JP2016165816A - Electromechanical conversion member, method of manufacturing the same, droplet discharge head, ink cartridge, and image formation apparatus - Google Patents

Electromechanical conversion member, method of manufacturing the same, droplet discharge head, ink cartridge, and image formation apparatus Download PDF

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黒田 隆彦
Takahiko Kuroda
隆彦 黒田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromechanical conversion member with high durability and reliability by suppressing peeling of a lower electrode.SOLUTION: In an electromechanical conversion member which comprises: a diaphragm 15 forming one surface of a liquid chamber 13; and a piezoelectric element 16 having a lower electrode 161, a piezoelectric substance 162 and an upper electrode 163 formed in this order on the diaphragm 15, the lower electrodes 161 being a common electrode of the piezoelectric element 16 by being continuously provided across the direction in which the liquid chambers 13 are arranged side by side, a recess 15a is formed in the depth direction of the diaphragm 15 at a position other than a liquid chamber formation region 13a of the diaphragm 15, and the lower electrode 161 includes an anchor part 161a having the shape entering the recess 15a.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、電気機械変換部材、電気機械変換部材の製造方法、液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、および画像形成装置に関する。   The present invention relates to an electromechanical conversion member, a method for manufacturing an electromechanical conversion member, a droplet discharge head, an ink cartridge, and an image forming apparatus.

一般に、プリンタ、ファクシミリ、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、例えばインク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。   In general, printers, facsimiles, copiers, plotters, or image forming apparatuses that combine a plurality of these functions include, for example, an ink jet recording apparatus that includes a droplet discharge head that discharges droplets of ink or the like.

液滴吐出ヘッドは、インクなどの液体の液滴を吐出するノズルと、このノズルに連通し液体を収容した液室(加圧液室、圧力室、加圧室、吐出室などとも称される。)と、圧電素子などの電気機械変換素子とを備えた構成が知られている。この液滴吐出ヘッドでは、圧電素子に電圧が印加されることにより圧電素子は液室の壁の一部を形成する振動板を変形させるように振動し、その振動板の変形により液室内の液体が加圧され、ノズルから液滴を吐出させることができる。   The droplet discharge head is also referred to as a nozzle that discharges liquid droplets of ink or the like, and a liquid chamber (pressure chamber, pressure chamber, pressure chamber, discharge chamber, or the like) that communicates with the nozzle and stores liquid. )) And an electromechanical transducer such as a piezoelectric element are known. In this droplet discharge head, when a voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element vibrates so as to deform a diaphragm that forms part of the wall of the liquid chamber, and the liquid in the liquid chamber is deformed by the deformation of the diaphragm. Is pressurized, and droplets can be discharged from the nozzle.

インクジェット記録装置の液滴記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの電気機械変換部材として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2種類が実用化されている。   The droplet recording head of the ink jet recording apparatus uses a piezoelectric actuator as an electromechanical conversion member in a longitudinal vibration mode that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and uses a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode. Two types have been put into practical use.

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、例えば、振動板の表面全体にわた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。   As an example of using a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode, for example, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm, and this piezoelectric material layer is formed into a shape corresponding to a pressure generating chamber by a lithography method. A known piezoelectric element is formed so as to be separated into each pressure generating chamber.

たわみ振動モードの圧電アクチュエータに使用される圧電素子は、例えば、振動板上に形成される、共通電極である下部電極(下部電極層)と、下部電極上に形成された圧電体(圧電体層)と、圧電体上に形成された個別電極である上部電極(上部電極層)と、で構成される。さらに、上部電極上には層間絶縁膜が形成されて下部電極と上部電極との絶縁が図られ、この層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して上部電極に電気的に接続される配線が設けられた構造となっている。   A piezoelectric element used for a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode includes, for example, a lower electrode (lower electrode layer) that is a common electrode formed on a diaphragm and a piezoelectric body (piezoelectric layer) formed on the lower electrode. ) And an upper electrode (upper electrode layer) which is an individual electrode formed on the piezoelectric body. Further, an interlayer insulating film is formed on the upper electrode to insulate the lower electrode from the upper electrode, and a wiring electrically connected to the upper electrode through a contact hole opened in the interlayer insulating film. It has a provided structure.

しかしながら、上記のような圧電アクチュエータの製造過程中において、下部電極(例えば、PtとTiOとの積層構造など)は下地である振動板(例えば、シリコン酸化膜など)との密着性があまり良くなく、製造途中の下部電極パターニング工程のエッチング後の後処理(例えば、レジスト除去工程など)において、下部電極のパターン端部、特に角部で膜剥がれや膜浮き(以下、単に剥がれともいう)が発生してしまう。 However, during the manufacturing process of the piezoelectric actuator as described above, the lower electrode (for example, a laminated structure of Pt and TiO 2 ) has a very good adhesion to the underlying diaphragm (for example, a silicon oxide film). In addition, in post-processing after etching in the lower electrode patterning process in the middle of manufacturing (for example, a resist removing process), film peeling or film floating (hereinafter also simply referred to as peeling) occurs at the pattern edge of the lower electrode, particularly at the corner. Will occur.

下部電極の剥がれが発生すると、下部電極が圧電アクチュエータ基板上の意図しない部分に付着すること等によるショート等が発生して、製品の信頼性が低下してしまう。また、アクチュエータ基板の歩留りが低下してしまう。   When the lower electrode is peeled off, a short circuit or the like due to the lower electrode adhering to an unintended portion on the piezoelectric actuator substrate occurs, and the reliability of the product is lowered. In addition, the yield of the actuator substrate is reduced.

下部電極と振動板に関する技術として、特許文献1には、下電極及び上電極とは異なる層で構成され圧力発生室に対応する領域の外側の振動板上に設けられる積層電極を有し、且つ積層電極と振動板との間に、少なくとも積層電極の端部に対応する領域に、線膨張係数が振動板よりも大きく積層電極よりも小さい材料からなる応力緩和層を設けて、振動板の破壊を防止した液体噴射ヘッドが開示されている。また、特許文献2には、液室周囲に沿った振動板の機械的ストレスが集中する箇所に応力緩和層を設けた液体噴射ヘッドが開示されている。   As a technique relating to the lower electrode and the diaphragm, Patent Document 1 includes a laminated electrode provided on a diaphragm outside the region corresponding to the pressure generation chamber, which is configured by a layer different from the lower electrode and the upper electrode, and Breakage of the diaphragm by providing a stress relaxation layer made of a material having a linear expansion coefficient larger than that of the diaphragm and smaller than that of the multilayer electrode at least in a region corresponding to the end of the multilayer electrode between the multilayer electrode and the diaphragm. A liquid ejecting head that prevents the above is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses a liquid ejecting head in which a stress relaxation layer is provided at a location where mechanical stress of the diaphragm along the periphery of the liquid chamber is concentrated.

しかしながら、上記従来技術では、応力緩和層の効果を十分発揮するために、周縁部の外側まで張り出して設けているため、チップサイズを小さくことができず、コストダウンや歩留り向上の観点において問題があった。また、応力緩和層を成膜することで、工程の増加となっていた。   However, in the above prior art, in order to sufficiently exert the effect of the stress relaxation layer, the chip size cannot be reduced because it extends to the outside of the peripheral portion, and there is a problem in terms of cost reduction and yield improvement. there were. In addition, the number of processes has been increased by forming a stress relaxation layer.

また、下部電極と振動板は、下部電極に設けた密着層を介して積層される構成が知られているが、一般に、薄膜の積層界面は、各々の材料の線膨張係数が異なるため、成膜時の温度、その後のプロセス温度により、応力のバランスが崩れ、薄膜界面で膜剥がれや膜浮きが生じてしまっていた。   In addition, it is known that the lower electrode and the diaphragm are laminated via an adhesion layer provided on the lower electrode. Generally, the thin film lamination interface has a different linear expansion coefficient of each material, so Depending on the temperature at the time of film formation and the subsequent process temperature, the balance of stress was lost, and film peeling and film floating occurred at the thin film interface.

このように、膜のパターン形状、面積、膜厚等の制約から下部電極の剥がれを抑制することに検討の余地が残されていた。   As described above, there remains room for studying the suppression of peeling of the lower electrode due to restrictions on the pattern shape, area, and film thickness of the film.

そこで本発明は、下部電極の剥がれを抑制して、耐久性および信頼性の高い電気機械変換部材を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an electromechanical conversion member having high durability and reliability by suppressing peeling of the lower electrode.

かかる目的を達成するため、本発明に係る電気機械変換部材は、液室の一面を形成する振動板と、該振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換素子と、を備え、前記下部電極は、前記液室が並設される方向に亘って連続的に設けられることで前記電気機械変換素子の共通電極となる電気機械変換部材において、前記振動板の前記液室の形成領域以外の位置に該振動板の深さ方向に凹部が形成されるとともに、前記下部電極が前記凹部に入りこんだ形状を有するものである。   In order to achieve such an object, an electromechanical conversion member according to the present invention includes a diaphragm that forms one surface of a liquid chamber, and an electromechanical conversion in which a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode are formed in this order on the diaphragm. An electromechanical conversion member that serves as a common electrode of the electromechanical conversion element by being continuously provided in a direction in which the liquid chambers are arranged in parallel. A concave portion is formed in the depth direction of the diaphragm at a position other than the formation region of the liquid chamber, and the lower electrode has a shape that enters the concave portion.

本発明によれば、下部電極の剥がれを抑制して、耐久性および信頼性の高い電気機械変換部材を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, peeling of a lower electrode can be suppressed and an electromechanical conversion member with high durability and reliability can be provided.

液滴吐出ヘッドの基本構成部分である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the liquid chamber in the arrangement direction showing a schematic configuration of a droplet discharge unit that is a basic component of the droplet discharge head. 液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向と直行する方向の断面図である。It is sectional drawing of the direction orthogonal to the arrangement direction of a liquid chamber which shows schematic structure of a droplet discharge part. 液滴吐出部の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of a droplet discharge part. SRO膜(111)のXRDパターン図の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the XRD pattern figure of a SRO film | membrane (111). 液滴吐出部の製造プロセスの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of a droplet discharge part. 下部電極の隅部に剥離液がアタックする様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that peeling liquid attacks the corner part of a lower electrode. 本実施形態に係るアクチュエータ基板の概略構成を示す断面図の一例である。It is an example of a sectional view showing a schematic structure of an actuator substrate concerning this embodiment. 本実施形態に係るアクチュエータ基板を備えた液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図である。It is sectional drawing of the arrangement direction of a liquid chamber which shows schematic structure of the droplet discharge part provided with the actuator board | substrate which concerns on this embodiment. 液滴吐出部の製造工程の説明図(1)である。It is explanatory drawing (1) of the manufacturing process of a droplet discharge part. 液滴吐出部の製造工程の説明図(2)である。It is explanatory drawing (2) of the manufacturing process of a droplet discharge part. 液滴吐出部の製造工程の説明図(3)である。It is explanatory drawing (3) of the manufacturing process of a droplet discharge part. 実施例1に係る圧電素子の上面図である。1 is a top view of a piezoelectric element according to Example 1. FIG. 実施例2に係る圧電素子の上面図である。6 is a top view of a piezoelectric element according to Example 2. FIG. 実施例3に係る圧電素子の上面図である。6 is a top view of a piezoelectric element according to Example 3. FIG. 実施例4に係る圧電素子の上面図である。6 is a top view of a piezoelectric element according to Example 4. FIG. 実施例5に係る圧電素子の上面図である。6 is a top view of a piezoelectric element according to Example 5. FIG. 液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view illustrating a configuration example of an ink cartridge including a droplet discharge head. 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of composition of an ink jet recording device provided with a droplet discharge head. 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。FIG. 4 is a side view illustrating a configuration example of a mechanism unit of an ink jet recording apparatus including a droplet discharge head.

