. 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. Become. The thickness of the electromechanical conversion film is preferably 0.5 to 5 [μm], more preferably 1 to 2 [μm]. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate a sufficient displacement, and if it is larger than this range, many layers will be laminated, resulting in an increase in the number of steps and a longer process time.

<実施例1>
図4は製造工程を示す工程断面図である。図4(a)に示すように、基板16のシリコンウエハにSiO(膜厚;600[nm])、Si(膜厚;250[nm])、SiO(膜厚;600[nm])を積層する。更に、Si(膜厚;200[nm])、SiO(膜厚;500[nm])を積層し、積層膜の振動板15を形成する。この積層膜の振動板15に、チタン膜(膜厚50nm)、引続き下部電極層14bとして、白金膜(膜厚;250[nm])、SrRuO膜(膜厚;50[nm])を順次スパッタ成膜した。チタン膜については、SiOと白金膜の間の密着層としての役割を持つ。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。上がった加熱温度が下がったときに、下部電極層14bは収縮しようとする収縮力が発生する。そして、振動板15と下部電極層14bの熱膨張係数が異なるため、下部電極層14bの収縮力に対して振動板15の下部電極層14bとの界面付近には、短手方向の中央部分から遠ざかろうとする引張応力が発生する。次に、電気−機械変換膜14aとしてPb:Zr:Ti=150:53:47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。
<Example 1>
FIG. 4 is a process sectional view showing the manufacturing process. As shown in FIG. 4A, the silicon wafer of the substrate 16 is made of SiO 2 (film thickness: 600 [nm]), Si 3 N 4 (film thickness: 250 [nm]), SiO 2 (film thickness: 600 [nm]). nm]). Further, Si (film thickness: 200 [nm]) and SiO 2 (film thickness: 500 [nm]) are laminated to form a diaphragm 15 of a laminated film. A titanium film (film thickness: 50 nm) is formed on the laminated film diaphragm 15, and a platinum film (film thickness: 250 [nm]) and an SrRuO 3 film (film thickness: 50 [nm]) are successively formed as the lower electrode layer 14b. Sputter deposition was performed. The titanium film serves as an adhesion layer between SiO 2 and the platinum film. Film formation was performed at a substrate heating temperature of 550 [° C.] during the sputtering film formation. When the raised heating temperature decreases, the lower electrode layer 14b generates a contraction force that tends to contract. Further, since the thermal expansion coefficients of the diaphragm 15 and the lower electrode layer 14b are different, the vicinity of the interface between the diaphragm 15 and the lower electrode layer 14b with respect to the contraction force of the lower electrode layer 14b starts from the central portion in the short direction. A tensile stress is generated to move away. Next, a solution prepared with a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 150: 53: 47 was prepared as the electro-mechanical conversion film 14a. For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.

