JP2017100413A - Discharge drive device, liquid discharge head, liquid discharge unit, and liquid discharge device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吐出駆動装置、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。 The present invention relates to an ejection driving device, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and an apparatus for ejecting liquid.
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用される液体吐出ヘッドに関して、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子とを有するものが知られている。又、液体吐出ヘッドには、縦振動モードのアクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの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。 Regarding a liquid discharge head used as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus, a nozzle that discharges ink droplets, a pressure chamber that communicates with the nozzle, a piezoelectric element that pressurizes ink in the pressure chamber, and the like What has the electromechanical conversion element of this is known. Two types of liquid ejection heads have been put to practical use, one using a longitudinal vibration mode actuator and the other using a flexural vibration mode actuator.
たわみ振動モードを利用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な電気機械変換膜を形成し、この電気機械変換膜をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて各圧力室に独立するように電気機械変換素子を形成したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 For example, a uniform electromechanical conversion film is formed by a film forming technique over the entire surface of the vibration plate, and the electromechanical conversion film is formed into a shape corresponding to a pressure chamber by a lithography method. It is known that an electromechanical transducer is formed so as to be separated into each pressure chamber so as to be independent of each pressure chamber (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、上記の液体吐出ヘッドでは、単一の電気機械変換素子に関しては振動板や電気機械変換膜のヤング率や膜厚の関係については考慮されているが、電気機械変換素子が複数個配列された場合の、電気機械変換素子の配列方向での電気機械変換膜の膜厚分布のばらつきについては考慮されていない。そのため、電気機械変換素子が複数個配列された場合には、夫々の電気機械変換素子の変位量のばらつきを抑制することができず、安定したインク吐出特性を得ることは困難であった。 However, in the liquid discharge head described above, the relationship between the Young's modulus and the film thickness of the diaphragm and the electromechanical conversion film is considered for a single electromechanical conversion element, but a plurality of electromechanical conversion elements are arranged. In this case, the variation in the film thickness distribution of the electromechanical conversion film in the arrangement direction of the electromechanical conversion elements is not taken into consideration. For this reason, when a plurality of electromechanical conversion elements are arranged, variation in the displacement amount of each electromechanical conversion element cannot be suppressed, and it is difficult to obtain stable ink ejection characteristics.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、振動板上に電気機械変換素子が複数個配列された吐出駆動装置において、夫々の電気機械変換素子の変位量のばらつきを抑制することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a discharge driving device in which a plurality of electromechanical conversion elements are arranged on a diaphragm, it is an object to suppress variation in the displacement amount of each electromechanical conversion element. And
本吐出駆動装置は、振動板と、前記振動板上に複数個配列された電気機械変換素子と、を有する吐出駆動装置であって、前記電気機械変換素子は電気機械変換膜を備え、前記電気機械変換素子の配列方向での前記振動板の膜厚の傾きをΔds、前記配列方向での前記電気機械変換膜の膜厚の傾きをΔdpとしたときに、Δds×Δdp<0であることを要件とする。 The discharge driving device is a discharge driving device including a diaphragm and a plurality of electromechanical transducer elements arranged on the diaphragm, the electromechanical transducer element including an electromechanical transducer film, When the inclination of the film thickness of the diaphragm in the arrangement direction of the mechanical conversion elements is Δds and the inclination of the film thickness of the electromechanical conversion film in the arrangement direction is Δdp, Δds × Δdp <0. As a requirement.
開示の技術によれば、振動板上に電気機械変換素子が複数個配列された吐出駆動装置において、夫々の電気機械変換素子の変位量のばらつきを抑制することができる。 According to the disclosed technology, in the discharge driving device in which a plurality of electromechanical conversion elements are arranged on the diaphragm, variation in the displacement amount of each electromechanical conversion element can be suppressed.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを例示する断面図である。図1を参照するに、液体吐出ヘッド1は、基板10と、振動板20と、電気機械変換素子30と、絶縁保護膜40とを有する。電気機械変換素子30は、下部電極31と、電気機械変換膜32と、上部電極33とを有する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a liquid discharge head according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, the
液体吐出ヘッド1において、基板10上に振動板20が形成され、振動板20上に電気機械変換素子30の下部電極31が形成されている。下部電極31の所定領域に電気機械変換膜32が形成され、更に電気機械変換膜32上に上部電極33が形成されている。絶縁保護膜40は、電気機械変換素子30を被覆している。絶縁保護膜40は、下部電極31及び上部電極33を選択的に露出する開口部を備えており、開口部を介して、下部電極31及び上部電極33から配線を引き回すことができる。
In the
基板10の下部には、インク滴を吐出するノズル51を備えたノズル板50が接合されている。ノズル板50、基板10、及び振動板20により、ノズル51に連通する圧力室10x(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある)が形成されている。振動板20は、インク流路の壁面の一部を形成している。言い換えれば、圧力室10xは、基板10(側面を構成)、ノズル板50(下面を構成)、振動板20(上面を構成)で区画されて、ノズル51と連通している。