以下、本発明に係る構成を図1から図19に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

(電気機械変換部材/液滴吐出ヘッドの構成)
図1は液滴吐出ヘッドの基本構成部分である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図であり、便宜上、1つの液室に対応する部分のみ示している。また、図2は、液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向と直交する方向の断面図である。また、図3は、液滴吐出部の概略構成を示す斜視図である。
(Configuration of electromechanical conversion member / droplet discharge head)
FIG. 1 is a cross-sectional view in the arrangement direction of liquid chambers showing a schematic configuration of a liquid droplet discharge portion which is a basic component of the liquid droplet discharge head, and only a portion corresponding to one liquid chamber is shown for convenience. FIG. 2 is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the arrangement direction of the liquid chambers, showing a schematic configuration of the droplet discharge section. FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the droplet discharge unit.

図1に示すように、液滴吐出部10は、インクなどの液体の液滴を吐出するノズル11を有するノズル基板12と、ノズル11に連通し液体を収容した液室13が形成された液室基板14(以下、単に「基板」という)とを備えている。この基板14は、ノズル11と連通する液室13の隔壁部、流体抵抗部32、液室13へのインク導入路33などが形成されている。基板14上には、液室13の一壁面となる振動板15を形成し、振動板15上に下部電極161、圧電体(PZT)162及び上部電極163からなる圧電素子16が設けられている。また、圧電素子16を覆うように第1の保護膜としての第1の絶縁保護膜17、第2の絶縁保護膜18、第3の絶縁保護膜19及びサブフレーム20(第2の基板)が設けられている。   As shown in FIG. 1, the droplet discharge unit 10 is a liquid in which a nozzle substrate 12 having a nozzle 11 for discharging a droplet of a liquid such as ink and a liquid chamber 13 that communicates with the nozzle 11 and contains a liquid are formed. And a chamber substrate 14 (hereinafter simply referred to as “substrate”). In the substrate 14, a partition wall portion of the liquid chamber 13 communicating with the nozzle 11, a fluid resistance portion 32, an ink introduction path 33 to the liquid chamber 13, and the like are formed. A vibration plate 15 serving as one wall surface of the liquid chamber 13 is formed on the substrate 14, and a piezoelectric element 16 including a lower electrode 161, a piezoelectric body (PZT) 162, and an upper electrode 163 is provided on the vibration plate 15. . A first insulating protective film 17, a second insulating protective film 18, a third insulating protective film 19, and a subframe 20 (second substrate) as a first protective film are provided so as to cover the piezoelectric element 16. Is provided.

圧電素子16は、振動板15側で共通電極となる下部電極161と、電気機械変換膜としてのPZTなどからなる圧電体162と、圧電体162の振動板15側とは反対側で個別電極となる上部電極163とが積層されている。下部電極161は、第1の絶縁保護膜17に形成されたコンタクトホール17aにより配線21に接続されており、この配線21を介して外部接続用の端子電極としての共通電極用のパッド電極に接続されている。また、上部電極163は、第2の絶縁保護膜18に形成されたコンタクトホール18aにより配線22に接続されており、この配線22を介して外部接続用の端子電極としての個別電極用のパッド電極23に接続されている。   The piezoelectric element 16 includes a lower electrode 161 serving as a common electrode on the diaphragm 15 side, a piezoelectric body 162 made of PZT or the like as an electromechanical conversion film, and an individual electrode on the opposite side of the piezoelectric body 162 from the diaphragm 15 side. The upper electrode 163 is laminated. The lower electrode 161 is connected to a wiring 21 through a contact hole 17a formed in the first insulating protective film 17, and is connected to a pad electrode for a common electrode as a terminal electrode for external connection through the wiring 21. Has been. The upper electrode 163 is connected to the wiring 22 by a contact hole 18a formed in the second insulating protective film 18, and a pad electrode for an individual electrode as a terminal electrode for external connection through the wiring 22 23.

サブフレーム20は、下部電極161及び上部電極163に電気的に接続される共通電極用の配線21、個別電極用の配線22を含めて圧電素子16の保護空間20aと、駆動IC24の配置するための空間とを有している。また、共通液室から液室13へのインク流路35となる溝部を有している。このインク流路35は、インク供給口34を介して基板14に形成されたインク導入路33に連通している。   The subframe 20 includes a common electrode wiring 21 electrically connected to the lower electrode 161 and the upper electrode 163, and a wiring space 22a for the individual electrodes including the wiring 22 for the individual electrodes, and the drive IC 24. Space. Further, it has a groove portion that becomes an ink flow path 35 from the common liquid chamber to the liquid chamber 13. The ink flow path 35 communicates with an ink introduction path 33 formed in the substrate 14 via an ink supply port 34.

上記構成の液滴吐出部10において、共通電極用のパッド電極と配線21及び個別電極用のパッド電極23と配線22を介してそれぞれ圧電素子16の下部電極161と上部電極163との間に所定の周波数及び振幅の駆動電圧が印加される。この駆動電圧が印加された圧電素子16が、基板14と圧電素子16との間にある振動板15を変形させるように振動し、その振動板15の変形により液室13内の液体が加圧され、ノズル11から液滴を吐出させることができる。   In the droplet discharge section 10 configured as described above, a predetermined electrode is provided between the lower electrode 161 and the upper electrode 163 of the piezoelectric element 16 via the common electrode pad electrode and wiring 21 and the individual electrode pad electrode 23 and wiring 22, respectively. A driving voltage having a frequency and an amplitude of 2 is applied. The piezoelectric element 16 to which the driving voltage is applied vibrates so as to deform the vibration plate 15 between the substrate 14 and the piezoelectric element 16, and the liquid in the liquid chamber 13 is pressurized by the deformation of the vibration plate 15. Thus, the droplets can be ejected from the nozzle 11.

次に、液滴吐出ヘッドを構成する構成要素である各部及び部材などの材料及び工法について、より具体的に説明する。   Next, the materials and methods of each part and member, which are constituent elements constituting the droplet discharge head, will be described more specifically.

〔基板〕
基板14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[μm]以上600[μm]以下の範囲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、本構成例においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような液室(圧力室)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。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。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)では深い溝をほることができるため、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いる。本構成例としては(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ため、この点も留意して利用することが好ましい。
〔substrate〕
As the substrate 14, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is preferable to have a thickness in the range of 100 [μm] 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. In this configuration example, A single crystal substrate having a (100) plane orientation was mainly used. Further, when the liquid chamber (pressure chamber) 13 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. As an etching method in this case, it is common to use anisotropic etching. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be removed in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. I know you can. As this configuration example, it is possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so it is preferable to use this point in consideration.

〔振動板〕
図1に示すように電気機械変換素子としての圧電素子16によって発生した力を受けて、その下地の振動板15が変形して、液室(圧力室)13のインクなどの液体の液滴を吐出させる。そのため、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などを例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により作製したものが挙げられる。さらに図1に示すような共通電極(下部電極)161及び圧電体162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、圧電体162としては、一般的に材料としてPZTが使用される場合が多い。従って、振動板15の材料は、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い5×10−6(1/K)以上10×10−6(1/K)以下の範囲の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには7×10−6(1/K)以上9×10−6(1/K)以下の範囲の線膨張係数を有した材料がより好ましい。具体的な材料としては、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が挙げられる。これらの材料を、例えばスパッタ法又はゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては0.1[μm]以上10[μm]以下の範囲が好ましく、0.5[μm]以上3[μm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと、図1に示すような液室(圧力室)13の加工が難しくなる。また、上記範囲より大きいと振動板15が変形しにくくなり、インク滴などの液滴の吐出が不安定になる。
(Diaphragm)
As shown in FIG. 1, upon receiving the force generated by the piezoelectric element 16 as an electromechanical transducer, the underlying diaphragm 15 is deformed, and liquid droplets such as ink in the liquid chamber (pressure chamber) 13 are discharged. Discharge. Therefore, it is preferable that the diaphragm 15 has a predetermined strength. Examples of the material include those made of Si, SiO 2 , Si 3 N 4 and the like by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the common electrode (lower electrode) 161 and the piezoelectric body 162 as shown in FIG. In particular, as the piezoelectric body 162, PZT is generally used as a material in many cases. Therefore, the material of the diaphragm 15 is in the range of 5 × 10 −6 (1 / K) to 10 × 10 −6 (1 / K), which is close to the linear expansion coefficient 8 × 10 −6 (1 / K) of PZT. A material having a linear expansion coefficient of is preferable. Furthermore, a material having a linear expansion coefficient in the range of 7 × 10 −6 (1 / K) to 9 × 10 −6 (1 / K) is more preferable. Specific examples of the material 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 materials can be produced by a spin coater using, for example, a sputtering method or a sol-gel method. The film thickness is preferably in the range of 0.1 [μm] to 10 [μm], and more preferably in the range of 0.5 [μm] to 3 [μm]. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the liquid chamber (pressure chamber) 13 as shown in FIG. On the other hand, if it is larger than the above range, the diaphragm 15 is not easily deformed, and ejection of droplets such as ink droplets becomes unstable.

〔下部電極(共通電極)〕
下部電極(共通電極)161としては、金属もしくは金属と酸化物からなっていることが好ましい。ここで、どちらの材料も振動板15と下部電極161を構成する金属膜との間に密着層を入れて剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に密着層含めて金属電極膜及び酸化物電極膜の詳細について記載する。
[Lower electrode (common electrode)]
The lower electrode (common electrode) 161 is preferably made of metal or metal and oxide. Here, both materials are devised so as to suppress peeling and the like by putting an adhesion layer between the diaphragm 15 and the metal film constituting the lower electrode 161. Details of the metal electrode film and the oxide electrode film including the adhesion layer are described below.

〔密着層〕
密着層は、例えば次のように形成する。Tiをスパッタ成膜後、成膜したチタン膜をRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて熱酸化して酸化チタン膜にする。熱酸化の条件は、例えば、650[℃]以上800[℃]以下の範囲の温度、1[分]以上30[分]以下の範囲の処理時間、及びO雰囲気である。酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、RTA装置による酸化の方がチタン酸化膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いRTAによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。また、Ti以外の材料としては、Ta、Ir、Ru等の材料を用いることもできる。密着層の膜厚としては、10[nm]以上50[nm]以下の範囲が好ましく、15[nm]以上30[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲以下の場合においては、密着性に懸念がある。また、この範囲以上になってくると、下部電極の表面粗さが大きくなり圧電膜との密着性が低下し、圧電膜の結晶性に悪影響を及ぼしインク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Adhesion layer]
The adhesion layer is formed as follows, for example. After Ti is formed by sputtering, the formed titanium film is thermally oxidized using an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus to form a titanium oxide film. The conditions for thermal oxidation are, for example, a temperature in the range of 650 [° C.] to 800 [° C.], a treatment time in the range of 1 [min] to 30 [min], and an O 2 atmosphere. To form the titanium oxide film, reactive sputtering may be used, but thermal oxidation of the titanium film at a high temperature is desirable. The production by reactive sputtering requires a special sputtering chamber configuration because the silicon substrate needs to be heated at a high temperature. Furthermore, the crystallinity of the titanium oxide film is better in the oxidation by the RTA apparatus than in the oxidation by a general furnace. This is because, according to oxidation in a normal heating furnace, a titanium film that is easily oxidized forms several crystal structures at a low temperature, and thus it is necessary to break it once. Therefore, oxidation by RTA having a high temperature rising rate is advantageous in order to form better crystals. Moreover, as materials other than Ti, materials such as Ta, Ir, and Ru can be used. The thickness of the adhesion layer is preferably in the range of 10 [nm] to 50 [nm], and more preferably in the range of 15 [nm] to 30 [nm]. If it is less than this range, there is concern about adhesion. Also, if the value exceeds this range, the surface roughness of the lower electrode will increase and the adhesion to the piezoelectric film will decrease, adversely affecting the crystallinity of the piezoelectric film, and sufficient displacement for ink ejection will not be obtained. Trouble occurs.