そして、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、先記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/l]にした。この液を用いて、図4(b)に示すように、スピンコートにより成膜し、成膜後120[℃]で乾燥して500[℃]で熱分解を行った。3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度750℃)を急速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)にて行った。このとき、PZTの膜厚は240[nm]であった。この工程を計6回(18層)実施し、約1.6[μm]のPZTの膜厚を得た。上がった熱処理の温度が下がったときに、電気−機械変換層14aは収縮しようとする収縮力が発生する。そして、この収縮力に対抗して下部電極層14bの電気−機械変換膜14aとの界面付近では短手方向の中央部分から遠ざかろうとする引張応力が発生する。実際には、この引張応力と上記収縮力との差の力が下部電極層の内部で生じる。次に、図4(c)に示すように、上部電極層としてSrRuO膜(膜厚;40[nm])、白金膜(膜厚;125[nm])を順次スパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板温度については300[℃]にて成膜を実施した。SrRuO膜については急速熱処理にて酸素雰囲気中で550[℃/300s]のポストアニール処理をした。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する。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、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置(サムコ製)を用いてパターンを作製した。上がった加熱温度が下がったときに、電気−機械変換素子14には収縮しようとする累積の収縮力(図中矢印A)が発生する。そして、電気−機械変換素子14の収縮力に対して振動板15の下部電極層14bとの界面付近には、短手方向の中央部分から遠ざかろうとする累積の引張応力(図中矢印B)が発生する。 Then, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium are dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction are advanced, and the PZT precursor solution is synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate is dissolved. did. The PZT concentration was 0.5 [mol / l]. Using this solution, as shown in FIG. 4B, a film was formed by spin coating, dried at 120 [° C.] after the film formation, and pyrolyzed at 500 [° C.]. After thermal decomposition treatment of the third layer, crystallization heat treatment (temperature: 750 ° C.) was performed by rapid heat treatment (RTA: Rapid Thermal Annealing). At this time, the film thickness of PZT was 240 [nm]. This process was performed a total of 6 times (18 layers) to obtain a PZT film thickness of about 1.6 [μm]. When the temperature of the raised heat treatment decreases, the electro-mechanical conversion layer 14a generates a contraction force that tends to contract. Then, in opposition to the contraction force, tensile stress is generated in the vicinity of the interface between the lower electrode layer 14b and the electro-mechanical conversion film 14a so as to move away from the central portion in the short direction. Actually, a difference between the tensile stress and the contraction force is generated inside the lower electrode layer. Next, as shown in FIG. 4C, an SrRuO 3 film (film thickness: 40 [nm]) and a platinum film (film thickness: 125 [nm]) were sequentially formed as an upper electrode layer by sputtering. Film formation was performed at a substrate temperature of 300 [° C.] during sputtering film formation. The SrRuO 3 film was subjected to post-annealing treatment at 550 [° C./300 s] in an oxygen atmosphere by rapid thermal processing. Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. is formed by spin coating. After a resist pattern was formed by ordinary photolithography, a pattern was prepared using an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus (manufactured by Samco). When the raised heating temperature decreases, the electro-mechanical conversion element 14 generates a cumulative contraction force (arrow A in the figure) that tends to contract. Then, a cumulative tensile stress (arrow B in the figure) tends to move away from the central portion in the short direction near the interface with the lower electrode layer 14b of the diaphragm 15 with respect to the contraction force of the electromechanical conversion element 14. Occur.

次に、図4(d)に示すように、後工程のインク液室を形成するために、アルカリ溶液(KOH溶液、あるいはTMHA溶液)で異方性ウェットエッチングを行い、短手方向の幅が60[μm]となるインク液室13を形成する。そして、電気−機械変換素子及びそれにより構成される液滴吐出ヘッドを作製した。電気−機械変換膜14a、下部電極層14b及び上部電極層14cは、いずれも引張応力が生じている。そして、エッチングによるインク液室が形成されて、インク液室側に振動板があらわれて振動板におけるインク液室側の面がフリーな開放状態になったとき振動板の引張応力は開放される。この結果、電気−機械変換素子を含めて振動板がインク液室側に突出するように湾曲形状に撓む。これに対して、積層構造の振動板の層構成を工夫することで全体の応力を調整し、振動板の撓み量を変更することができる。本実施例における電気−機械変換素子の撓みの曲率半径は1800[μm]、撓み量は0.252[μm]であり、曲率半径は図5で定義される。   Next, as shown in FIG. 4 (d), anisotropic wet etching is performed with an alkaline solution (KOH solution or TMHA solution) to form an ink liquid chamber in a post-process, and the width in the short direction is reduced. An ink liquid chamber 13 having a thickness of 60 [μm] is formed. Then, an electro-mechanical conversion element and a droplet discharge head constituted by the electro-mechanical conversion element were produced. The electro-mechanical conversion film 14a, the lower electrode layer 14b, and the upper electrode layer 14c all have tensile stress. Then, when the ink liquid chamber is formed by etching and the vibration plate appears on the ink liquid chamber side and the surface on the ink liquid chamber side of the vibration plate is in a free open state, the tensile stress of the vibration plate is released. As a result, the diaphragm including the electromechanical conversion element is bent into a curved shape so as to protrude toward the ink liquid chamber. On the other hand, the total stress can be adjusted by devising the layer structure of the diaphragm having a laminated structure, and the deflection amount of the diaphragm can be changed. In this embodiment, the radius of curvature of bending of the electromechanical conversion element is 1800 [μm], the amount of bending is 0.252 [μm], and the radius of curvature is defined in FIG.