A
液体吐出ヘッド1を作製するには、まず、図2に示すように、基板10上に、振動板20、下部電極31、電気機械変換膜32、上部電極33を順次積層する。その後、下部電極31、電気機械変換膜32及び上部電極33を所望の形状にエッチングし、絶縁保護膜40で被覆する。そして、絶縁保護膜40に、下部電極31及び上部電極33を選択的に露出する開口部を形成する。その後、基板10を下方からエッチングして圧力室10xを作製する。次いで、基板10の下面にノズル51を有するノズル板50を接合し、液体吐出ヘッド1が完成する。
In order to manufacture the
なお、図1では、1つの液体吐出ヘッド1のみを示したが、実際には、図3に示すように、液体吐出ヘッド1が所定方向に複数配列された液体吐出ヘッド2が作製される。
In FIG. 1, only one
液体吐出ヘッド2は、振動板20上に電気機械変換素子30が複数個配列された吐出駆動装置35と、夫々の電気機械変換素子30に対応して設けられた、液体を吐出するノズル51と、ノズル51が連通する圧力室10xとを有している。液体吐出ヘッド2では、圧力室10xの壁の一部を振動板20で構成しており、吐出駆動装置35は圧力室10x内の液体を昇圧させる。
The
次に、電気機械変換素子30の変位量について説明する。図4は、ウェハ内のチップの列内の変位量について説明する図である。図4(a)は、ウェハWの平面図であり、ウェハWの外周側にチップC1及びC4が配され、ウェハWの中心側にチップC2及びC3が配されている。チップC1〜C4内には、夫々複数の電気機械変換素子30が配列されている。なお、O.F.はオリエンテーションフラット(Orientation Flat)である。図4(b)は、チップC1〜C4において、電気機械変換素子30の配列方向(チップC1からチップC4に至る方向)における、電気機械変換素子30の変位量の変化を示したものである。
Next, the displacement amount of the
図4(b)に示すように、チップC1〜C4において、外周にかけて変位量が小さくなる傾向が見られる。つまり、ウェハWの外周側にあるチップC1やC4は、ウェハWの中心側にあるチップC2やC3よりも変位量が小さくなる傾向が見られる。変位特性自体は、電気機械変換膜32を構成する圧電材料の圧電歪や圧力室10xの寸法や各層の膜厚も影響しており、ウェハ面内での膜厚や膜質等の中心から外周にかけてのばらつきが図4(b)のような結果を発生させていると考えられる。特にプロセス上発生要因として高いのが、図1及び2に示した振動板20と電気機械変換膜32の膜厚の寄与である。
As shown in FIG. 4B, in the chips C1 to C4, the displacement amount tends to decrease toward the outer periphery. That is, the chips C1 and C4 on the outer peripheral side of the wafer W tend to be smaller in displacement than the chips C2 and C3 on the center side of the wafer W. The displacement characteristics themselves are also affected by the piezoelectric strain of the piezoelectric material constituting the
このように、インク吐出時のばらつきの中でもランダムなばらつきではなく、図4(b)に例示したような電気機械変換素子30の列内や列間の中で傾きを有するような特異的な圧電性能のばらつきが発生する場合にも注目する必要がある。このような特異的なばらつきは、インク吐出量やインク吐出時の吐出速度にも大きく影響し、実際に紙面等に印字されたときの品質として明確に不良として認識できるからである。
As described above, the piezoelectric is not a random variation among the variations at the time of ink ejection, but a specific piezoelectric having an inclination in the column or between columns of the
なお、液体吐出ヘッド2を組立てる時に、ウェハ中心にあるチップのみを選択することで、吐出性能が大きくばらつく不良ヘッドの流出は押さえることもできるが、この方法は好ましくない。ウェハ外周にあるチップの良品率を考えた場合、外周にある電気機械変換素子30の数だけ不良となるため、トータルプロセスを考えたときに大きなコストアップ要因となるからである。
Note that when the
又、ウェハ外周にあるチップから作製した液体吐出ヘッド2に関して、例えば吐出時の電圧波形等の調整によりインク吐出量やインク吐出時の吐出速度ばらつきを補正することもできるが、この方法も好ましくない。ウェハ中心にあるチップから作製されたばらつきの小さい液体吐出ヘッド2が混在するため、液体吐出ヘッド2を複数備えた液体吐出装置の中で複数の波形を準備する必要が生じ、液体吐出装置の大きなコストアップ要因となるからである。
In addition, regarding the
このように、インク吐出量やインク吐出時の吐出速度ばらつき等を抑制するには、電気機械変換膜32の圧電性能のばらつきが小さいことが好ましい。しかし、電気機械変換素子30間のランダムなばらつき以外に、液体吐出ヘッド2内に配列された複数個の電気機械変換素子30の列間や列内で傾きを持つような特異的な圧電性能ばらつきが存在し、このような特異的な圧電性能ばらつきも抑制しなければならない。
Thus, in order to suppress variations in the ink ejection amount, ejection speed during ink ejection, and the like, it is preferable that variations in the piezoelectric performance of the
例えば6インチウェハ上に単層で振動板を作製したときのウェハのO.F部から反O.F部にかけての膜厚分布が、外周チップに位置するところでは膜厚が厚くなる傾向があったとする。この結果に基づいて、その後成膜する電気機械変換膜においては6インチウェハ上の膜厚分布をウェハのO.F部から反O.F部にかけて、膜厚を薄くなるように成膜制御することで、振動板と電気機械変換膜の膜厚ばらつきによる変位傾きを抑制することが可能になる。 For example, the O.D. of a wafer when a diaphragm is produced as a single layer on a 6-inch wafer. Anti-O. It is assumed that the film thickness distribution toward the F portion tends to be thicker where the film thickness is located on the outer peripheral chip. Based on this result, in the electromechanical conversion film to be subsequently formed, the film thickness distribution on the 6-inch wafer is expressed as O.D. Anti-O. By controlling the film formation so as to reduce the film thickness over the F portion, it is possible to suppress the displacement inclination due to the film thickness variation between the diaphragm and the electromechanical conversion film.
図5〜図8は、振動板と電気機械変換膜の膜厚分布と変位特性分布を例示する図であり、6インチウェハ上での振動板と電気機械変換膜の膜厚分布と変位特性分布を反O.F部からO.F部にかけて示している。なお、Woutは、ウェハの外周部に位置するチップであることを示している。 5 to 8 are diagrams illustrating the film thickness distribution and the displacement characteristic distribution of the diaphragm and the electromechanical conversion film, and the film thickness distribution and the displacement characteristic distribution of the diaphragm and the electromechanical conversion film on a 6-inch wafer. Anti-O. From part F It shows over F part. Wout indicates that the chip is located on the outer periphery of the wafer.
図5では、振動板と電気機械変換膜の何れの膜厚も、中心から外周にかけて厚くなり、変位特性も外周部で傾きを持ったばらつきが発生していることが分かる。 In FIG. 5, it can be seen that the film thicknesses of both the diaphragm and the electromechanical conversion film increase from the center to the outer periphery, and the displacement characteristics also have a variation with inclination in the outer periphery.
図6に示すように、振動板の膜厚は中心から外周にかけて厚くなっているのに対して、電気機械変換膜の膜厚を中心から外周にかけて薄くすることで、外周部での変位傾きを抑制することができる。 As shown in FIG. 6, the film thickness of the diaphragm increases from the center to the outer periphery, while the thickness of the electromechanical conversion film decreases from the center to the outer periphery, so that the displacement inclination at the outer peripheral portion is reduced. Can be suppressed.