〔金属電極膜〕
金属電極膜の金属材料としては、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、これらの合金膜も挙げられる。また、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、前述の密着層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る。膜厚としては、80[nm]以上200[nm]以下の範囲が好ましく、100[nm]以上150[nm]以下の範囲がより好ましい。この範囲より薄い場合においては、下部電極161として十分な電流を供給することができなくなり、液滴の吐出をする際に不具合が発生する。さらに、この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップとなる。また、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、その上に作製する酸化物電極膜やPZTの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、インク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Metal electrode film]
Conventionally, platinum having high heat resistance and low reactivity has been used as the metal material of the metal electrode film, but it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead. -Platinum group elements, such as rhodium, and these alloy films are also mentioned. Further, when platinum is used, it is preferable that the above-mentioned adhesion layer is laminated first because adhesion to the base (particularly SiO 2 ) is poor. As a manufacturing method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. The film thickness is preferably in the range of 80 [nm] to 200 [nm], and more preferably in the range of 100 [nm] to 150 [nm]. When the thickness is smaller than this range, a sufficient current cannot be supplied as the lower electrode 161, and a problem occurs when ejecting a droplet. Further, when the thickness is larger than this range, the cost increases when an expensive material of a platinum group element is used. In the case of using platinum as a material, the surface roughness increases when the film thickness is increased, which affects the surface roughness and crystal orientation of the oxide electrode film and PZT produced thereon. This causes a problem that sufficient displacement for ink ejection cannot be obtained.

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としてはSrRuO(単にSROと称することもある)用いることが好ましい。他に、Sr(A)(1−x)Ru(B)(1−y)、A=Ba、Ca、B=Co、Ni、x、y=0〜0.5で記述されるような材料についても挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。なお、スパッタ条件によってSrRuO薄膜の膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、第1電極のPt(111)にならってSrRuO膜についても(111)配向させるためには、成膜温度については500[℃]以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
[Oxide electrode film]
As a material for the oxide electrode film, it is preferable to use SrRuO 3 (sometimes simply referred to as SRO). Otherwise, Sr x (A) (1-x) Ru y (B) (1-y) , A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5 Also mentioned are other materials. The film forming method is produced by sputtering. The film quality of the SrRuO 3 thin film varies depending on the sputtering conditions. In particular, in order to place the SrRuO 3 film in the (111) orientation in accordance with the Pt (111) of the first electrode, in particular, the crystal orientation is important. Is preferably formed by heating the substrate at 500 [° C.] or higher.

例えば、特許第3782401号公報に記載のSRO成膜条件について、室温成膜でその後、RTA処理にて結晶化温度(650[℃])で熱酸加する場合、SRO膜としては、十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向しやすくなる。   For example, with respect to the SRO film formation conditions described in Japanese Patent No. 3784401, when thermal acidification is performed at a crystallization temperature (650 [° C.]) by RTA treatment after film formation at room temperature, the SRO film is sufficiently crystallized. Although a sufficient value is obtained as the specific resistance as an electrode, (110) is likely to be preferentially oriented as the crystal orientation of the film, and (110) orientation is also easy for PZT formed thereon. Become.

Pt(111)上に作製したSRO結晶性については、PtとSROで格子定数が近いため、通常のθ−2θ測定では、SRO(111)とPt(111)の2θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ptについては消滅則の関係からPsi=35°傾けた2θが約32°付近の位置には回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Psi方向を約35°傾けて、2θが約32°付近のピーク強度で判断することでSROが(111)に優先配向しているかを確認することができる。   Regarding SRO crystallinity produced on Pt (111), since the lattice constants of Pt and SRO are close to each other, in the normal θ-2θ measurement, the 2θ positions of SRO (111) and Pt (111) are overlapped, so that discrimination is possible. difficult. With respect to Pt, diffraction lines cancel each other at a position where 2θ tilted by Psi = 35 ° is about 32 ° due to the disappearance rule, and no diffraction intensity is observed. Therefore, it is possible to confirm whether the SRO is preferentially oriented to (111) by inclining the Psi direction by about 35 ° and judging from the peak intensity where 2θ is about 32 °.

図4に、2θ=32°に固定し、Psiを振ったときの測定結果の例を示す。Psi=0°ではSRO(110)ではほとんど回折強度が見られず、Psi=35°付近において、回折強度が見られることから、本成膜条件にて作製したものについては、SROが(111)配向していることが確認できる。また、上述の室温成膜+RTA処理により作製されたSROについては、Psi=0°のときにSRO(110)の回折強度が見られる。   FIG. 4 shows an example of a measurement result when 2θ = 32 ° is fixed and Psi is shaken. At Psi = 0 °, almost no diffraction intensity is observed at SRO (110), and diffraction intensity is observed at around Psi = 35 °. It can be confirmed that it is oriented. In addition, regarding the SRO produced by the above-described room temperature film formation + RTA process, the diffraction intensity of SRO (110) is observed when Psi = 0 °.

また、圧電アクチュエータとして連続動作したときに、駆動させた後の変位量が、初期変位に比べてどのくらい劣化したかを見積もったところ、PZTの配向性が非常に影響しており、(110)では変位劣化抑制において不十分である。さらにSRO膜の表面粗さを見たときに、成膜温度に影響し、室温から300[℃]では表面粗さが非常に小さく2[nm]以下になる。粗さについてはAFMにより測定される表面粗さ(平均粗さ)を指標としている。   In addition, when the amount of displacement after being driven was estimated to be deteriorated compared to the initial displacement when continuously operating as a piezoelectric actuator, the orientation of PZT has a great influence. (110) Insufficient displacement suppression is insufficient. Further, when the surface roughness of the SRO film is observed, the film formation temperature is affected, and the surface roughness is very small from room temperature to 300 [° C.] and becomes 2 [nm] or less. As for the roughness, the surface roughness (average roughness) measured by AFM is used as an index.

表面粗さとしては、非常にフラットにはなっているが結晶性が十分でなく、その後成膜したPZTの圧電アクチュエータとしての初期変位や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。表面粗さとしては、4〜15[nm]になっていることが好ましく、6〜10[nm]がさらに好ましい。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。したがって、上述に示すような、結晶性や表面粗さを得るためには、成膜温度としては500〜700[℃]、好ましくは520〜600[℃]の範囲で成膜を実施している。   Although the surface roughness is very flat, the crystallinity is not sufficient, and sufficient characteristics cannot be obtained with respect to initial displacement as a piezoelectric actuator of PZT formed after that and displacement deterioration after continuous driving. . The surface roughness is preferably 4 to 15 [nm], and more preferably 6 to 10 [nm]. If this range is exceeded, the dielectric breakdown voltage of the PZT deposited thereafter is very poor and leaks easily. Therefore, in order to obtain the crystallinity and the surface roughness as described above, the film formation temperature is 500 to 700 [° C.], preferably 520 to 600 [° C.]. .

成膜後のSrとRuの組成比については、Sr/Ruが0.82以上1.22以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなる。   Regarding the composition ratio of Sr and Ru after film formation, Sr / Ru is preferably 0.82 or more and 1.22 or less. If it is out of this range, the specific resistance increases, and sufficient conductivity as an electrode cannot be obtained.

さらに、SRO膜の膜厚としては、40〜150[nm]が好ましく、50〜80[んm]がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や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場合があり、また、PZTのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなる。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。   Furthermore, the film thickness of the SRO film is preferably 40 to 150 [nm], and more preferably 50 to 80 [m]. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics may not be obtained for initial displacement and displacement deterioration after continuous driving, and a function as a stop etching layer for suppressing overetching of PZT is also obtained. It becomes difficult. If this range is exceeded, the dielectric breakdown voltage of the PZT deposited thereafter is very poor and leaks easily.

また比抵抗としては、5×10−3[Ω・cm]以下になっていることが好ましく、さらに1×10−3[Ω・cm]以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると十分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。 The specific resistance is preferably 5 × 10 −3 [Ω · cm] or less, and more preferably 1 × 10 −3 [Ω · cm] or less. If it is larger than this range, a sufficient current cannot be supplied, and a problem occurs when ink is ejected.

〔圧電体(電気機械変換膜)〕
圧電体162の材料としては、PZTを主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO)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(Zr0.53,Ti0.47)O、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。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,Ba)(Zr,Ti)O、(Pb1−x,Sr)(Zr,Ti)O、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。
[Piezoelectric body (electromechanical conversion film)]
As a material of the piezoelectric body 162, PZT was mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 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 a chemical formula, Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , general PZT (53/47) It is indicated. Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there. These materials are described by the general formula ABO 3 , and A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and a composite oxide mainly composed of Nb. Specifically, (Pb1-x, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O 3 , which partially replaces Pb of the A site with Ba or Sr. This 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.

圧電体162の作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーター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(リソエッチともいう)等により所望のパターンを得る。PZTをゾルゲル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ることで、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、添加してもよい。   As a method for manufacturing the piezoelectric body 162, 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 (also called lithoetching) or the like. When PZT is produced by the sol-gel method, a PZT precursor solution can be 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. 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.

基板14の全面に圧電体162の膜(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。   When the film of the piezoelectric body 162 (PZT film) is obtained on the entire surface of the substrate 14, 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.

圧電体162の膜厚としては0.5[μm]以上5[μm]以下の範囲が好ましく、1[μm]以上2[μm]以下の範囲がより好ましい。この範囲より小さいと十分な変形(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。   The film thickness of the piezoelectric body 162 is preferably in the range of 0.5 [μm] to 5 [μm], and more preferably in the range of 1 [μm] to 2 [μm]. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate sufficient deformation (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.

また、圧電体162の比誘電率としては600以上2000以下の範囲になっていることが好ましく、さらに1200以上1600以下の範囲になっていることが好ましい。このとき、この範囲よりも小さいときには十分な変形(変位)特性が得られず、この範囲より大きくなると、分極処理が十分行われず、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といった不具合が発生する。   The relative permittivity of the piezoelectric body 162 is preferably in the range of 600 to 2000, and more preferably in the range of 1200 to 1600. At this time, when it is smaller than this range, sufficient deformation (displacement) characteristics cannot be obtained, and when it is larger than this range, polarization processing is not performed sufficiently, and sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving. A malfunction occurs.

〔上部電極(個別電極)〕
上部電極(個別電極)163は、下部電極材料層とは異なり、圧電体162の膜を形成する際のような高温のプロセスが後の工程で無く、圧電体162の膜との格子定数マッチングも必要とならないため材料選択幅が下部電極161に比較し広くなる。上部電極163においては、白金膜、イリジウムや金などの金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極の積層膜を利用することもできる。
[Upper electrode (individual electrode)]
Unlike the lower electrode material layer, the upper electrode (individual electrode) 163 is not subjected to a high-temperature process such as that for forming the film of the piezoelectric body 162 and the lattice constant matching with the film of the piezoelectric body 162 is not performed later. Since it is not necessary, the material selection width is wider than that of the lower electrode 161. For the upper electrode 163, a platinum film, a metal electrode such as iridium or gold can be used. A laminated film of an oxide electrode layer and a metal electrode can also be used.

上部電極163としては、金属もしくは酸化物と金属からなっていることが好ましい。以下に酸化物電極膜及び金属電極膜の詳細について記載する。   The upper electrode 163 is preferably made of metal or oxide and metal. Details of the oxide electrode film and the metal electrode film are described below.

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としては、前述の下部電極(共通電極)161で使用した酸化物電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。酸化物電極膜は、例えばスパッタ法等の成膜方法により作製することができる。酸化物電極膜の膜厚としては、20[nm]以上80[nm]以下の範囲が好ましく、40[nm]以上60[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変形(変位)や変形(変位)の劣化特性については十分な特性が得られない。また、この範囲を超えると、その後に成膜したPZT膜の絶縁耐圧が悪くなり、リークしやすくなる。
[Oxide electrode film]
Examples of the material for the oxide electrode film include the same materials as those described for the oxide electrode film used in the lower electrode (common electrode) 161 described above. The oxide electrode film can be produced by a film forming method such as sputtering. The thickness of the oxide electrode film is preferably in the range of 20 [nm] to 80 [nm], and more preferably in the range of 40 [nm] to 60 [nm]. If the thickness is less than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for the deterioration characteristics of initial deformation (displacement) and deformation (displacement). On the other hand, if it exceeds this range, the withstand voltage of the PZT film formed thereafter deteriorates and leaks easily.