<実施例2>
実施例1の振動板構成に対し、応力設計により撓み量が0.225[μm](曲率半径;2000[μm])となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製した。
<Example 2>
With respect to the diaphragm configuration of Example 1, a diaphragm is manufactured so that the amount of deflection is 0.225 [μm] (curvature radius: 2000 [μm]) by stress design. Then, the lower electrode layer, the electromechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching step were produced under the same conditions as in Example 1.

<実施例3>
実施例1の振動板構成に対し、応力設計により撓み量が0.42[μm](曲率半径;1070[μm])となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製した。
<Example 3>
With respect to the diaphragm configuration of the first embodiment, the diaphragm is manufactured so that the amount of deflection is 0.42 [μm] (curvature radius: 1070 [μm]) by stress design. Then, the lower electrode layer, the electromechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching step were produced under the same conditions as in Example 1.

<比較例1>
実施例1の振動板構成に対し、応力設計により電気−機械変換素子の撓みがインク液室と逆向きに突出した湾曲形状となり、その撓み量が0.25[μm](曲率半径;1800[μm])となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製した。
<Comparative Example 1>
With respect to the diaphragm configuration of the first embodiment, due to the stress design, the bending of the electromechanical conversion element has a curved shape protruding in the opposite direction to the ink liquid chamber, and the amount of bending is 0.25 [μm] (curvature radius; 1800 [ μm]) is produced. Then, the lower electrode layer, the electromechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching step were produced under the same conditions as in Example 1.

<比較例2>
実施例1の振動板構成に対し、振動板をSiOの単層膜で構成し、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製を行う。その撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、撓み量が0.25[μm](曲率半径;1800[μm])となるように作製した。
<Comparative example 2>
Compared to the diaphragm configuration of Example 1, the diaphragm is composed of a single layer film of SiO 2 , and the lower electrode layer, the electro-mechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching process are manufactured under the same conditions as in Example 1. Do. The bending was made into a curved shape protruding to the ink liquid chamber side, and the bending amount was 0.25 [μm] (curvature radius: 1800 [μm]).

<比較例3>
実施例1の振動板構成に対し、応力設計により撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、その撓み量が0.50[μm](曲率半径;900[μm])となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製した。
<Comparative Example 3>
With respect to the diaphragm configuration of the first embodiment, the flexure is curved so as to protrude toward the ink liquid chamber side due to the stress design, and the flexure amount is 0.50 [μm] (curvature radius: 900 [μm]). Make a plate. Then, the lower electrode layer, the electromechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching step were produced under the same conditions as in Example 1.

<比較例4>
実施例1の振動板構成に対し、応力設計により撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、その撓み量が0.15[μm](曲率半径;3000[μm])となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例1と同様の条件で作製した。
<Comparative example 4>
With respect to the diaphragm configuration of the first embodiment, the flexure is curved so as to protrude toward the ink liquid chamber side due to the stress design, and the flexure amount is 0.15 [μm] (curvature radius: 3000 [μm]). Make a plate. Then, the lower electrode layer, the electromechanical conversion film, the upper electrode layer, and the etching step were produced under the same conditions as in Example 1.

上記実施例1〜3、上記比較例1〜4で作製された液滴吐出ヘッドを用いている。そして、印加電界150[kV/cm]、立ち上がり1[μs]、立ち下がり1[μs]、パルス幅が4[μs]、100[kHz]のパルス波形を用いた連続駆動における電気−機械変換素子の変位における変動の評価を行った。変位はレーザドップラ振動計を用いて計測した。変位における変動の評価は、測定の最初の変位の絶対値を100[%]としたときの1×10[回]の繰り返し電界を印加した後の変位の変化率で評価し、下記の表1に示す。判断基準としては、変位の劣化率が5[%]より大きくなるとヘッドの液体吐出能力として十分な信頼性を得られないことから、変位の劣化率が5[%]以下であることを効果の基準とした。