ここで、振動板の膜厚(振動板が複数の層から形成されている場合は総膜厚)をds、電気機械変換素子30の配列方向(以下、前記配列方向とする)での振動板の平均膜厚をAve_ds、前記配列方向での振動板の膜厚の傾きをΔdsとする。又、電気機械変換膜の膜厚をdp、前記配列方向での電気機械変換膜の平均膜厚をAve_dp、前記配列方向での電気機械変換膜の膜厚の傾きをΔdpとする。 Here, the film thickness of the diaphragm (the total film thickness when the diaphragm is formed of a plurality of layers) is ds, and the diaphragm in the arrangement direction of the electromechanical transducer 30 (hereinafter referred to as the arrangement direction). Ave_ds is the average film thickness, and Δds is the inclination of the film thickness of the diaphragm in the arrangement direction. Further, the film thickness of the electromechanical conversion film is dp, the average film thickness of the electromechanical conversion film in the arrangement direction is Ave_dp, and the slope of the film thickness of the electromechanical conversion film in the arrangement direction is Δdp.
膜厚の傾きとは、チップ内の前記配列方向における振動板や電気機械変換膜の膜厚の変化をグラフ化したときに、グラフ上の任意の点での傾き(接線の傾き)である。 The inclination of the film thickness is an inclination (an inclination of a tangent line) at an arbitrary point on the graph when a change in the film thickness of the diaphragm or the electromechanical conversion film in the arrangement direction in the chip is graphed.
なお、図6に示すように、ウェハの外周部に位置するチップ(Woutの部分)では、両側のWoutではΔdsやΔdpの傾きの方向は異なるが、各Wout内の各点での傾きは略一定となる傾向にある。この場合には、各Wout内において、ΔdsやΔdpは、グラフ上のどの点でも略一定の値(一方向の傾き)となる。 As shown in FIG. 6, in the chip (Wout portion) located on the outer peripheral portion of the wafer, the inclination directions of Δds and Δdp are different in the Wout on both sides, but the inclination at each point in each Wout is approximately. It tends to be constant. In this case, within each Wout, Δds and Δdp are substantially constant values (inclinations in one direction) at any point on the graph.
前記配列方向での電気機械変換素子の変位量のばらつきを抑制するためには、Δds/Ave_dsが±5%以内に収まっていることが好ましい。又、Δdp/Ave_dpが±5%以内に収まっていることが好ましい。この範囲から外れると、振動板の膜厚のばらつきをキャンセルするように電気機械変換膜の膜厚のばらつきを制御することが難しくなるからである。 In order to suppress variation in the amount of displacement of the electromechanical transducer elements in the arrangement direction, it is preferable that Δds / Ave_ds be within ± 5%. Moreover, it is preferable that Δdp / Ave_dp be within ± 5%. If it is out of this range, it becomes difficult to control the variation in the thickness of the electromechanical conversion film so as to cancel the variation in the thickness of the diaphragm.
高周波での吐出性能を確保するためには、振動板、電気機械変換膜、絶縁保護膜の剛性を高める必要があり、高ヤング率化や厚膜化をする必要が出てくる。例えば、振動板が単層から形成されたときのヤング率、又は振動板が複数の層から形成されたときの等価ヤング率の平均が75GPa以上であることが好ましい。又、振動板が複数の層から形成された場合、前記配列方向での、複数の層のうち最もヤング率の大きい層の平均ヤング率が150GPa以上であることが好ましい。又、前記配列方向での、電気機械変換膜のヤング率が80GPa以上あることが好ましい。 In order to ensure the discharge performance at high frequency, it is necessary to increase the rigidity of the diaphragm, the electromechanical conversion film, and the insulating protective film, and it is necessary to increase the Young's modulus and the film thickness. For example, the Young's modulus when the diaphragm is formed from a single layer or the average of the equivalent Young's modulus when the diaphragm is formed from a plurality of layers is preferably 75 GPa or more. When the diaphragm is formed of a plurality of layers, it is preferable that the average Young's modulus of the layer having the largest Young's modulus among the plurality of layers in the arrangement direction is 150 GPa or more. Moreover, it is preferable that the Young's modulus of the electromechanical conversion film in the arrangement direction is 80 GPa or more.
特に、振動板20は、応力設計も考慮し、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiN)、ポリシリコン(Poly−Si)等を材料として含む複数の層から形成することが好ましい。又、振動板20の膜厚は1μm以上3μm以下で作製されることが好ましい。これにより、高周波での吐出性能を確保することができる。
In particular, the
振動板が複数の層から形成される場合においては、その中でも高い剛性(前記配列方向での平均ヤング率が150GPa以上)を有する膜自体がばらつくと、変位特性のばらつきにも大きく影響してくる。例えば、図7は、振動板として75GPa以上の剛性を確保するために、振動板を構成する複数の層の一部である高い剛性の膜の膜厚が中心から外周にかけて厚くなり、電気機械変換膜の膜厚も同様な傾向である場合の例を示している。図7の場合、変位特性も外周部で傾きを持ったばらつきが発生していることが分かる。 In the case where the diaphragm is formed from a plurality of layers, variation in the displacement characteristics varies greatly when the film having high rigidity (average Young's modulus in the arrangement direction is 150 GPa or more) varies. . For example, in FIG. 7, in order to ensure rigidity of 75 GPa or more as a diaphragm, the film thickness of a highly rigid film that is a part of a plurality of layers constituting the diaphragm increases from the center to the outer periphery, and the electromechanical conversion The example in the case where the film thickness has the same tendency is shown. In the case of FIG. 7, it can be seen that the displacement characteristic also has a variation with an inclination at the outer peripheral portion.
図8に示すように、高い剛性の膜(剛性の高い振動板層)の膜厚が中心から外周にかけて厚くなっているのに対して、電気機械変換膜の膜厚を中心から外周にかけて薄くすることで、外周部での変位傾きを抑制することができる。 As shown in FIG. 8, the film thickness of the high-rigidity film (high-rigidity diaphragm layer) increases from the center to the outer periphery, whereas the film thickness of the electromechanical conversion film decreases from the center to the outer periphery. Thereby, the displacement inclination in an outer peripheral part can be suppressed.
このとき、複数の層のうち最もヤング率の大きい層において、前記配列方向での平均膜厚をAve_ds_max、前記配列方向での膜厚の傾きをΔds_maxとしたときに、Δds_max/Ave_ds_maxが±5%以内に収まっていることが好ましい。この範囲から外れると、振動板の膜厚のばらつきをキャンセルするように電気機械変換膜の膜厚のばらつきを制御することが難しくなるからである。 At this time, when the average film thickness in the arrangement direction is Ave_ds_max and the inclination of the film thickness in the arrangement direction is Δds_max in the layer having the largest Young's modulus among the plurality of layers, Δds_max / Ave_ds_max is ± 5%. It is preferable to be within the range. If it is out of this range, it becomes difficult to control the variation in the thickness of the electromechanical conversion film so as to cancel the variation in the thickness of the diaphragm.