〔金属電極膜〕
金属電極膜の材料等については、前述の下部電極(共通電極)161で使用した金属電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。金属電極膜の膜厚としては30[nm]以上200[nm]以下の範囲が好ましく、50[nm]以上120[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、上部電極(個別電極)163として十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出する際に不具合が発生する。また、上記範囲より厚いと、白金族元素の高価な材料を使用する場合にコストアップとなる。また、白金を材料とした場合に膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して配線などを作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなる。
[Metal electrode film]
Examples of the material for the metal electrode film include the same materials as those described for the metal electrode film used in the lower electrode (common electrode) 161 described above. The thickness of the metal electrode film is preferably in the range of 30 [nm] to 200 [nm], and more preferably in the range of 50 [nm] to 120 [nm]. When the thickness is smaller than this range, a sufficient current cannot be supplied as the upper electrode (individual electrode) 163, and a problem occurs when ejecting a droplet. On the other hand, when the thickness is larger than the above range, the cost increases when an expensive material of a platinum group element is used. In addition, when platinum is used as the material, the surface roughness increases when the film thickness is increased, and process defects such as film peeling are likely to occur when wiring is formed through an insulating protective film. .

〔第1の絶縁保護膜〕
成膜・エッチングの工程による圧電素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、第1の絶縁保護膜17の材料は緻密な無機材料とする必要がある。また、第1の絶縁保護膜17として有機材料を用いる場合は、十分な保護性能を得るために膜厚を厚くする必要があるため、適さない。第1の絶縁保護膜17を厚い膜とした場合、振動板15の振動を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまう。薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物,窒化物,炭化膜を用いるのが好ましいが、第1の絶縁保護膜17の下地となる電極材料、圧電体材料及び振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、第1の絶縁保護膜17の成膜法も、圧電素子16を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第1の絶縁保護膜17の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法などが例示できるが、使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。好ましい材料としては、Al,ZrO,Y2O,Ta,TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特にALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制することができる。
[First insulating protective film]
The material of the first insulating protective film 17 needs to be a dense inorganic material because it is necessary to select a material that prevents moisture in the atmosphere from being transmitted through while preventing damage to the piezoelectric element due to the film formation / etching process. There is. Further, when an organic material is used for the first insulating protective film 17, it is not suitable because it is necessary to increase the film thickness in order to obtain sufficient protection performance. When the first insulating protective film 17 is a thick film, the vibration of the diaphragm 15 is remarkably hindered, resulting in a droplet discharge head having a low discharge performance. In order to obtain high protection performance with a thin film, it is preferable to use an oxide, nitride, or carbide film. However, the electrode material, the piezoelectric material, and the diaphragm material serving as the base of the first insulating protective film 17 have adhesiveness. It is necessary to select a high material. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the piezoelectric element 16 as a method for forming the first insulating protective film 17. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing a plasma to collide with a target material and flying away is not preferable. Examples of a preferable film formation method for the first insulating protective film 17 include an evaporation method and an ALD (Atomic Layer Deposition) method, but an ALD method with a wide range of materials that can be used is preferable. Preferred materials, Al 2 O 3, ZrO 2 , Y2O 3, Ta 2 O 3, an oxide film used in the ceramic material, such as TiO 2 can be cited as examples. In particular, by using the ALD method, a thin film having a very high film density can be produced and damage in the process can be suppressed.

第1の絶縁保護膜17の膜厚は、圧電素子16の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板15の変形(変位)を阻害しないように可能な限り薄くする必要がある。第1の絶縁保護膜17の膜厚は、20[nm]以上100[nm]以下の範囲が好ましい。100[nm]より厚い場合は、振動板15の変形(変位)量が低下するため、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなる。一方、20[nm]より薄い場合は、圧電素子16の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子16の性能が前述の通り低下してしまう。   The film thickness of the first insulating protective film 17 needs to be thin enough to ensure the protection performance of the piezoelectric element 16, and at the same time, it is made as thin as possible so as not to inhibit the deformation (displacement) of the diaphragm 15. There is a need. The thickness of the first insulating protective film 17 is preferably in the range of 20 [nm] to 100 [nm]. When the thickness is greater than 100 [nm], the deformation (displacement) amount of the vibration plate 15 is reduced, so that a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained. On the other hand, when the thickness is smaller than 20 [nm], the function of the piezoelectric element 16 as a protective layer is insufficient, so that the performance of the piezoelectric element 16 is deteriorated as described above.

〔第2の絶縁保護膜〕
第2の絶縁保護膜18としては、任意の酸化物,窒化物,炭化物又はこれらの複合化合物を用いることができ、また、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることもできる。第2の絶縁保護膜18の成膜は任意の手法を用いることができ、例えばCVD法、スパッタリング法、ALD法等が例示できる。電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。第2の絶縁保護膜18の膜厚は共通電極(下部電極)161と個別電極の配線22との間に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち第2の絶縁保護膜18に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、第2の絶縁保護膜18の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、第2の絶縁保護膜18の膜厚は200[nm]以上必要であり、さらに好ましくは500[nm]以上である。
[Second insulating protective film]
As the second insulating protective film 18, any oxide, nitride, carbide, or composite compound thereof can be used, and SiO 2 generally used in semiconductor devices can also be used. Arbitrary methods can be used for forming the second insulating protective film 18, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, and an ALD method. It is preferable to use a CVD method capable of forming an isotropic film in consideration of the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion. The film thickness of the second insulating protective film 18 needs to be a film thickness that does not cause dielectric breakdown by a voltage applied between the common electrode (lower electrode) 161 and the wiring 22 of the individual electrode. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the second insulating protective film 18 within a range that does not cause dielectric breakdown. Furthermore, in consideration of the surface property of the base of the second insulating protective film 18, pinholes, etc., the thickness of the second insulating protective film 18 needs to be 200 [nm] or more, more preferably 500 [nm] or more. It is.

〔配線、パッド電極〕
配線21、22及びパッド電極の材料は、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。これらの電極の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、0.1[μm]以上20[μm]以下の範囲が好ましく、0.2[μm]以上10[μm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなりヘッド吐出が不安定になる。一方、この範囲より大きいとプロセス時間が長くなる。また、下部電極161及び上部電極163に接続されるコンタクトホール部(例えば10[μm]×10[μm])での接触抵抗としては、共通電極である下部電極161に対して10[Ω]以下、個別電極である上部電極163に対して1[Ω]以下が好ましい。さらに好ましくは、下部電極161に対して5[Ω]以下、上部電極163に対して0.5[Ω]以下である。この範囲を超えると十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出をする際に不具合が発生する。
[Wiring, pad electrode]
The material of the wirings 21 and 22 and the pad electrode is preferably a metal electrode material made of Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, or Ir. As a method for manufacturing these electrodes, a sputtering method or a spin coating method is used, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like. The film thickness is preferably in the range of 0.1 [μm] to 20 [μm], and more preferably in the range of 0.2 [μm] to 10 [μm]. If it is smaller than this range, the resistance becomes large, and a sufficient current cannot flow through the electrodes, making the head ejection unstable. On the other hand, if it is larger than this range, the process time becomes longer. Further, the contact resistance in the contact hole portion (for example, 10 [μm] × 10 [μm]) connected to the lower electrode 161 and the upper electrode 163 is 10 [Ω] or less with respect to the lower electrode 161 that is a common electrode. The upper electrode 163 that is an individual electrode is preferably 1 [Ω] or less. More preferably, it is 5 [Ω] or less for the lower electrode 161 and 0.5 [Ω] or less for the upper electrode 163. If it exceeds this range, it will not be possible to supply a sufficient current, and problems will occur when discharging droplets.

〔第3の絶縁保護膜〕
第3の絶縁保護膜19としての機能は、共通電極用の配線21や個別電極用の配線22の保護層としての機能を有するパッシベーション層である。図2に示したように、上部電極163の引き出し部と、下部電極161の引き出し部(コンタクトホール18a)と、を除き、上部電極163及び下部電極161を被覆する。これにより、電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)とすることができる。第3の絶縁保護膜19の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし、有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、パターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。また、膜厚は200[nm]以上とすることが好ましく、さらに好ましくは500[nm]以上である。膜厚が薄い場合は十分なパッシベーション機能を発揮できないため、配線材料の腐食による断線が発生し、インクジェットの信頼性を低下させてしまう。
[Third insulating protective film]
The function as the third insulating protective film 19 is a passivation layer having a function as a protective layer of the common electrode wiring 21 and the individual electrode wiring 22. As shown in FIG. 2, the upper electrode 163 and the lower electrode 161 are covered except for the lead portion of the upper electrode 163 and the lead portion of the lower electrode 161 (contact hole 18a). Thereby, an inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable droplet discharge head (inkjet head) can be obtained. As the material of the third insulating protective film 19, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, an organic material is not suitable for patterning because it needs to be a thick film. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a proven technology for semiconductor devices. The film thickness is preferably 200 [nm] or more, and more preferably 500 [nm] or more. When the film thickness is thin, a sufficient passivation function cannot be exhibited, so that disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and the reliability of the ink jet is lowered.

また、圧電素子16上とその周囲の振動板15上に開口部をもつ構造が好ましい。これは、前述の第1の絶縁保護膜17の液室13に対応した領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)とすることが可能になる。第1,第2の絶縁保護膜17,18で圧電素子16が保護されているため、第3の絶縁保護膜19の開口部の形成には、フォトリソグラフィー法とドライエッチングを用いることができる。なお、パッド電極の面積については、50×50[μm]以上になっていることが好ましく、さらに100×300[μm]以上になっていることが好ましい。 Further, a structure having openings on the piezoelectric element 16 and the surrounding diaphragm 15 is preferable. This is the same reason that the region corresponding to the liquid chamber 13 of the first insulating protective film 17 is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head (inkjet head) can be obtained. Since the piezoelectric element 16 is protected by the first and second insulating protective films 17 and 18, a photolithography method and dry etching can be used to form the opening of the third insulating protective film 19. Note that the area of the pad electrode is preferably 50 × 50 [μm 2 ] or more, and more preferably 100 × 300 [μm 2 ] or more.

(液滴吐出ヘッドの製造プロセス)
次に、前提となる液滴吐出ヘッド1の製造方法例について説明する。図5は、液滴吐出ヘッド1の製造プロセスの一例を説明するためのフローチャートである。
(Droplet ejection head manufacturing process)
Next, an example of a manufacturing method of the droplet discharge head 1 as a premise will be described. FIG. 5 is a flowchart for explaining an example of the manufacturing process of the droplet discharge head 1.

まず、基板14上に、振動板15を形成する(ステップS1)。基板14としては、例えば625[μm]厚のシリコンウェハが用いられる。この基板14上に、振動板15が、熱酸化膜や、例えばCVD法によって形成されるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコン膜などの所望の構成にて形成されている。   First, the diaphragm 15 is formed on the substrate 14 (step S1). As the substrate 14, for example, a silicon wafer having a thickness of 625 [μm] is used. A vibration plate 15 is formed on the substrate 14 in a desired configuration such as a thermal oxide film, a silicon oxide film formed by, for example, a CVD method, a silicon nitride film, or a polysilicon film.

次に、振動板15上に圧電素子16を形成する。詳しくは、圧電素子16は、共通電極である下部電極の成膜(ステップS2)、圧電体162であるPZT膜の成膜(ステップS3)、個別電極である上部電極163の成膜(ステップS4)の順に行われる。   Next, the piezoelectric element 16 is formed on the vibration plate 15. Specifically, in the piezoelectric element 16, a lower electrode that is a common electrode is formed (step S2), a PZT film that is a piezoelectric body 162 is formed (step S3), and an upper electrode 163 that is an individual electrode is formed (step S4). ) In this order.

上記ステップS2の下部電極の成膜は、具体的には、まず、密着膜として、チタン膜(膜厚30[nm])をスパッタ装置にて成膜した後にRTAを用いて750[℃]にて熱酸化した。   Specifically, in the formation of the lower electrode in step S2, a titanium film (film thickness 30 [nm]) is first formed as an adhesion film with a sputtering apparatus, and then the temperature is set to 750 [° C.] using RTA. And thermally oxidized.