Figure 2014151511
The droplet discharge heads produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 are used. An electro-mechanical conversion element in continuous driving using a pulse waveform having an applied electric field of 150 [kV / cm], a rise of 1 [μs], a fall of 1 [μs], a pulse width of 4 [μs], and 100 [kHz]. The fluctuations in the displacement were evaluated. The displacement was measured using a laser Doppler vibrometer. Evaluation of variation in displacement is based on the rate of change of displacement after applying an electric field of 1 × 10 8 [times] when the absolute value of the initial displacement of measurement is 100 [%]. It is shown in 1. As a criterion for judgment, if the deterioration rate of displacement exceeds 5 [%], sufficient reliability cannot be obtained as the liquid ejection capability of the head. Therefore, it is effective that the displacement deterioration rate is 5 [%] or less. Standard.
Figure 2014151511

実施例1、3より、電気−機械変換素子の撓み量が大きくなるほど連続駆動による変位量の低下が抑制されている。これは電気−機械変換素子を最初から液室側へ撓ませておくことで、連続駆動による撓みの湾曲形状からのズレ量を抑えられ、変位量の低下を防ぐことができるためである。そして、実施例3のものは1×10回駆動した場合でも変位の低下率が少ないため、電気−機械変換素子の撓み量は0.45[μm]近傍となることがより好ましい。 From Examples 1 and 3, as the amount of bending of the electromechanical conversion element increases, the decrease in the amount of displacement due to continuous drive is suppressed. This is because by deflecting the electro-mechanical conversion element from the beginning toward the liquid chamber side, the amount of deviation from the curved shape of the bending due to continuous driving can be suppressed, and a decrease in the amount of displacement can be prevented. And since the thing of Example 3 has few fall rates of a displacement, even when it drives 1x10 8 times, it is more preferable that the amount of bending of an electromechanical conversion element becomes near 0.45 [micrometers].

比較例1においては示した電気−機械変換素子の撓み量がインク液室と逆向きに突出した湾曲形状となったものは、駆動前の変位量が小さい。これは電気−機械変換素子をインク液室と逆向きに突出した湾曲形状になったのは、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層の引張応力を打ち消すために振動板の剛性を大きくしていたためである。そのため、変位量を確保するためには電気−機械変換素子がインク液室側へ突出した湾曲形状となることが好ましい。比較例2においては連続駆動時に振動板の割れが発生したことから、振動板は単層よりも積層であることが望ましい。比較例3では振動板の初期撓みが大きすぎた結果、インク滴を吐出するために十分な変位量が得られず、また連続駆動時に振動板の割れが生じたため、振動板の初期撓み量は0.45[μm]以下であることが望ましい。比較例4においてはインク滴を吐出するために十分な変位量は得られているが、連続駆動による変位の低下率が大きくなるため、振動板の初期撓み量は0.25[μm]以上であることが望ましい。   In Comparative Example 1, the amount of deflection before driving is small when the bending amount of the electro-mechanical conversion element shown in FIG. 1 is a curved shape protruding in the opposite direction to the ink liquid chamber. This is because the electro-mechanical conversion element has a curved shape that protrudes in the opposite direction to the ink liquid chamber. The rigidity of the diaphragm is reduced to counteract the tensile stress of the lower electrode layer, electro-mechanical conversion film, and upper electrode layer. This is because it was enlarged. For this reason, in order to ensure the amount of displacement, it is preferable that the electromechanical conversion element has a curved shape protruding toward the ink liquid chamber. In Comparative Example 2, since the diaphragm cracks during continuous driving, the diaphragm is preferably laminated rather than a single layer. In Comparative Example 3, as a result of the initial deflection of the diaphragm being too large, a sufficient amount of displacement for ejecting ink droplets could not be obtained, and cracking of the diaphragm occurred during continuous driving, so the initial deflection of the diaphragm was It is desirable that it is 0.45 [μm] or less. In Comparative Example 4, a sufficient amount of displacement for ejecting ink droplets is obtained, but since the rate of decrease in displacement due to continuous driving increases, the initial deflection amount of the diaphragm is 0.25 [μm] or more. It is desirable to be.