このように、振動板(複数の層で構成される場合は、剛性の高い層)がウェハ中心から外周にかけて膜厚が厚くなる場合は、その後に成膜する電気機械変換膜のウェハ中心から外周にかけての膜厚を薄くする。これにより、振動板と電気機械変換膜の膜厚分布を相殺することが可能となり、夫々の電気機械変換素子の変位量のばらつきを抑制することができる。 As described above, when the diaphragm (a layer having high rigidity in the case of a plurality of layers) increases in thickness from the wafer center to the outer periphery, the outer periphery from the wafer center of the electromechanical conversion film to be formed thereafter Decrease the film thickness. Thereby, it becomes possible to cancel out the film thickness distribution of the diaphragm and the electromechanical conversion film, and it is possible to suppress variation in the displacement amount of each electromechanical conversion element.
この際、チップ内の前記配列方向での膜厚傾きについての関係が、Δds×Δdp<0 又はΔds_max×Δdp<0を満たすことで、±8%以内に変位ばらつきを抑制することができる。 At this time, when the relationship regarding the film thickness gradient in the arrangement direction in the chip satisfies Δds × Δdp <0 or Δds_max × Δdp <0, variation in displacement can be suppressed within ± 8%.
以下、液体吐出ヘッド2を構成する好適な材料等に関して、更に詳しく説明する。基板10としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、液体吐出ヘッド2でも主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用することができる。
Hereinafter, a suitable material and the like constituting the
又、圧力室10xを作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが好ましい。なお、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。
Further, when the
例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができる。そのため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるため、液体吐出ヘッド2でも(110)の面方位を持つ単結晶基板を使用してもよい。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされる点に留意が必要である。
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. Accordingly, a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), whereas a deep groove can be dug in the plane orientation (110). Therefore, since the arrangement density can be increased while maintaining rigidity, the
又、圧力室10xの幅(短手方向の長さ)としては、50μm以上70μm以下が好ましく、55μm以上65μm以下が更に好ましい。この値より大きくなると、残留振動が大きくなり高周波での吐出性能確保が難しくなり、この値より小さくなると、電気機械変換素子の変位量が低下し、十分な吐出電圧が確保できなくなる。
Further, the width (length in the short direction) of the
振動板20は、電気機械変換膜32によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室10x内のインク滴を吐出させる。そのため、振動板20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。具体的には、Si、SiO2、Si3N4等をCVD法等により作製したものが挙げられる。
The
振動板20の剛性を確保するために、剛性の高い膜を含めて複数の積層膜で構成することができる。つまり、高周波での吐出性能を確保するためには振動板20のヤング率を75GPa以上とすることが好ましいが、1層だけで高い剛性膜を実現しようとした場合、膜が厚くなると剥がれ等の課題が生じるため、若干剛性の低い膜を間に入れて調整することができる。
In order to ensure the rigidity of the
更に、振動板20の材料としては、下部電極31、電気機械変換膜32の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the
特に、電気機械変換膜32としてPZTを使用する場合には、振動板20の材料として、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い5×10−6(1/K)〜10×10−6(1/K)程度の線膨張係数を有した材料を選択することが好ましい。7×10−6(1/K)〜9×10−6(1/K)程度の線膨張係数を有した材料を選択することが更に好ましい。
In particular, when using PZT as an
振動板20の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を挙げられる。これらは、スパッタ法若しくはSol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。
Specific examples of the material of the
振動板20の膜厚としては1〜3μmが好ましく、1.5〜2.5μmが更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室10xの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
The film thickness of the
下部電極31及び上部電極33としては、金属材料として高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができる。但し、白金は、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、その場合には、イリジウムや白金−ロジウム等の白金族元素や、これらの合金膜を用いることができる。
As the
なお、下部電極31及び上部電極33として白金を使用する場合には、下地となる振動板20(特にSiO2)との密着性が悪いため、Ti、TiO2、Ta、Ta2O5、Ta3N5等の密着層を介して積層することが好ましい。下部電極31及び上部電極33の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜を用いることができる。下部電極31及び上部電極33の膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmが更に好ましい。
In the case of using platinum as the
更に、下部電極31及び上部電極33において、金属材料と電気機械変換膜32との間に、SrRuO3やLaNiO3を材料とする酸化物電極膜を形成してもよい。なお、下部電極31と電気機械変換膜32との間の酸化物電極膜に関しては、その上に作製する電気機械変換膜32(例えばPZT膜)の配向制御にも影響するため、配向優先させたい方位によって選択される材料が異なる。
Further, in the
液体吐出ヘッド2において、電気機械変換膜32としてPZTを用い、PZT(100)に優先配向させる場合には、下部電極31として、LaNiO3、TiO2、PbTiO3等のシード層を金属材料上に作製し、その後PZT膜を形成すると好ましい。
In the
又、上部電極33と電気機械変換膜32との間の酸化物電極膜としてはSRO膜を用いることができ、SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、30nm〜50nmが更に好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。この範囲を超えると、PZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
Moreover, an SRO film can be used as the oxide electrode film between the
電気機械変換膜32としては、好適にはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いることができる。なお、PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体であり、PbZrO3とPbTiO3の比率によって、PZTの特性が異なる。例えば、PbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O3、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。
As the
電気機械変換膜32の作製方法としては、スパッタ法若しくはSol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニングが必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得ることができる。
As a method for producing the
PZTをSol−gel法により作製する場合には、まず、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用いる。そして、共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、PZT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等を適量、添加してもよい。 When producing PZT by the Sol-gel method, first, lead acetate, zirconium alkoxide, or titanium alkoxide compound is used as a starting material. And a PZT precursor solution is producible by dissolving in methoxyethanol which is a common solvent, and obtaining a uniform solution. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like as a stabilizer may be added to the PZT precursor solution.