そして、引き続き金属膜として白金膜(膜厚100[nm])を成膜した。白金膜上に酸化チタン膜を形成する。白金膜上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてRTAを用いて650〜750[℃]、1〜5分、O雰囲気でチタン膜を熱酸化させて、酸化チタン膜とさせる。チタン膜の膜厚は、30〜70オングストロームとするのが好ましい。 Subsequently, a platinum film (film thickness 100 [nm]) was formed as a metal film. A titanium oxide film is formed on the platinum film. A titanium film is formed on the platinum film by sputtering. Subsequently, the titanium film is thermally oxidized in an O 2 atmosphere at 650 to 750 [° C.] for 1 to 5 minutes using RTA to form a titanium oxide film. The thickness of the titanium film is preferably 30 to 70 angstroms.

上記ステップS3では、ゾルゲル法によってPZT膜が所望の厚みに成膜される。   In step S3, a PZT film is formed to a desired thickness by a sol-gel method.

上記ステップS4の上部電極の成膜は、具体的には、酸化物膜としてSrRuO膜(膜厚20[nm])を、金属膜としてPt膜(膜厚100[nm])を、それぞれスパッタ成膜した。 Specifically, the upper electrode in step S4 is formed by sputtering a SrRuO 3 film (film thickness 20 [nm]) as an oxide film and a Pt film (film thickness 100 [nm]) as a metal film, respectively. A film was formed.

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。その後、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合方式)エッチング装置(サムコ株式会社製)を用いてPZT膜、上部電極をエッチングにより個別化し、パターンを作製した(ステップS5)。これにより、上部電極163は個別電極として機能する。   Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by spin coating, and a resist pattern was formed by ordinary photolithography. Thereafter, the PZT film and the upper electrode were individualized by etching using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus (manufactured by Samco Co., Ltd.) to produce a pattern (step S5). Thereby, the upper electrode 163 functions as an individual electrode.

次いで、同様の方法で、フォトリソグラフィーでレジストパターンを形成し、エッチングにより下部電極のパターンを作製する(ステップS6)。下部電極161は、PZT膜、上部電極のようには個別化されず、複数の圧電体162及び上部電極163に対して共通電極として機能するようパターニングする。   Next, in the same manner, a resist pattern is formed by photolithography, and a lower electrode pattern is formed by etching (step S6). The lower electrode 161 is not individualized like the PZT film and the upper electrode, and is patterned so as to function as a common electrode for the plurality of piezoelectric bodies 162 and the upper electrode 163.

次に、第1の絶縁保護膜17として、ALD法によりAl膜を成膜した(ステップS7)。この第1の絶縁保護膜17は、水素等のプロセスダメージから圧電素子16を保護するバリア層として機能する。第1の絶縁保護膜17(バリア層)としてALD法により成膜したAlを用いることにより、透湿性の低い良質なバリア層を得ることができる。 Next, an Al 2 O 3 film was formed as the first insulating protective film 17 by the ALD method (step S7). The first insulating protective film 17 functions as a barrier layer that protects the piezoelectric element 16 from process damage such as hydrogen. By using Al 2 O 3 formed by the ALD method as the first insulating protective film 17 (barrier layer), a good barrier layer with low moisture permeability can be obtained.

また、バリア層として機能する第1の絶縁保護膜17の膜厚は、30[nm]以上、80[nm]以下の範囲であることが好ましい。これにより、第1の絶縁保護膜17がバリア層として十分なバリア性を有しつつ、圧電素子16のアクチュエータとしての機能を維持することができる。   The thickness of the first insulating protective film 17 functioning as a barrier layer is preferably in the range of 30 [nm] to 80 [nm]. Accordingly, the function of the piezoelectric element 16 as an actuator can be maintained while the first insulating protective film 17 has a sufficient barrier property as a barrier layer.

また、基板14表面と第1の絶縁保護膜17(バリア層)の側壁とのなす角度であるテーパ角は、基板14表面と圧電素子16の側壁面とのなすテーパ角よりも小さいことが望ましい。これにより、圧電素子16の端部における応力の集中が緩和され、長寿命化を図ることができ、信頼性が向上する。   The taper angle, which is the angle formed between the surface of the substrate 14 and the side wall of the first insulating protective film 17 (barrier layer), is preferably smaller than the taper angle formed between the surface of the substrate 14 and the side wall surface of the piezoelectric element 16. . Thereby, the concentration of stress at the end of the piezoelectric element 16 is alleviated, the life can be extended, and the reliability is improved.

次に、第2の絶縁保護膜18としてSiO層間膜を成膜した(ステップS8)。このように層間膜であるSiOを利用することで、新たな工程を加えることなく、第1の絶縁保護膜17(バリア層)のうち圧電素子16の側壁面を覆っている部分に更に第2の保護膜を形成することができる。従って、生産効率の低下や製造コストの上昇を防ぐことができる。また、後工程のフォトリソグラフィー・エッチング工程で、圧電素子16の側壁面をレジストでマスクした状態でエッチング処理することにより、第1の絶縁保護膜17(バリア層)のうち圧電素子16の側壁面を覆っている部分にSiO層間膜を残留させる。これにより、第1の絶縁保護膜17(バリア層)のオーバーエッチングをより確実に防ぐことができる。 Next, a SiO 2 interlayer film was formed as the second insulating protective film 18 (step S8). In this way, by using SiO 2 that is an interlayer film, the first insulating protective film 17 (barrier layer) is further added to the portion covering the side wall surface of the piezoelectric element 16 without adding a new process. 2 protective films can be formed. Therefore, it is possible to prevent a decrease in production efficiency and an increase in manufacturing cost. Further, in the subsequent photolithography / etching step, the side wall surface of the piezoelectric element 16 in the first insulating protective film 17 (barrier layer) is etched by etching the side wall surface of the piezoelectric element 16 masked with a resist. The SiO 2 interlayer film is left in the portion covering the film. Thereby, over-etching of the first insulating protective film 17 (barrier layer) can be prevented more reliably.

上記SiO層間膜の膜厚は、10[nm]以上500[nm]以下の範囲が好ましい。10[nm]よりも薄いと十分なエッチング耐性を確保できない。一方、500[nm]よりも厚いと圧電素子16が変形し難くなり、アクチュエータとしての機能を維持できなくなるおそれがある。 The thickness of the SiO 2 interlayer film is preferably in the range of 10 nm to 500 nm. If it is thinner than 10 [nm], sufficient etching resistance cannot be secured. On the other hand, if the thickness is larger than 500 [nm], the piezoelectric element 16 is difficult to deform, and the function as an actuator may not be maintained.

その後、エッチングによりコンタクトホール18aを形成した(ステップS9)。そして、配線を形成するためにAlをスパッタにより成膜した(ステップS10)。また、上記ステップS8で成膜したAlをエッチングしてパターニング形成した(ステップS11)。   Thereafter, a contact hole 18a was formed by etching (step S9). And in order to form wiring, Al was formed into a film by sputtering (step S10). Further, the Al film formed in Step S8 was etched and patterned (Step S11).

さらにその後、第3の絶縁保護膜19としてSiNパッシベーション層を成膜し、エッチング処理を行った(ステップS12,13)   Thereafter, a SiN passivation layer is formed as the third insulating protective film 19 and an etching process is performed (steps S12 and S13).

最後に、振動板にインク供給口34となる貫通孔をエッチングにより形成した(ステップS14)。   Finally, a through hole that becomes the ink supply port 34 was formed in the diaphragm by etching (step S14).

このようにして形成された、基板14と、振動板15と、圧電素子16と、各種電極とを含む複合積層基板は、アクチュエータ基板30(第1の基板)と呼ばれる電気機械変換部材である。基板14を除く振動板15および圧電素子16を電気機械変換部材と呼ぶこともある。また、ここまで説明した電気機械変換部材の各層の材料や膜厚等の数値は、一例であってこれに限られるものではない。   The composite laminated substrate including the substrate 14, the vibration plate 15, the piezoelectric element 16, and various electrodes formed in this manner is an electromechanical conversion member called an actuator substrate 30 (first substrate). The diaphragm 15 and the piezoelectric element 16 excluding the substrate 14 may be called electromechanical conversion members. The numerical values such as the material and film thickness of each layer of the electromechanical conversion member described so far are only examples, and the present invention is not limited thereto.

(振動板、下部電極)
以下、振動板および下部電極に特徴を有する本実施形態に係る電気機械変換部材について説明する。
(Diaphragm, lower electrode)
Hereinafter, the electromechanical conversion member according to the present embodiment, which is characterized by the diaphragm and the lower electrode, will be described.

上述したように、レジスト剥離処理において、下部電極の剥がれが発生してしまうことで、歩留りが低下する問題がある。この下部電極の隅部の剥がれは、剥離液が応力集中する隅部に直接吐出されることが原因と思われる。剥がれは面積の大きい下部電極(共通電極)に顕在化する。   As described above, in the resist stripping process, there is a problem that the yield is lowered due to the peeling of the lower electrode. The peeling of the corners of the lower electrode seems to be caused by the fact that the stripping solution is directly discharged to the corners where the stress is concentrated. Peeling becomes apparent on the lower electrode (common electrode) having a large area.

これに対し、図6に示すように、共通電極としての下部電極161の隅部をラウンド形状とする構成が考えられている。このような構成とすることで剥離液によるレジスト剥離処理において、剥離液はラウンド形状に沿った方向のみから下部電極161の隅部にアタックするため、隅部が角状の構成と比べて、剥離液が下部電極161の下面と振動板15との間に侵入し難くなる。このため、下部電極161が振動板15から剥がれ難くすることができ、その結果、信頼性の高いアクチュエータ基板30とすることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the structure which makes the corner part of the lower electrode 161 as a common electrode round shape is considered. With this configuration, in the resist stripping process using the stripping solution, the stripping solution attacks the corners of the lower electrode 161 only from the direction along the round shape. It becomes difficult for the liquid to enter between the lower surface of the lower electrode 161 and the diaphragm 15. For this reason, the lower electrode 161 can be made difficult to peel off from the diaphragm 15, and as a result, the actuator substrate 30 having high reliability can be obtained.

しかしながら、本願発明者の検討によれば、下部電極161の隅部をラウンド形状とすることでは、剥がれの発生を無くすことまではできず、更なる改善の余地があることを知見した。   However, according to the study by the inventors of the present application, it has been found that by making the corner of the lower electrode 161 round, it is not possible to eliminate the occurrence of peeling, and there is room for further improvement.

そこで、本実施形態に係る電気機械変換部材(アクチュエータ基板30)は、液室(液室13)の一面を形成する振動板(振動板15)と、該振動板上に下部電極(下部電極161)、圧電体(圧電体162)、上部電極(上部電極163)がこの順に形成された電気機械変換素子(圧電素子16)と、を備え、下部電極は、液室が並設される方向に亘って連続的に設けられることで電気機械変換素子の共通電極となる電気機械変換部材において、振動板の液室の形成領域(液室形成領域13a)以外の位置に該振動板の深さ方向に凹部(凹部15a)が形成されるとともに、下部電極が凹部に入りこんだ形状(アンカー部161a)を有するものである(図7等)。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。   Therefore, the electromechanical conversion member (actuator substrate 30) according to the present embodiment includes a vibration plate (vibration plate 15) that forms one surface of the liquid chamber (liquid chamber 13), and a lower electrode (lower electrode 161) on the vibration plate. ), A piezoelectric body (piezoelectric body 162), and an electromechanical transducer (piezoelectric element 16) in which an upper electrode (upper electrode 163) is formed in this order, and the lower electrode is arranged in a direction in which liquid chambers are arranged in parallel. In the electromechanical conversion member that is continuously provided over the electromechanical conversion element and is provided as a common electrode, in the depth direction of the vibration plate at a position other than the liquid chamber formation region (liquid chamber formation region 13a) of the vibration plate A concave portion (concave portion 15a) is formed in the lower electrode, and a shape (anchor portion 161a) in which the lower electrode enters the concave portion (FIG. 7 and the like). In addition, the code | symbol in embodiment and the example of application are shown in a parenthesis.