図6は本実施形態の液滴吐出ヘッドを複数個配置したものを示す断面図である。本実施形態によれば、電気−機械変換素子が簡便な製造工程で(かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ)形成できる。その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液体吐出ヘッドができる。図中には、液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a plurality of droplet discharge heads according to this embodiment. According to this embodiment, the electromechanical conversion element can be formed by a simple manufacturing process (and having performance equivalent to that of bulk ceramics). A liquid discharge head can be formed by removing etching from the rear surface for forming a pressure chamber and joining a nozzle plate having nozzle holes. In the figure, descriptions of liquid supply means, flow paths, and fluid resistance are omitted.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様1)
インク液室13等の加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子14を用い、ノズル11から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、基板16上に振動板15を形成する振動板形成工程と、電気−機械変換素子14を構成する下部電極層14b、電気−機械変換層14a及び上部電極層14cの各材料を振動板15上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、電気−機械変換素子14を形成する電気−機械変換素子形成工程と、振動板15を挟んで電気−機械変換素子14と対向する基板16の位置に、振動板15が加圧液室の一部を構成するよう、加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、加圧液室を区画する隔壁の振動板15と当接する側と反対側の端部に、ノズル11が形成されたノズル板12を接合するノズル板接合工程とを有することを特徴とする。これによれば、上記実施形態について説明したように、電気−機械変換素子形成工程では、電気−機械変換素子14の下部電極層14bが振動板15上に形成される。このとき、下部電極層14bの材料は振動板15の表面形状にならって撓みがない状態になっている。その後、加熱によって下部電極層14bの材料の液体成分を無くす焼成が行われると、下部電極層14bと振動板15との密着性を徐々に増しながら下部電極層14bは収縮していき、焼成終了時の下部電極層14bには収縮しようとする収縮力が生じる。このとき、下部電極層14bの振動板15との界面側と反対の面は開放端であるので撓んでいる。一方、下部電極層14bの振動板15との界面側の付近にも収縮力が伝わっており、下部電極層14bの振動板15との界面付近では下部電極層14bの収縮力に対して相反する応力が発生して互いにバランスがとれた状態になっている。つまり、下部電極層14bの振動板15との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分に向かう方向の応力が発生し、振動板15の下部電極層14bとの界面側には加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が発生している。下部電極層14bの上に電気−機械変換層14aを形成し、該電気−機械変換層14aの上に上部電極層14cを形成する。これらの各層の形成において上記下部電極層14bの形成と同様なメカニズムが生じる。このため、振動板15の下部電極層14bとの界面側には、各層の形成毎に生じた加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が累積して発生している。振動板15の下部電極層14bとの界面側での伸びようとする応力は、下部電極層14bとの界面側に反対の振動板15の面にも伝わっており、振動板15が形成されている基板16からの応力でバランスがとれた状態になっている。そして、振動板15において加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力は、加圧液室形成工程で基板16に加圧液室が形成されて加圧液室の一部を構成する振動板15があらわれた際に、開放される。このとき、振動板15の下部電極層14bとの界面付近では下部電極層14bからの収縮力を受けて縮んでいる。また、加圧液室を区画する隔壁によって加圧液室の一部を構成する以外の振動板15の変形が規制されている。これらにより、振動板15は、縮もうとしている振動板15の下部電極層14bとの界面付近に対して反対側であってかつ開放された加圧液室側に突出するように湾曲形状に撓み易い。電気−機械変換素子14の湾曲形状の撓み量は、電気−機械変換素子14の撓みによる圧力を受けた振動板15の撓みによって定まる。振動板15の剛性は電気−機械変換素子14の剛性より高いので、電気−機械変換素子14の撓みによる圧力が振動板15の撓みに及ぼす影響は少ない。振動板15は単体であるので、例えば振動板15の材料や厚さを規定すれば、振動板15の湾曲形状の撓み量は定まる。このため、振動板形成工程で、振動板15の撓む量が狙いの撓み量になるよう、振動板15の材料や厚さを狙いのものに規定して形成しておく。これにより、電気−機械変換素子14の加圧液室側に突出するように振動板15を介して撓んだ湾曲形状の撓み量は、狙いの撓み量に定まる。よって、従来のようなプレス工程を用いた場合の製造時間より短い製造時間で製造して、生産コストを抑えて狙いの撓み量の湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる。
(態様2)
(態様1)において、振動板15の短手方向の幅を60[μm]とした場合、電気−機械変換素子14の狙いの撓み量を250〜450[nm]の範囲にする。これによれば、上記実施形態の実施例について説明したように、振動板15全体の剛性と引張応力の制御が、積層化と膜厚、及び積層構成の組み合わせで実現できることがわかっている。このため、振動板15の短手方向の幅を60[μm]とした場合、狙いの電気−機械変換素子14の撓み量を250〜450[nm]の範囲にすると、振動板15の撓み量が0.42[μm]になるように振動板15を狙いのものに形成する。これにより、電気−機械変換素子の材料、膜厚に適時対応でき、電気−機械変換膜の焼成温度による振動板の剛性、応力の変動が少なく安定した振動板が得られる。よって、液滴吐出特性を高精度にでき、かつ安定した液滴吐出ヘッドを実現できる。
(態様3)
(態様1)において、振動板形成工程では、振動板15を積層構造に形成する。これによれば、上記実施形態について説明したように、積層構造の振動板の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板の剛性と膜応力を所望の値に設定する自由度を得ることができる。よって、振動板が加圧液室側に狙いの撓み量で撓むように、振動板を容易に形成することができる。
(態様4)
(態様1)〜(態様3)のいずれかの液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造された液滴吐出ヘッドに特徴がある。これによれば、上記実施形態について説明したように、振動板の変位量の低下を抑制でき、吐出滴特性を安定させることができる。
(態様5)
(態様4)の液滴吐出ヘッドを搭載し、液滴吐出ヘッドから記録液を吐出して記録材に画像を形成する画像形成装置に特徴がある。これによれば、上記実施形態について説明したように、吐出特性に優れ、安定した画像形成を行うことができる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has a specific effect for each of the following modes.
(Aspect 1)