下部電極31の全面にPZT膜を形成する場合、スピンコート等の溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるようにPZT前駆体の濃度の調整が必要になる。
When a PZT film is formed on the entire surface of the
電気機械変換膜32の膜厚としては1μm以上3μm以下が好ましく、1.5μm以上2.5μm以下が更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室10xの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
The thickness of the
又、スピンコート法を用いてウェハ面内での膜厚調整を行う場合は、ディスペンサの塗布開始位置や液の塗布量を変えることにより面内の分布傾向を調整することができる。 Further, when the film thickness is adjusted in the wafer surface by using the spin coating method, the in-plane distribution tendency can be adjusted by changing the application start position of the dispenser or the application amount of the liquid.
なお、電気機械変換膜32としてPZTを用いPZT(100)面を優先配向とする場合、Zr/Tiの組成比率については、組成比率Ti/(Zr+Ti)が0.45以上0.55以下が好ましく、0.48以上0.52以下が更に好ましい。
When PZT is used as the
結晶配向については、ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)によって表される。ここで、ρ(hkl)は(hkl)面方位の配向度、I(hkl)は任意の配向のピーク強度、ΣI(hkl)は各ピーク強度の総和である。X線回折法のθ−2θ測定で得られる各ピーク強度の総和を1としたときの各々の配向のピーク強度の比率に基づいて算出される(100)配向の配向度は、0.75以上であることが好ましく、0.85以上であることが更に好ましい。これ以下になるときには、圧電歪が十分得られず、電気機械変換素子の変位量を十分確保できなくなる。 The crystal orientation is represented by ρ (hkl) = I (hkl) / ΣI (hkl). Here, ρ (hkl) is the degree of orientation in the (hkl) plane orientation, I (hkl) is the peak intensity of any orientation, and ΣI (hkl) is the sum of the peak intensities. The degree of orientation of the (100) orientation calculated based on the ratio of the peak intensities of each orientation when the sum of the peak intensities obtained by the θ-2θ measurement of the X-ray diffraction method is 1 is 0.75 or more. It is preferable that it is 0.85 or more. When it is less than this, sufficient piezoelectric strain cannot be obtained, and a sufficient amount of displacement of the electromechanical transducer cannot be secured.
電気機械変換膜32として、PZT以外のABO3型ペロブスカイト型結晶質膜を用いてもよい。PZT以外のABO3型ペロブスカイト型結晶質膜としては、例えば、チタン酸バリウム等の非鉛複合酸化物膜を用いても構わない。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が可能である。
As the
これら材料は一般式ABO3で記述され、A=Pb、Ba、Sr B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x、Ba)(Zr、Ti)O3、(Pb1−x、Sr)(Zr、Ti)O3、と表され、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。 These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. As a specific description thereof, (Pb1-x, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O 3 are represented, and this is because part of Pb at the A site is Ba. This is the case where it is replaced with Sr. 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.
ここで、配線等を含めた液体吐出ヘッドの構成について説明する。図9は、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの配線等を例示する図であり、図9(a)は断面図、図9(b)は平面図である。なお、図9(b)において、絶縁保護膜40及び70の図示は省略されている。
Here, the configuration of the liquid discharge head including the wiring and the like will be described. 9A and 9B are diagrams illustrating the wiring of the liquid discharge head according to the first embodiment. FIG. 9A is a cross-sectional view, and FIG. 9B is a plan view. In FIG. 9B, illustration of the insulating
図9を参照するに、絶縁保護膜40上には複数の配線60が設けられ、更に配線60上に絶縁保護膜70が設けられている。絶縁保護膜40は複数の開口部40xを備えており、開口部40x内には下部電極31又は上部電極33の表面が露出している。配線60は、開口部40xを充填して上部電極33と接続されている(図9(b)のコンタクトホールHの部分)配線と、開口部40xを充填して下部電極31と接続されている配線とを含んでいる。
Referring to FIG. 9, a plurality of
絶縁保護膜70は複数の開口部70xを備えており、夫々の開口部70x内には夫々の配線60の表面が露出している。夫々の開口部70x内に露出する夫々の配線60は、電極パッド61、62、及び63となる。ここで、電極パッド61は共通電極パッドであり、配線60を介して各電気機械変換素子30に共通の下部電極31と接続されている。又、電極パッド62及び63は個別電極パッドであり、配線60を介して電気機械変換素子30毎に独立した上部電極33と接続されている。
The insulating
次に、分極処理装置について説明する。図10は、分極処理装置の概略構成を例示する図である。分極処理装置500は、コロナ電極510とグリッド電極520とを備えており、コロナ電極510、グリッド電極520は夫々コロナ電極用電源511、グリッド電極用電源521に接続されている。サンプルをセットするステージ530には温調機能が付加されており、最大350℃程度までの温度をかけながら分極処理を行うことができる。ステージ530にはアース540が設置されており、これが付加していない場合には分極処理ができない。
Next, the polarization processing apparatus will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of the polarization processing apparatus. The
グリッド電極520には、例えばメッシュ加工が施されており、コロナ電極510に高い電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等が効率よく下のステージ530に降り注き、電気機械変換膜32に注入されるように工夫されている。コロナ電極510やグリッド電極520に印加される電圧の大きさや、サンプルと各電極間の距離を調整することにより、コロナ放電の強弱をつけることが可能である。
For example, mesh processing is applied to the
図11に示すように、コロナワイヤ600を用いてコロナ放電させる場合、大気中の分子610をイオン化させ、陽イオン620を発生させる。そして、発生した陽イオン620が、電気機械変換素子30のパッド部を介して流れ込むことで、電荷を電気機械変換素子30に注入することができる。
As shown in FIG. 11, when corona discharge is performed using the
この場合、上部電極と下部電極の電荷差によって内部電位差が生じて分極処理が行われていると考えられる。この際、分極処理に必要な電荷量Qについては特に限定されるものではないが、電気機械変換素子30に1.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、4.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが更に好ましい。この値に満たない場合は、分極処理が十分できず、PZTの圧電アクチュエータとして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。
In this case, it is considered that an internal potential difference is generated by the charge difference between the upper electrode and the lower electrode, and the polarization process is performed. At this time, the charge amount Q required for the polarization treatment is not particularly limited, but it is preferable that a charge amount of 1.0 × 10 −8 C or more is accumulated in the
ここで、分極処理の状態については、電気機械変換素子30のP−Eヒステリシスループから判断することができる。分極処理の判断の方法について図12を用いて説明する。図12(a)は分極処理前のP−Eヒステリシスループを例示し、図12(b)は分極処理後のP−Eヒステリシスループを例示している。
Here, the state of the polarization process can be determined from the PE hysteresis loop of the
具体的には、まず、図12に示すように、±150kv/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定する。そして、最初の0kv/cm時の分極をPind、+150kv/cmの電圧印加後0kv/cmまで戻したときの0kv/cm時の分極をPrとしたときに、Pr−Pindの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断することができる。 Specifically, first, as shown in FIG. 12, a hysteresis loop is measured with an electric field strength of ± 150 kv / cm. Then, when the first polarization at 0 kv / cm is Pin, and the polarization at 0 kv / cm when the voltage is returned to 0 kv / cm after applying a voltage of +150 kv / cm is Pr, the value of Pr−Pind is the polarizability. It is possible to define and determine whether the polarization state is good or bad from this polarizability.