図7は2ビットのアクチュエータ基板30の液室の配列方向の断面図である。アクチュエータ基板30は、振動板15を形成した後、下部電極161、圧電体162、上部電極163を順に成膜し、次に、上部電極163、圧電体162を順にリソエッチ法で所望のパターンを形成する。次いで、下部電極161をリソエッチ法で所望のパターンを形成する。   FIG. 7 is a sectional view of the liquid chamber of the 2-bit actuator substrate 30 in the arrangement direction. After the diaphragm 15 is formed, the actuator substrate 30 forms the lower electrode 161, the piezoelectric body 162, and the upper electrode 163 in order, and then forms the desired pattern in the upper electrode 163 and the piezoelectric body 162 in order by the lithoetch method. To do. Next, a desired pattern is formed on the lower electrode 161 by a lithoetch method.

この時、振動板15を形成した後、下部電極161(下部電極層)の成膜前に、振動板15における圧電素子16の駆動部となる液室13の上部に相当する領域(液室形成領域13a)を除く位置に、振動板15の深さ方向の窪みである凹部15aを形成するようにする。そして、下部電極161の成膜において、振動板15に形成された凹部15aに下部電極161の層が入り込むようにしている。下部電極161の振動板15の凹部15aに入り込んだ部分をアンカー部161aという。   At this time, after the vibration plate 15 is formed and before the lower electrode 161 (lower electrode layer) is formed, a region (liquid chamber formation) corresponding to the upper portion of the liquid chamber 13 serving as the driving unit of the piezoelectric element 16 in the vibration plate 15 A recess 15a, which is a depression in the depth direction of the diaphragm 15, is formed at a position excluding the region 13a). In the formation of the lower electrode 161, the layer of the lower electrode 161 enters the recess 15 a formed in the vibration plate 15. The portion of the lower electrode 161 that enters the recess 15a of the diaphragm 15 is referred to as an anchor portion 161a.

凹部15aは、例えば、下部電極161のパターンの角部(4隅)の相当位置(図12)や、下部電極161のパターンの周縁部の相当位置に沿って形成されている(図14)ことが好ましい。凹部15aの形状は、溝形状に限られるものではなく、四角形、丸型、楕円、スリット状等であってもよい。   The recesses 15a are formed, for example, along the corresponding positions of the corners (four corners) of the pattern of the lower electrode 161 (FIG. 12) and the corresponding positions of the peripheral edge of the pattern of the lower electrode 161 (FIG. 14). Is preferred. The shape of the recess 15a is not limited to the groove shape, and may be a quadrangle, a round shape, an ellipse, a slit shape, or the like.

上記のように、下部電極161のパターンの角部や周縁部は膜剥がれや膜浮きが生じやすいが、凹部15aおよびアンカー部161aを設けることで、振動板15と下部電極161の界面の密着性をアンカー効果で向上させ、下部電極161の膜剥がれや膜浮きを防止することができる。   As described above, the corners and the peripheral edge of the pattern of the lower electrode 161 are liable to cause film peeling or film floating. However, by providing the concave portion 15a and the anchor portion 161a, the adhesion at the interface between the diaphragm 15 and the lower electrode 161 is achieved. Can be improved by the anchor effect, and film peeling and film floating of the lower electrode 161 can be prevented.

また、凹部15aは、下部電極161のパターンの角部や周縁部からはみ出す位置に形成されていてもよい(図13、図15)。また、凹部15aは、下部電極161のパターンの液室形成領域13a以外であれば、周縁部以外の内部側に設けられていてもよい(図16)。   Moreover, the recessed part 15a may be formed in the position which protrudes from the corner | angular part and peripheral part of the pattern of the lower electrode 161 (FIG. 13, FIG. 15). Moreover, the recessed part 15a may be provided in the inner side other than a peripheral part, if it is except the liquid chamber formation area 13a of the pattern of the lower electrode 161 (FIG. 16).

ここで、圧電素子16の駆動部となる液室形成領域13aに凹部15aおよびアンカー部16aを設けると、圧電素子16の特性が十分に活かせず、最悪の場合、凹部15aの構造的な局所応力により、圧電素子16にクラックが生じ、信頼性において課題がある。そのため、本実施形態では、圧電素子16の駆動部となる液室形成領域13a以外の特性に影響しない領域に凹部15aを設けて、下部電極161と振動板15との密着性を向上させたものである。   Here, if the concave portion 15a and the anchor portion 16a are provided in the liquid chamber forming region 13a serving as the driving portion of the piezoelectric element 16, the characteristics of the piezoelectric element 16 cannot be fully utilized, and in the worst case, the structural local stress of the concave portion 15a. As a result, a crack is generated in the piezoelectric element 16, and there is a problem in reliability. For this reason, in the present embodiment, the concave portion 15a is provided in a region other than the liquid chamber forming region 13a serving as the driving portion of the piezoelectric element 16 to improve the adhesion between the lower electrode 161 and the diaphragm 15. It is.

以上説明した本実施形態に係る電気機械変換部材によれば、下部電極161のパターンで特に剥がれ易く、かつ液室13に影響を及ぼさない領域において、下部電極161の下地に深さ方向に凹部15aを設けることで、アンカー効果により、下部電極161のパターン角部や周縁部において、膜剥がれ、膜浮きをなくすことができる。よって、歩留まりを向上させることができるとともに耐久性および信頼性の高い電気機械変換部材を得ることができる。   According to the electromechanical conversion member according to the present embodiment described above, the recess 15a is formed in the depth direction on the base of the lower electrode 161 in a region that is particularly easily peeled by the pattern of the lower electrode 161 and does not affect the liquid chamber 13. With the anchor effect, film peeling and film floating can be eliminated at the pattern corner and peripheral edge of the lower electrode 161 due to the anchor effect. Therefore, it is possible to improve the yield and obtain an electromechanical conversion member with high durability and reliability.

また、本実施形態に係る電気機械変換部材を備えた液滴吐出ヘッド1とすることで、耐久性、信頼性に優れたアクチュエータ基板30を適用しているため、信頼性が高く安定した液滴吐出ヘッドを歩留まりよく実現できる。また、液滴吐出ヘッド1を一体化したカートリッジやこの液滴吐出ヘッド1を搭載したインクジェット記録装置に提供することができる。   In addition, since the actuator substrate 30 having excellent durability and reliability is applied to the droplet discharge head 1 including the electromechanical conversion member according to the present embodiment, the droplet is highly reliable and stable. A discharge head can be realized with high yield. Further, the present invention can be provided in a cartridge in which the droplet discharge head 1 is integrated or an ink jet recording apparatus in which the droplet discharge head 1 is mounted.

以下に本発明に係る電気機械変換部材の実施例および比較例について説明する。   Examples of the electromechanical conversion member according to the present invention and comparative examples will be described below.

<実施例1>
図8は、実施例1に係る、アクチュエータ基板30を有する液滴吐出部10の液室短辺長方向の断面図である。また、図9〜図11は液滴吐出部10の製造工程の説明図である。
<Example 1>
FIG. 8 is a cross-sectional view of the liquid droplet ejection unit 10 having the actuator substrate 30 according to the first embodiment in the liquid chamber short side length direction. FIGS. 9 to 11 are explanatory diagrams of the manufacturing process of the droplet discharge section 10.

先ず、図9(A)に示すように、基板14として面方位(110)のシリコン単結晶基板(例えば、板厚400[μm])に、振動板構成膜としての振動板15、例えば、LP−CVD法でシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、あるいはアモルファスシリコン膜、シリコン窒化膜などを所望の剛性になるように成膜する。このとき、振動板15の深さ方向に凹部15aを形成する。なお、振動板15は、後のプロセスとの整合性、および振動板15としての機能が確保されていれば、単層構造であっても積層構造であってもよい。   First, as shown in FIG. 9A, a silicon single crystal substrate (for example, plate thickness 400 [μm]) having a plane orientation (110) as a substrate 14 and a diaphragm 15 as a diaphragm constituting film, for example, LP A silicon oxide film, a polysilicon film, an amorphous silicon film, a silicon nitride film, or the like is formed by a CVD method so as to have a desired rigidity. At this time, the recess 15 a is formed in the depth direction of the diaphragm 15. Note that the diaphragm 15 may have a single-layer structure or a laminated structure as long as consistency with a subsequent process and a function as the diaphragm 15 are ensured.

次いで、図9(B)に示すように、TiとPtからなる共通電極である下部電極161をスパッタ法で、例えば各々30[nm]と100[nm]成膜する。   Next, as shown in FIG. 9B, a lower electrode 161 which is a common electrode made of Ti and Pt is formed by sputtering, for example, 30 [nm] and 100 [nm], respectively.

この時、振動板15に形成された凹部15aに下部電極161の層が入り込んでアンカー部161aが形成される。なお、後の工程での段差への影響を考慮して、凹部15aの短辺幅は、下部電極161の膜厚の1/2以下の幅としておくことが好ましい。これにより、凹部15aに下部電極161の層が満たされ、段差が生じない。   At this time, the anchor electrode 161 a is formed by the layer of the lower electrode 161 entering the recess 15 a formed in the vibration plate 15. Note that the short side width of the recess 15 a is preferably set to a width equal to or less than ½ of the film thickness of the lower electrode 161 in consideration of the influence on the step in the subsequent process. As a result, the recess 15a is filled with the layer of the lower electrode 161, and no step is generated.

次いで、下部電極161上に圧電体162としてPZTを、例えばスパッタ法で2μm厚成膜する。ここで、圧電体162の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えば、イオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法、あるいはインクジェット法等などで成膜してもよい。さらに、圧電体162上に上部電極163を成膜する。   Next, a PZT film having a thickness of 2 μm is formed as a piezoelectric body 162 on the lower electrode 161 by, for example, sputtering. Here, the film formation method of the piezoelectric body 162 is not limited to the sputtering method, and may be formed by, for example, an ion plating method, an air sol method, a sol gel method, an ink jet method, or the like. Further, an upper electrode 163 is formed on the piezoelectric body 162.

次いで、図9(C)に示すように、リソエッチ法により、後に形成する液室13に対応する位置に圧電素子16を形成するため、上部電極163と圧電体162を別々にリソエッチ法でパターニングする。このときのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、ドライエッチングの場合は、イオンミリング法や反応性ドライエッチングとして塩素系ガス、あるいはフッ素系ガスでエッチングを行えばよい。その後、下部電極161も同様にリソエッチ法でパターニングする(図10(A))。   Next, as shown in FIG. 9C, in order to form the piezoelectric element 16 at a position corresponding to the liquid chamber 13 to be formed later by the lithoetch method, the upper electrode 163 and the piezoelectric body 162 are separately patterned by the lithoetch method. . The etching at this time may be dry etching or wet etching. In the case of dry etching, etching may be performed with a chlorine-based gas or a fluorine-based gas as an ion milling method or reactive dry etching. Thereafter, the lower electrode 161 is similarly patterned by the lithoetch method (FIG. 10A).

次いで、圧電体162に後の上部電極163とのコンタクトをとるための開口部をリソエッチ法で開口する。また、図10(B)に示すように、電極の外部への引出配線層と上部電極163、下部電極161の絶縁性を確保するため、プラズマCVD法でSiO膜(第2の絶縁保護膜18)を、例えば膜厚500[um]成膜し、引出配線と上部電極163、および下部電極161とをコンタクトするためのコンタクトホールを形成する。その後、引出配線、及び隔壁の一部となる層(引出配線層25)を形成するため、例えば、TiN/Alを各々膜厚30[nm]、1[um]をスパッタ法で成膜し、所望のパターンにリソエッチ法で加工する。 Next, an opening for making contact with the subsequent upper electrode 163 is opened in the piezoelectric body 162 by a lithoetch method. Further, as shown in FIG. 10B, in order to ensure insulation between the lead-out wiring layer to the outside of the electrode and the upper electrode 163 and the lower electrode 161, a SiO 2 film (second insulating protective film) is formed by plasma CVD. 18) is formed, for example, with a film thickness of 500 [um], and contact holes are formed for contacting the lead wiring with the upper electrode 163 and the lower electrode 161. Thereafter, in order to form the lead wiring and a layer (lead wiring layer 25) that becomes a part of the partition wall, for example, TiN / Al is formed into a film with a film thickness of 30 [nm] and 1 [um] by sputtering, A desired pattern is processed by a lithoetch method.