In a manufacturing method of a droplet discharge head that discharges droplets from a nozzle 11 using a curved electro-mechanical conversion element 14 that is bent so as to protrude into a pressurized liquid chamber such as an ink liquid chamber 13, The vibration plate forming step for forming the vibration plate 15 and the lower electrode layer 14b, the electro-mechanical conversion layer 14a and the upper electrode layer 14c constituting the electro-mechanical conversion element 14 are sequentially formed on the vibration plate 15. In addition, by heating and firing for each layer formation, an electro-mechanical conversion element forming step for forming the electro-mechanical conversion element 14 and a substrate 16 facing the electro-mechanical conversion element 14 with the diaphragm 15 interposed therebetween. The pressurizing liquid chamber forming step for forming the pressurizing liquid chamber and the diaphragm 15 of the partition wall defining the pressurizing liquid chamber are brought into contact with each other so that the vibrating plate 15 constitutes a part of the pressurizing liquid chamber. Nozzle 11 was formed at the end opposite to the side And having a nozzle plate bonding step of bonding the nozzle plate 12. According to this, as described in the above embodiment, in the electro-mechanical conversion element forming step, the lower electrode layer 14 b of the electro-mechanical conversion element 14 is formed on the diaphragm 15. At this time, the material of the lower electrode layer 14b is in a state where there is no deflection following the surface shape of the diaphragm 15. Thereafter, when baking is performed to remove the liquid component of the material of the lower electrode layer 14b by heating, the lower electrode layer 14b contracts while gradually increasing the adhesion between the lower electrode layer 14b and the diaphragm 15, and the baking ends. A contraction force that tends to contract occurs in the lower electrode layer 14b at the time. At this time, the surface of the lower electrode layer 14b opposite to the interface with the diaphragm 15 is an open end and is bent. On the other hand, the contraction force is also transmitted to the vicinity of the interface between the lower electrode layer 14b and the diaphragm 15, and in the vicinity of the interface between the lower electrode layer 14b and the diaphragm 15, the contraction force of the lower electrode layer 14b is contradictory. Stress is generated and balanced with each other. That is, a stress in the direction toward the central portion in the short side direction of the pressurized liquid chamber is generated on the interface side of the lower electrode layer 14b with the diaphragm 15, and on the interface side of the diaphragm 15 with the lower electrode layer 14b. A stress is generated that tends to extend away from the central portion of the pressurized liquid chamber in the short direction. An electro-mechanical conversion layer 14a is formed on the lower electrode layer 14b, and an upper electrode layer 14c is formed on the electro-mechanical conversion layer 14a. In the formation of these layers, the same mechanism as in the formation of the lower electrode layer 14b occurs. For this reason, on the interface side of the diaphragm 15 with the lower electrode layer 14b, a stress is generated that accumulates in a direction away from the central portion in the short direction of the pressurizing liquid chamber generated every time the layers are formed. doing. The stress that tends to extend on the interface side of the diaphragm 15 with the lower electrode layer 14b is also transmitted to the surface of the diaphragm 15 opposite to the interface side with the lower electrode layer 14b, and the diaphragm 15 is formed. The state is balanced by the stress from the substrate 16. The stress that tends to extend away from the central portion in the short direction of the pressurizing liquid chamber in the diaphragm 15 is caused by the pressurizing liquid chamber being formed on the substrate 16 in the pressurizing liquid chamber forming step. Is opened when the diaphragm 15 constituting a part of the plate appears. At this time, in the vicinity of the interface between the diaphragm 15 and the lower electrode layer 14b, the diaphragm 15 is contracted due to the contraction force from the lower electrode layer 14b. Further, deformation of the diaphragm 15 other than that constituting a part of the pressurizing liquid chamber is regulated by the partition wall