分極率Pr−Pindは、10μC/cm2以下であることが好ましく、5μC/cm2以下であることが更に好ましい。分極率Pr−Pindがこの値より大きい場合には、PZTの圧電アクチュエータとして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。 Polarizability Pr-Pind is preferably at 10 [mu] C / cm 2 or less, still more preferably 5 [mu] C / cm 2 or less. When the polarizability Pr-Pind is larger than this value, sufficient characteristics cannot be obtained with respect to displacement deterioration after continuous driving as a PZT piezoelectric actuator.
なお、図11においてコロナ電極510及びグリッド電極520の電圧や、ステージ530とコロナ電極510及びグリッド電極520との間の距離等を調整することにより、所望の分極率Pr−Pindを得ることができる。但し、所望の分極率Pr−Pindを得ようとした場合には、電気機械変換膜32に対して高い電界を発生させることが好ましい。
In FIG. 11, the desired polarizability Pr-Pind can be obtained by adjusting the voltage of the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、応用例として、液体吐出ヘッド2(図3参照)を備えた液体を吐出する装置を例示する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, as an application example, an apparatus for ejecting liquid including the liquid ejection head 2 (see FIG. 3) is illustrated.
まず、第2の実施の形態に係る液体を吐出する装置の一例について図13及び図14を参照して説明する。図13は同装置の要部平面説明図、図14は同装置の要部側面説明図である。 First, an example of an apparatus for discharging a liquid according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is an explanatory plan view of the main part of the apparatus, and FIG. 14 is an explanatory side view of the main part of the apparatus.
この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。
This apparatus is a serial type apparatus, and the
このキャリッジ403には、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッド2及びヘッドタンク441を一体にした液体吐出ユニット440を搭載している。液体吐出ユニット440の液体吐出ヘッド2は、例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色の液体を吐出する。又、液体吐出ヘッド2は、複数のノズル51からなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。
A
液体吐出ヘッド2の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド2に供給するための供給機構494により、ヘッドタンク441には、液体カートリッジ450に貯留されている液体が供給される。
The liquid stored in the
供給機構494は、液体カートリッジ450を装着する充填部であるカートリッジホルダ451、チューブ456、送液ポンプを含む送液ユニット452等で構成される。液体カートリッジ450はカートリッジホルダ451に着脱可能に装着される。ヘッドタンク441には、チューブ456を介して送液ユニット452によって、液体カートリッジ450から液体が送液される。
The
この装置は、用紙410を搬送するための搬送機構495を備えている。搬送機構495は、搬送手段である搬送ベルト412、搬送ベルト412を駆動するための副走査モータ416を含む。
This apparatus includes a
搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド2に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト412は、無端状ベルトであり、搬送ローラ413と、テンションローラ414との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、或いは、エアー吸引等で行うことができる。
The
そして、搬送ベルト412は、副走査モータ416によってタイミングベルト417及びタイミングプーリ418を介して搬送ローラ413が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。
The
更に、キャリッジ403の主走査方向の一方側には搬送ベルト412の側方に液体吐出ヘッド2の維持回復を行う維持回復機構420が配置されている。
Further, on one side of the
維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド2のノズル面(ノズル51が形成された面)をキャッピングするキャップ部材421、ノズル面を払拭するワイパ部材422等で構成されている。
The maintenance /
主走査移動機構493、供給機構494、維持回復機構420、搬送機構495は、側板491A,491B、背板491Cを含む筐体に取り付けられている。
The main
このように構成したこの装置においては、用紙410が搬送ベルト412上に給紙されて吸着され、搬送ベルト412の周回移動によって用紙410が副走査方向に搬送される。
In this apparatus configured as described above, the paper 410 is fed and sucked onto the
そこで、キャリッジ403を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド2を駆動することにより、停止している用紙410に液体を吐出して画像を形成する。
Therefore, the
このように、この装置では、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。 Thus, since this apparatus includes the liquid ejection head according to the first embodiment, a high-quality image can be stably formed.
次に、第2の実施の形態に係る液体吐出ユニットの他の例について図15を参照して説明する。図15は同ユニットの要部平面説明図である。 Next, another example of the liquid ejection unit according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 is an explanatory plan view of the main part of the unit.
この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド2で構成されている。
The liquid discharge unit includes a casing portion composed of
なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくとも何れかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。
Note that a liquid discharge unit in which at least one of the above-described maintenance and
次に、第2の実施の形態に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図16を参照して説明する。図16は同ユニットの正面説明図である。 Next, still another example of the liquid discharge unit according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 is an explanatory front view of the unit.
この液体吐出ユニットは、流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド2と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。
This liquid discharge unit includes a
なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。又、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド2と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。
The
本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。 In the present application, the “apparatus for discharging liquid” is an apparatus that includes a liquid discharge head or a liquid discharge unit and drives the liquid discharge head to discharge liquid. The apparatus for ejecting liquid includes not only an apparatus capable of ejecting liquid to an object to which liquid can adhere, but also an apparatus for ejecting liquid toward the air or liquid.
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置等も含むことができる。 This “apparatus for discharging liquid” may include means for feeding, transporting, and discharging a liquid to which liquid can adhere, as well as a pre-processing apparatus, a post-processing apparatus, and the like.
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。 For example, as a “liquid ejecting device”, an image forming device that forms an image on paper by ejecting ink, a powder is formed in layers to form a three-dimensional model (three-dimensional model) There is a three-dimensional modeling apparatus (three-dimensional modeling apparatus) that discharges a modeling liquid onto the powder layer.
又、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するもの等を意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布等の被記録媒体、電子基板、圧電素子等の電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セル等の媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
Further, the “apparatus for ejecting liquid” is not limited to an apparatus in which a significant image such as characters and figures is visualized by the ejected liquid. For example, what forms a pattern etc. which does not have a meaning in itself, and what forms a three-dimensional image are also included.