次いで、図10(C)に示すように、パッシベーション膜として、プラズマCVD法でSiN膜(第3の絶縁保護膜19)を、例えば膜厚1[um]成膜する。その後、振動板15上の液室形成領域13aのSiO膜(第2の絶縁保護膜18)とSiN膜(第3の絶縁保護膜19)をリソエッチ法で除去する。 Next, as shown in FIG. 10C, an SiN film (third insulating protective film 19) is formed as a passivation film by plasma CVD, for example, with a film thickness of 1 [um]. Thereafter, the SiO 2 film (second insulating protective film 18) and the SiN film (third insulating protective film 19) in the liquid chamber forming region 13a on the vibration plate 15 are removed by a lithoetch method.

また、共通液室となる箇所の振動板構成膜をリソエッチ法で除去する。そして次に、共通液滴供給路、液滴供給口、保護空間20aなどを形成した例えばガラス材で形成したサブフレーム20をアクチュエータ基板30に接合する(図11(A))。   Further, the diaphragm constituting film at the location that becomes the common liquid chamber is removed by a litho-etching method. Next, the subframe 20 formed of, for example, a glass material in which the common droplet supply path, the droplet supply port, the protection space 20a, and the like are formed is joined to the actuator substrate 30 (FIG. 11A).

サブフレーム20とアクチュエータ基板30の接合は、接着剤による接合や直接接合等でもかまわないが、接着剤を使わない直接接合が好適である。   The subframe 20 and the actuator substrate 30 may be joined by an adhesive or direct joining, but direct joining without using an adhesive is suitable.

また、本実施例では、サブフレーム20としてガラス材を適用したが、シリコン単結晶基板等を用いてもよい。なお、シリコン単結晶基板を用いる場合、後のアクチュエータ基板30の液室13等を形成するエッチングで基板がエッチングされないように耐性のある膜、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を共通液滴供給路内壁および、基板表面に形成しておく必要がある。   In this embodiment, a glass material is applied as the subframe 20, but a silicon single crystal substrate or the like may be used. In the case of using a silicon single crystal substrate, a common liquid droplet is supplied from a film having resistance such as a silicon oxide film or a silicon nitride film so that the substrate is not etched by etching for forming the liquid chamber 13 of the actuator substrate 30 later. It is necessary to form on the road inner wall and the substrate surface.

次いで、図11(A)に示すように、液室13、共通液室、流体抵抗部を形成するために、基板14を所望の厚さt(例えば、厚さ80[μm])になるように、公知の技術で研磨する。研磨法以外にもエッチングなどでもよい。次いで、液室13、共通液室、流体抵抗部以外の隔壁部をレジストで被覆した後、アルカリ溶液(KOH溶液、あるいはTMHA溶液)で異方性エッチングをおこない液室13、共通液室、流体抵抗部を形成する。   Next, as shown in FIG. 11A, in order to form the liquid chamber 13, the common liquid chamber, and the fluid resistance portion, the substrate 14 has a desired thickness t (for example, a thickness of 80 [μm]). Further, polishing is performed by a known technique. Etching may be used in addition to the polishing method. Next, the partition walls other than the liquid chamber 13, the common liquid chamber, and the fluid resistance portion are coated with a resist, and then anisotropic etching is performed with an alkali solution (KOH solution or TMHA solution). A resistance portion is formed.

次いで、図11(B)に示すように、各液室13に対応した位置にノズル11を開口したノズル基板12を接合して、液滴吐出部10が完成する。なお、液滴吐出部10の製造工程において、振動板15および圧電素子16製造後の工程は、特に限られるものではなく、公知の製造プロセスにて作製を行えばよい。   Next, as shown in FIG. 11B, the nozzle substrate 12 having the nozzles 11 opened is joined to the positions corresponding to the liquid chambers 13 to complete the droplet discharge section 10. In the manufacturing process of the droplet discharge unit 10, the processes after manufacturing the diaphragm 15 and the piezoelectric element 16 are not particularly limited, and may be manufactured by a known manufacturing process.

図12は、実施例1での圧電素子16の下部電極161のパターニング後の上面図である。図12に示すように、振動板15の液室形成領域13a以外の位置であって、下部電極161のパターンの角部(4隅)の相当位置に凹部15aを設け、下部電極161の成膜時に凹部15aに入り込んだアンカー部161aが形成されるようにすることで、アンカーとしての効果により、下部電極161は下地層である振動板15の表層との密着力が大きくすることができ、膜剥がれや膜浮きを防止することができる。   FIG. 12 is a top view after patterning of the lower electrode 161 of the piezoelectric element 16 in the first embodiment. As shown in FIG. 12, a recess 15 a is provided at a position other than the liquid chamber forming region 13 a of the vibration plate 15 at a position corresponding to a corner (four corners) of the pattern of the lower electrode 161, and the lower electrode 161 is formed. By forming the anchor portion 161a that sometimes enters the concave portion 15a, the lower electrode 161 can increase the adhesion with the surface layer of the diaphragm 15 that is the base layer due to the effect as an anchor, and the film Peeling and film floating can be prevented.

<実施例2>
以下の実施例の説明においては、実施例1と同様の点は説明を省略する。実施例2では、図13に示すように、凹部15aを下部電極161のパターンの角部(4隅)の相当位置において、パターンからはみ出すように設けている。
<Example 2>
In the following description of the embodiment, the description of the same points as in the first embodiment will be omitted. In the second embodiment, as shown in FIG. 13, the recess 15 a is provided so as to protrude from the pattern at a position corresponding to the corner (four corners) of the pattern of the lower electrode 161.

実施例2によれば、凹部15aと下部電極161のパターンの端部の位置関係がずれた場合でも、アンカー効果を確保することができ、安定したアンカー効果が得られ、膜剥がれや膜浮きに対して十分にマージンのある安定した効果を得ることができる。   According to Example 2, the anchor effect can be ensured even when the positional relationship between the recess 15a and the end of the pattern of the lower electrode 161 is shifted, a stable anchor effect can be obtained, and film peeling or film floating can be achieved. On the other hand, a stable effect with a sufficient margin can be obtained.

<実施例3>
実施例3では、図14に示すように、凹部15aを四角形の立方体状の形状として、下部電極161パターンの周縁部に沿って配列させている。
<Example 3>
In Example 3, as shown in FIG. 14, the concave portions 15a are formed in a rectangular cubic shape and arranged along the peripheral edge portion of the lower electrode 161 pattern.

実施例3によれば、アンカー効果が得られる凹部15aを膜剥がれや膜浮きが起こりやすい下部電極161の周縁部に隈なく配置することにより、角部のみに配置する場合に比べ更に膜剥がれや膜浮きを効果的に防止することができる。   According to the third embodiment, the concave portion 15a in which the anchor effect can be obtained is arranged all over the peripheral portion of the lower electrode 161 where film peeling or film floating is likely to occur. Film floating can be effectively prevented.

<実施例4>
実施例4では、図15に示すように、凹部15aを下部電極161パターンの周縁部に沿って配列させるとともに、パターンの周縁部からはみ出すように設けている。
<Example 4>
In Example 4, as shown in FIG. 15, the recesses 15a are arranged along the peripheral edge of the lower electrode 161 pattern, and are provided so as to protrude from the peripheral edge of the pattern.

実施例4によれば、角部のみに配置する場合に比べ更に膜剥がれや膜浮きを効果的に防止することができる、凹部15aと下部電極161のパターンの端部の位置関係がずれた場合でも、アンカー効果を確保することができる。   According to the fourth embodiment, when the positional relationship between the recess 15a and the end of the pattern of the lower electrode 161 is deviated, the film peeling and film floating can be effectively prevented as compared with the case where it is arranged only at the corner. However, the anchor effect can be ensured.

<実施例5>
実施例5では、図16に示すように、凹部15aを下部電極161パターンの周縁部に沿って配列させるとともに、内部側の液室形成領域13a以外の箇所にも設けている。
<Example 5>
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 16, the recesses 15a are arranged along the peripheral edge of the lower electrode 161 pattern, and are also provided at locations other than the liquid chamber forming region 13a on the inner side.

実施例5によれば、アンカー効果を下部電極161の周縁部だけでなく、内部側の液室形成領域13a以外の領域でも得ることにより、周縁部の膜剥がれや膜浮きだけでなく、パターン内部での膜剥がれや膜浮き防止の効果を得ることができる。   According to the fifth embodiment, the anchor effect is obtained not only in the peripheral portion of the lower electrode 161 but also in a region other than the liquid chamber forming region 13a on the inner side. The effect of preventing film peeling and film floating can be obtained.

上記実施例1〜5によれば、凹部15aおよびアンカー部161aを形成しない従来構成に比べ、下部電極161と振動板15との密着力を大きくして膜剥がれや膜浮きを防止できることが確認できた。また、実施例2〜5によれば、実施例1に比べて、更にアンカー効果を高め、下部電極161と振動板15との密着力を大きくしてさらに膜剥がれや膜浮きを防止できることが確認できた。   According to the first to fifth embodiments, it can be confirmed that the adhesion between the lower electrode 161 and the diaphragm 15 can be increased to prevent film peeling and film floating compared to the conventional configuration in which the concave portion 15a and the anchor portion 161a are not formed. It was. In addition, according to Examples 2 to 5, it was confirmed that the anchor effect was further improved compared to Example 1, and the adhesion between the lower electrode 161 and the diaphragm 15 was increased to further prevent film peeling and film floating. did it.

(インクカートリッジ)
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1を備えたインクカートリッジについて説明する。
(ink cartridge)
Next, an ink cartridge provided with the droplet discharge head 1 according to the present embodiment will be described.

図17は液滴吐出ヘッド1を備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。インクカートリッジ90は、ノズル11等を有する上述の液滴吐出ヘッド1(インクジェットヘッド)と、液滴吐出ヘッド1に対してインクを供給するインクタンク91とを一体化したものである。   FIG. 17 is a perspective view illustrating a configuration example of an ink cartridge including the droplet discharge head 1. The ink cartridge 90 is obtained by integrating the above-described droplet discharge head 1 (inkjet head) having the nozzles 11 and the like, and an ink tank 91 that supplies ink to the droplet discharge head 1.

液滴吐出ヘッド1とインクタンク91とを一体とした場合、液滴吐出ヘッド1の低コスト化および信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ90の全体の低コスト化、信頼性向上につながる。よって、液滴吐出ヘッド1の低コスト化、高信頼性化、製造不良低減を図ることで、インクカートリッジ90の歩留まり、信頼性を向上させて、ヘッド一体型のインクカートリッジ90の低コスト化を図ることができる。   When the droplet discharge head 1 and the ink tank 91 are integrated, the cost reduction and reliability improvement of the droplet discharge head 1 immediately lead to cost reduction and reliability improvement of the entire ink cartridge 90. Therefore, by reducing the cost, increasing reliability, and reducing manufacturing defects of the droplet discharge head 1, the yield and reliability of the ink cartridge 90 are improved, and the cost of the ink cartridge 90 integrated with the head is reduced. Can be planned.

(画像形成装置)
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1を備えた画像形成装置であるインクジェット記録装置について説明する。
(Image forming device)
Next, an ink jet recording apparatus which is an image forming apparatus provided with the droplet discharge head 1 according to the present embodiment will be described.

図18は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例を示す斜視図であり、図19は同記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。   FIG. 18 is a perspective view showing a configuration example of an ink jet recording apparatus equipped with a droplet discharge head, and FIG. 19 is a side view showing a configuration example of a mechanism section of the recording apparatus.