defining the pressurizing liquid chamber. As a result, the diaphragm 15 bends in a curved shape so as to protrude toward the open pressurized liquid chamber side opposite to the vicinity of the interface with the lower electrode layer 14b of the diaphragm 15 to be contracted. easy. The bending amount of the curved shape of the electro-mechanical conversion element 14 is determined by the bending of the diaphragm 15 that receives pressure due to the bending of the electro-mechanical conversion element 14. Since the rigidity of the diaphragm 15 is higher than the rigidity of the electro-mechanical conversion element 14, the pressure due to the bending of the electro-mechanical conversion element 14 has little influence on the bending of the diaphragm 15. Since the diaphragm 15 is a single body, for example, if the material and thickness of the diaphragm 15 are defined, the bending amount of the curved shape of the diaphragm 15 is determined. For this reason, in the diaphragm forming process, the material and thickness of the diaphragm 15 are defined to be the target so that the amount of deflection of the diaphragm 15 becomes the target amount of deflection. As a result, the bending amount of the curved shape bent through the diaphragm 15 so as to protrude toward the pressurized liquid chamber side of the electro-mechanical conversion element 14 is determined to be a target bending amount. Therefore, it is manufactured in a manufacturing time shorter than the manufacturing time when using a conventional press process, and a droplet discharge head including a curved electro-mechanical conversion element with a desired deflection amount is manufactured while suppressing the production cost. it can.
(Aspect 2)
In (Aspect 1), when the width of the diaphragm 15 in the short direction is set to 60 [μm], the target deflection amount of the electromechanical conversion element 14 is set to a range of 250 to 450 [nm]. According to this, as described in the example of the above embodiment, it is known that the rigidity and tensile stress of the entire diaphragm 15 can be controlled by a combination of lamination, film thickness, and lamination configuration. For this reason, when the width of the diaphragm 15 in the short direction is set to 60 [μm], the amount of deflection of the diaphragm 15 is set when the amount of deflection of the target electro-mechanical conversion element 14 is in the range of 250 to 450 [nm]. The diaphragm 15 is formed so as to have a target value of 0.42 [μm]. As a result, a stable diaphragm can be obtained that can respond to the material and film thickness of the electro-mechanical conversion element in a timely manner, and that has less fluctuation in rigidity and stress due to the firing temperature of the electro-mechanical conversion film. Therefore, it is possible to realize a liquid droplet ejection characteristic with high accuracy and a stable liquid droplet ejection head.
(Aspect 3)
In (Aspect 1), in the diaphragm forming step, the diaphragm 15 is formed in a laminated structure. According to this, as described in the above embodiment, in the case of a diaphragm having a laminated structure, the degree of freedom for setting the rigidity and film stress of the diaphragm to desired values is obtained by optimizing the laminated structure. be able to. Therefore, the diaphragm can be easily formed so that the diaphragm is bent toward the pressurized liquid chamber by a target amount of bending.
(Aspect 4)
A feature of the droplet discharge head manufactured by the method of manufacturing a droplet discharge head according to any one of (Aspect 1) to (Aspect 3). According to this, as described in the above embodiment, it is possible to suppress a decrease in the amount of displacement of the diaphragm and to stabilize the ejection droplet characteristics.
(Aspect 5)
(Embodiment 4) is characterized by an image forming apparatus that mounts the droplet discharge head and forms an image on a recording material by discharging a recording liquid from the droplet discharge head. According to this, as described in the above embodiment, the discharge characteristics are excellent and stable image formation can be performed.