The above-mentioned “applicable liquid” means that the liquid can be attached at least temporarily and adheres and adheres, or adheres and penetrates. Specific examples include recording media such as paper, recording paper, recording paper, film, cloth, etc., electronic parts such as electronic boards, piezoelectric elements, powder layers (powder layers), organ models, examination cells, and other media. Yes, unless specifically limited, includes everything that the liquid adheres to.
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等液体が一時的でも付着可能であればよい。 The material of the above-mentioned “material to which liquid can adhere” is not limited as long as liquid such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics can be adhered even temporarily.
又、「液体」は、インク、処理液、DNA試料、レジスト、パターン材料、結着剤、造形液、又は、アミノ酸、たんぱく質、カルシウムを含む溶液及び分散液等も含まれる。 “Liquid” also includes ink, treatment liquid, DNA sample, resist, pattern material, binder, modeling liquid, or a solution and dispersion containing amino acid, protein, calcium, and the like.
又、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置等が含まれる。 In addition, the “device for ejecting liquid” includes a device in which the liquid ejection head and the device to which the liquid can adhere move relatively, but is not limited thereto. Specific examples include a serial type apparatus that moves the liquid discharge head, a line type apparatus that does not move the liquid discharge head, and the like.
又、「液体を吐出する装置」としては他にも、用紙の表面を改質する等の目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置等がある。 In addition to the “device for discharging liquid”, a processing liquid application device for discharging a processing liquid onto a sheet for applying a processing liquid to the surface of the paper for the purpose of modifying the surface of the paper, etc. There is an injection granulating apparatus or the like for granulating raw material fine particles by spraying a composition liquid dispersed in a solution through a nozzle.
「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたもの等が含まれる。 A “liquid ejection unit” is a unit in which functional parts and mechanisms are integrated with a liquid ejection head, and is an assembly of parts related to liquid ejection. For example, the “liquid discharge unit” includes a combination of at least one of a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance / recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism with a liquid discharge head.
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合等で互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。又、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。 Here, the term “integration” refers to, for example, a liquid discharge head, a functional component, and a mechanism that are fixed to each other by fastening, adhesion, engagement, etc., and one that is held movably with respect to the other. Including. Further, the liquid discharge head, the functional component, and the mechanism may be configured to be detachable from each other.
例えば、液体吐出ユニットとして、図14で示した液体吐出ユニット440のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。又、チューブ等で互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
For example, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a head tank are integrated as in the
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。 In addition, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a carriage are integrated.
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。又、図15で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。 In addition, there is a liquid discharge unit in which the liquid discharge head and the scanning movement mechanism are integrated by holding the liquid discharge head movably on a guide member constituting a part of the scanning movement mechanism. Further, as shown in FIG. 15, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head, a carriage, and a main scanning movement mechanism are integrated.
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head, a carriage, and a maintenance / recovery mechanism that are integrated by fixing a cap member that is a part of the maintenance / recovery mechanism to a carriage to which the liquid discharge head is attached. .
又、液体吐出ユニットとして、図16で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。 Further, as shown in FIG. 16, there is a liquid discharge unit in which a tube is connected to a liquid discharge head to which a head tank or a flow path component is attached, and the liquid discharge head and the supply mechanism are integrated. .
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。又、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。 The main scanning movement mechanism includes a guide member alone. The supply mechanism includes a single tube and a single loading unit.
又、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、上記実施形態で説明したような圧電アクチュエータ(積層型圧電素子を使用するものでもよい。)以外にも、発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータ等を使用するものでもよい。 The “liquid discharge head” is not limited to the pressure generating means to be used. For example, in addition to the piezoelectric actuator as described in the above embodiment (a multilayer piezoelectric element may be used), a thermal actuator using an electrothermal conversion element such as a heating resistor, a diaphragm and a counter electrode are included. An electrostatic actuator or the like may be used.
又、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等は何れも同義語とする。 Further, the terms “image formation”, “recording”, “printing”, “printing”, “printing”, “modeling”, etc. in the terms of the present application are all synonymous.
[実施例1]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO2(膜厚100nm)、SiN(膜厚150nm)、SiO2(膜厚1300nm)、SiN(150nm)、SiO2(膜厚100nm)、Si(200nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。
[Example 1]
A 6-inch silicon wafer is prepared as the
このとき、各層の単層での剛性と膜厚からトータル厚みでの等価ヤング率を計算した。更に、単層で最も高い剛性が得られているSiNの膜厚分布と、トータル厚みとしての膜厚分布の測定を行った。 At this time, the equivalent Young's modulus in the total thickness was calculated from the rigidity and film thickness of each layer. Furthermore, the thickness distribution of SiN, which has the highest rigidity in a single layer, and the thickness distribution as the total thickness were measured.
その後、振動板20上に密着層としてチタン膜(膜厚20nm)を成膜温度350℃でスパッタ装置にて成膜した後、RTA(急速熱処理)を用いて750℃にて熱酸化した。更に、密着層上に白金膜(膜厚160nm)を成膜温度300℃でスパッタ装置にて成膜し、下部電極31を作製した。
Thereafter, a titanium film (
次に、下部電極31上に下地層となるPbTiO3層としてPb:Ti=1:1に調整された溶液と、電気機械変換膜32としてPb:Zr:Ti=115:49:51に調整された溶液とを準備し、スピンコート法により膜を成膜した。
Next, a solution adjusted to Pb: Ti = 1: 1 as a PbTiO 3 layer serving as an underlayer on the
膜厚に関しては、最も高い剛性が得られているSiNの膜厚分布から、膜厚分布の調整を行い、後述の表1に記載されているような分布傾向になるように調整を行った。 Regarding the film thickness, the film thickness distribution was adjusted from the film thickness distribution of SiN, which had the highest rigidity, and the distribution tendency as described in Table 1 described later was adjusted.
具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。 For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/リットルにした。PTの溶液に関してもPZT同様に作製し、これらの液を用いて、最初にPT層をスピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥を実施し、その後PZTの液をスピンコートにより成膜し、120℃乾燥→400℃熱分解を行った。 Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.5 mol / liter. PT solutions were also prepared in the same manner as PZT, and using these solutions, a PT layer was first formed by spin coating, dried at 120 ° C., and then the PZT solution was formed by spin coating. Filmed and dried at 120 ° C. → 400 ° C. thermal decomposition.