インクジェット記録装置100は、装置本体の内部に印字機構部103等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の記録紙130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130を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ105を有している。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130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 houses a printing mechanism 103 and the like inside the apparatus main body, and may be a paper feed cassette (or a paper feed tray) on which a large number of recording sheets 130 can be stacked from the front side in the lower part of the apparatus main body. ) 104 is removably mounted. Further, it has a manual feed tray 105 that is opened to manually feed the recording paper 130. The recording paper 130 fed from the paper feed cassette 104 or the manual feed tray 105 is taken in, a required image is recorded by the printing mechanism unit 103, and then discharged to the paper discharge tray 106 mounted on the rear side.

印字機構部103は、主走査方向に移動可能なキャリッジ101とキャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッド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。また、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する。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を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、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 includes a carriage 101 that can move in the main scanning direction, a droplet discharge head mounted on the carriage 101, an ink cartridge 102 that supplies ink to the droplet discharge head, and the like. Further, 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 includes a droplet discharge head that discharges yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) ink droplets, and a plurality of ink discharge ports (nozzles) in the main scanning direction. They are arranged in the intersecting direction and mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. In addition, each ink cartridge 102 for supplying ink of each color to the droplet discharge head 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へインクを供給する供給口が設けられている。インクカートリッジ102の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、液滴吐出ヘッドとしては各色の液滴吐出ヘッドを用いているが、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 air opening communicating with the atmosphere above, and a supply opening for supplying ink to the droplet discharge head below. The ink cartridge 102 has a porous body filled with ink, and the ink supplied to the droplet discharge head is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the droplet discharge heads of the respective colors are used as the droplet discharge heads, one droplet discharge head having nozzles for discharging the ink droplets of the respective colors 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109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、このタイミングベルト112をキャリッジ101に固定している。これにより、主走査モータ109の正逆回転によりキャリッジ101が往復駆動される。   Here, the carriage 101 is slidably fitted on the main guide rod 107 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 108 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). ing. 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 109, and the timing belt 112 is attached to the carriage 101. It is fixed to. As a result, the carriage 101 is driven to reciprocate by forward / reverse rotation of the main scanning motor 109.

一方、給紙カセット104にセットした記録紙130を液滴吐出ヘッドの下方側に搬送するために、給紙カセット104から記録紙130を分離給装する給紙ローラ113及びフリクションパッド114と、記録紙130を案内するガイド部材115とを有する。また、給紙された記録紙130を反転させて搬送する搬送ローラ116と、この搬送ローラ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130の送り出し角度を規定する先端コロ118とを有する。搬送ローラ116は副走査モータ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 convey the recording paper 130 set in the paper feeding cassette 104 to the lower side of the droplet discharge head, a paper feeding roller 113 and a friction pad 114 for separating and feeding the recording paper 130 from the paper feeding cassette 104, and recording And a guide member 115 for guiding the paper 130. Further, a conveyance roller 116 that reverses and conveys the fed recording paper 130, a conveyance roller 117 that is pressed against the peripheral surface of the conveyance roller 116, and a leading roller that defines the feeding angle of the recording paper 130 from the conveyance roller 116. 118. The transport roller 116 is rotationally driven through a gear train by a sub-scanning motor.

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130を液滴吐出ヘッド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130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とを設けている。さらに記録紙130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 130 fed from the transport roller 116 corresponding to the range of movement of the carriage 101 in the main scanning direction on the lower side of the droplet discharge head. Yes. On the downstream side of the printing receiving member 119 in the paper conveyance direction, a conveyance roller 120 and a spur 121 that are rotationally driven to send the recording paper 130 in the paper discharge direction are provided. Further, a discharge roller 123 and a spur 124 for feeding the recording paper 130 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を駆動することにより、停止している記録紙130にインクを吐出して1行分を記録する。その後、記録紙130を所定量搬送した後、次の行の記録を行う。記録終了信号または記録紙130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130を排紙する。   At the time of recording with the ink jet recording apparatus 100, the droplet discharge head is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 101, whereby ink is discharged onto the stopped recording paper 130 to record one line. Thereafter, the recording paper 130 is conveyed by a predetermined amount, and then the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the recording paper 130 reaches the recording area, the recording operation is terminated and the recording paper 130 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はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。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。   Further, a recovery device 127 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 101. The recovery device 127 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. During printing standby, the carriage 101 is moved to the recovery device 127 side, and the droplet ejection head is capped by the capping unit to keep the ejection port portion in a wet state, thereby preventing ejection 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.

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。このように、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。このように、本実施形態のインクジェット記録装置100においては回復装置127を備えているので、液滴吐出ヘッドの吐出不良が回復されて、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。   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 with the suction unit through the tube. In this way, ink or dust adhering to the ejection port surface is removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink reservoir installed at the lower part of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir. As described above, since the inkjet recording apparatus 100 of the present embodiment includes the recovery device 127, the ejection failure of the droplet ejection head is recovered, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and the image quality is improved. be able to.

なお、本実施形態では、インクジェット記録装置100に液滴吐出ヘッドを使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド1を適用してもよい。   In this embodiment, the case where a droplet discharge head is used in the inkjet recording apparatus 100 has been described. However, the droplet discharge head 1 is applied to a device that discharges droplets other than ink, for example, a liquid resist for patterning. May be.

以上、本実施形態のインクジェット記録装置(画像形成装置)100では、本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えるので、安定したインク滴吐出特性が得られて、高画質の画像を安定して形成することができる。   As described above, since the ink jet recording apparatus (image forming apparatus) 100 according to the present embodiment includes the liquid discharge head according to the present invention as a recording head, stable ink droplet discharge characteristics can be obtained, and high-quality images can be stably displayed. Can be formed.

なお、インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドにより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滴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滴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。   In the ink jet recording apparatus, an image is formed by adhering ink droplets to a sheet by a droplet discharge head 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 ejecting liquid droplets on a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, or ceramic. 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 a droplet when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Used as

また、画像形成装置には、特に限定しない限り、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。   Further, the image forming apparatus includes both a serial type image forming apparatus and a line type image forming apparatus, unless otherwise limited.

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、圧電アクチュエータを備えたマイクロポンプ、マイクロアクチュエータ、その他の光学デバイス、などにも適用可能である。   The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention can be applied to a micropump including a piezoelectric actuator, a microactuator, and other optical devices.

1 液滴吐出ヘッド
10 液滴吐出部
11 ノズル
12 ノズル基板
13 液室
13a 液室形成領域
14 液室基板
15 振動板
15a 凹部
16 圧電素子
161 下部電極
161a アンカー部
162 圧電体
163 上部電極
17 第1の絶縁保護膜
17a コンタクトホール
18 第2の絶縁保護膜
18a コンタクトホール
19 第3の絶縁保護膜
20 サブフレーム
20a 保護空間
21,22 配線
23 パッド電極
24 駆動IC
25 引出配線層
30 アクチュエータ基板
32 流体抵抗部
33 インク導入路
34 インク供給口
35 インク流路
90 インクカートリッジ
100 インクジェット記録装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Droplet discharge head 10 Droplet discharge part 11 Nozzle 12 Nozzle substrate 13 Liquid chamber 13a Liquid chamber formation area 14 Liquid chamber substrate 15 Diaphragm 15a Recess 16 Piezoelectric element 161 Lower electrode 161a Anchor part 162 Piezoelectric body 163 Upper electrode 17 1st Insulating protective film 17a Contact hole 18 Second insulating protective film 18a Contact hole 19 Third insulating protective film 20 Subframe 20a Protective spaces 21, 22 Wiring 23 Pad electrode 24 Driving IC
25 Lead-out wiring layer 30 Actuator substrate 32 Fluid resistance portion 33 Ink introduction path 34 Ink supply port 35 Ink flow path 90 Ink cartridge 100 Inkjet recording apparatus

特開2006−239966号公報JP 2006-239966 A 特開2006−231790号公報JP 2006-231790 A

Claims (9)

液室の一面を形成する振動板と、
該振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換素子と、を備え、
前記下部電極は、前記液室が並設される方向に亘って連続的に設けられることで前記電気機械変換素子の共通電極となる電気機械変換部材において、
前記振動板の前記液室の形成領域以外の位置に該振動板の深さ方向に凹部が形成されるとともに、前記下部電極が前記凹部に入りこんだ形状を有することを特徴とする電気機械変換部材。
A diaphragm forming one surface of the liquid chamber;
An electromechanical transducer having a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode formed in this order on the diaphragm;
In the electromechanical conversion member that is a common electrode of the electromechanical conversion element by continuously providing the lower electrode over the direction in which the liquid chambers are arranged in parallel,
An electromechanical conversion member characterized in that a recess is formed in a depth direction of the diaphragm at a position other than the liquid chamber formation region of the diaphragm, and the lower electrode has a shape that enters the recess. .
前記凹部は、前記下部電極のパターンの角部の相当位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換部材。   The electromechanical conversion member according to claim 1, wherein the concave portion is formed at a corresponding position of a corner portion of the pattern of the lower electrode. 前記凹部は、前記下部電極のパターンの周縁部の相当位置に沿って形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換部材。   The electromechanical conversion member according to claim 1, wherein the concave portion is formed along a corresponding position of a peripheral edge portion of the pattern of the lower electrode. 前記凹部は、前記下部電極のパターンの周縁部からはみ出す位置に形成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の電気機械変換部材。   The electromechanical conversion member according to claim 2, wherein the recess is formed at a position protruding from a peripheral edge of the pattern of the lower electrode. 前記凹部は、前記下部電極のパターンの前記周縁部、および前記周縁部以外の前記液室の形成領域以外の位置に形成されていることを特徴とする請求項2から4までのいずれかに記載の電気機械変換部材。   The said recessed part is formed in positions other than the said peripheral part of the pattern of the said lower electrode, and the formation area of the said liquid chambers other than the said peripheral part. Electromechanical conversion member. 液室の一面を形成する振動板と、
該振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換素子と、を備え、
前記下部電極は、前記液室が並設される方向に亘って連続的に設けられることで前記電気機械変換素子の共通電極となる電気機械変換部材の製造方法において、
前記振動板の前記液室の形成領域以外の位置に該振動板の深さ方向に凹部を形成する工程と、
前記下部電極を前記凹部に入りこんだ形状に成膜する工程と、を含むことを特徴とする電気機械変換部材の製造方法。
A diaphragm forming one surface of the liquid chamber;
An electromechanical transducer having a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode formed in this order on the diaphragm;
In the method of manufacturing an electromechanical conversion member, the lower electrode is continuously provided in a direction in which the liquid chambers are arranged side by side, and becomes a common electrode of the electromechanical conversion element.
Forming a recess in the depth direction of the diaphragm at a position other than the formation region of the liquid chamber of the diaphragm;
Forming a film of the lower electrode into the shape of the recessed portion, and a method for producing an electromechanical conversion member.
液滴を吐出するノズルに連通する液室と、
前記液室内の液体を加圧可能にするよう前記液室を形成する基板と、
前記基板上に設けられる電気機械変換部材と、
を有する液滴吐出ヘッドにおいて、
前記電気機械変換部材として、請求項1から5までのいずれかに記載の電気機械変換部材を用いたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A liquid chamber communicating with a nozzle for discharging droplets;
A substrate for forming the liquid chamber so that the liquid in the liquid chamber can be pressurized;
An electromechanical conversion member provided on the substrate;
In a droplet discharge head having
A droplet discharge head using the electromechanical conversion member according to claim 1 as the electromechanical conversion member.
液滴吐出ヘッドと、
該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクと、を一体としたインクカートリッジにおいて、
前記液滴吐出ヘッドとして、請求項7に記載の液滴吐出ヘッドを用いたことを特徴とするインクカートリッジ。
A droplet discharge head;
In an ink cartridge integrated with an ink tank for supplying ink to the droplet discharge head,
An ink cartridge using the droplet discharge head according to claim 7 as the droplet discharge head.
液滴吐出ヘッドから液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置において、
前記液滴吐出ヘッドとして、請求項7に記載の液滴吐出ヘッドを用いたことを特徴とする画像形成装置。
In an image forming apparatus that forms an image by discharging droplets from a droplet discharge head,
An image forming apparatus using the droplet discharge head according to claim 7 as the droplet discharge head.
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