1 液滴吐出ヘッド
10 液滴吐出ヘッド
11 ノズル
12 ノズル板
13 インク液室
14 電気−機械変換素子
14a 電気−機械変換膜
14b 下部電極層
14c 上部電極層
15 振動板
16 基板
100 インクジェット記録装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Droplet discharge head 10 Droplet discharge head 11 Nozzle 12 Nozzle plate 13 Ink liquid chamber 14 Electro-mechanical conversion element 14a Electro-mechanical conversion film 14b Lower electrode layer 14c Upper electrode layer 15 Diaphragm 16 Substrate 100 Inkjet recording apparatus

特許第3484889号公報Japanese Patent No. 344889

Claims (5)

加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子を用い、ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
基板上に振動板を形成する振動板形成工程と、
前記電気−機械変換素子を構成する下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層の各材料を前記振動板上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、前記電気−機械変換素子を形成する電気−機械変換素子形成工程と、
前記振動板を挟んで前記電気−機械変換素子と対向する前記基板の位置に、前記振動板が前記加圧液室の一部を構成するよう、前記加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、
前記加圧液室を区画する隔壁の前記振動板と当接する側と反対側の端部に、前記ノズルが形成されたノズル板を接合するノズル板接合工程と
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
In a method of manufacturing a droplet discharge head that discharges droplets from a nozzle using a curved electro-mechanical conversion element that is bent so as to protrude into a pressurized liquid chamber,
A diaphragm forming step of forming a diaphragm on the substrate;
The respective materials of the lower electrode layer, the electro-mechanical conversion layer, and the upper electrode layer constituting the electro-mechanical conversion element are sequentially formed on the diaphragm and heated and fired for each layer formation, An electro-mechanical conversion element forming step of forming an electro-mechanical conversion element;
A pressurizing liquid chamber that forms the pressurizing liquid chamber at a position of the substrate facing the electromechanical conversion element with the vibration plate interposed therebetween so that the vibrating plate forms a part of the pressurizing liquid chamber. Forming process;
And a nozzle plate joining step for joining a nozzle plate on which the nozzles are formed at an end of the partition partitioning the pressurized liquid chamber opposite to the side in contact with the vibration plate. Manufacturing method of the discharge head.
請求項1記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記振動板の短手方向の幅を60[μm]とした場合、前記電気−機械変換素子の狙いの撓み量を250〜450[nm]の範囲にすることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
In the manufacturing method of the droplet discharge head according to claim 1,
When the width of the diaphragm in the short direction is set to 60 [μm], a target deflection amount of the electro-mechanical conversion element is set in a range of 250 to 450 [nm]. Production method.
請求項1記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記振動板形成工程では、前記振動板を積層構造に形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
In the manufacturing method of the droplet discharge head according to claim 1,
In the vibration plate forming step, the vibration plate is formed in a laminated structure.
請求項1〜3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造されたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   A droplet discharge head manufactured by the method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1. 請求項4記載の液滴吐出ヘッドを搭載し、該液滴吐出ヘッドから記録液を吐出して記録材に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。   An image forming apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 4 and forming an image on a recording material by discharging a recording liquid from the droplet discharge head.
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