3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度730℃)をRTAにて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回(24層)実施し、電気機械変換膜32として約2μmのPZT膜を得た。
After thermal decomposition treatment of the third layer, crystallization heat treatment (temperature: 730 ° C.) was performed by RTA. At this time, the film thickness of PZT was 240 nm. This process was performed a total of 8 times (24 layers) to obtain a PZT film of about 2 μm as the
次に、上部電極33を構成する酸化物電極膜として、SrRuO3膜(膜厚40nm)、金属膜として白金膜(膜厚125nm)をスパッタ法で成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて図9に示すようなパターンを作製した。これにより、振動板20上に電気機械変換素子30が作製された。
Next, an SrRuO 3 film (
次に、電気機械変換素子30上に、絶縁保護膜40として、ALD工法を用いてAl2O3膜を50nm成膜した。このとき原材料としてAlについては、TMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたO3を交互に積層させることで、成膜を進めた。
Next, an Al 2 O 3 film having a thickness of 50 nm was formed as an insulating
その後、図9に示すように、エッチングによりコンタクトホールHを形成した。その後、Alをスパッタ法で成膜し、エッチングによりパターニングして配線60を形成し、絶縁保護膜70としてSi3N4をプラズマCVD法により500nm成膜した。そして、絶縁保護膜70に開口部70xを設けて配線60の一部を露出させ、電極パッド61、62及び63とした。なお、電極パッド61は共通電極パッドであり、電極パッド62及び63は個別電極パッドであり、個別電極間パッド間の距離は80μmとした。
Thereafter, as shown in FIG. 9, a contact hole H was formed by etching. Thereafter, Al was formed by sputtering and patterned by etching to form
その後、分極処理装置500を用い、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ50μmのタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度80℃、コロナ電極510の電圧9kV、グリッド電極520の電圧2.5kV、処理時間30s、コロナ電極510−グリッド電極520間の距離4mm、グリッド電極520−ステージ530間の距離4mmにて行った。
Thereafter, polarization treatment was performed by corona charging treatment using the
その後、基板10の裏面をエッチングして圧力室10x(幅60μm)を形成し、液体吐出ヘッド2とした。但し、基板10の下部には、ノズル51を備えたノズル板50は接合されていなく、液体吐出ヘッド2は半完成状態である。
Thereafter, the back surface of the
[実施例2]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO2(膜厚95nm)、SiN(膜厚160nm)、SiO2(膜厚1200nm)、SiN(160nm)、SiO2(膜厚95nm)、Si(200nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。それ以外は実施例1と同様にして、電気機械変換素子30を作製した。
[Example 2]
A 6-inch silicon wafer is prepared as the
[実施例3]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚360nm)、SiO2(膜厚100nm)、SiO2(膜厚1300nm)、SiO2(膜厚100nm)、Si(360nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。
[Example 3]
As the
この際、振動板20を構成する膜の中で最も膜剛性の高いSiの膜厚分布から、スピンコートのノズル位置と塗布量の調整を行い、電気機械変換膜32の膜厚分布を表1に示すような膜厚分布に調整した。それ以外は実施例1と同様にして、電気機械変換素子30を作製した。
At this time, the nozzle position of the spin coat and the coating amount are adjusted from the film thickness distribution of Si having the highest film rigidity among the films constituting the
[実施例4]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚2900nm)を形成し、SiO2単層で振動板20を作製した。
[Example 4]
A 6-inch silicon wafer was prepared as the
この際、SiO2の膜厚分布から、スピンコートのノズル位置と塗布量の調整を行い、電気機械変換膜32の膜厚分布を表1に示すような膜厚分布に調整した。それ以外は実施例1と同様にして、電気機械変換素子30を作製した。
At this time, the spin coat nozzle position and the coating amount were adjusted from the SiO 2 film thickness distribution, and the film thickness distribution of the
[実施例5]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO2(膜厚90nm)、SiN(膜厚170nm)、SiO2(膜厚1100nm)、SiN(170nm)、SiO2(膜厚90nm)、Si(200nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。
[Example 5]
A 6-inch silicon wafer is prepared as the
その後、電気機械変換素子30の結晶化熱処理の温度を620℃とした以外は実施例1と同様にして、電気機械変換素子30を作製した。
Thereafter, the
[比較例1]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO2(膜厚85nm)、SiN(膜厚180nm)、SiO2(膜厚1000nm)、SiN(180nm)、SiO2(膜厚85nm)、Si(200nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。
[Comparative Example 1]
A 6-inch silicon wafer is prepared as the
この際、振動板20を構成する膜の中で最も膜剛性の高いSiNの膜厚分布から、スピンコートのノズル位置と塗布量の調整を行い、電気機械変換膜32の膜厚分布を表1に示すような膜厚分布に調整した。それ以外は実施例1と同様にして、電気機械変換素子30を作製した。
At this time, the nozzle position of the spin coat and the coating amount are adjusted from the film thickness distribution of SiN having the highest film rigidity among the films constituting the
[実施例1〜5、比較例1の検討]
実施例1〜5及び比較例1で作製した各液体吐出ヘッド2の電気機械変換素子30について、図4に示したC1の位置(ウェハWの外周側)に相当するチップを用いて、振動板20と電気機械変換膜32の膜厚分布を確認した。その後、電気機械変換素子30について、電気特性及び変位特性(圧電定数)の評価を行った。
[Examination of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1]
For the
変位特性については、図3に示すように基板10の裏面側から掘加工を行って圧力室10xを形成し、評価を実施した。具体的には、電界印加(150kV/cm)による変形量を、レーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出し、膜厚分布同様変位分布についても確認を行った。評価結果を表1に示す。
As for the displacement characteristics, as shown in FIG. 3, the
表1から分かるように、実施例1〜5については、Δδ/δ_Aveが目標とする±8%以内に収まっているが、比較例1についてはΔδ/δ_Aveが約±15%となり、目標とする±8%を大きく超えていた。つまり、振動板の膜厚分布に対する電気機械変換膜の膜厚分布を適切に調整することにより、Δδ/δ_Aveを目標とする±8%以内に収められることが確認された。 As can be seen from Table 1, in Examples 1 to 5, Δδ / δ_Ave is within the target ± 8%, but in Comparative Example 1, Δδ / δ_Ave is about ± 15%, which is the target. It greatly exceeded ± 8%. In other words, it was confirmed that Δδ / δ_Ave was within the target ± 8% by appropriately adjusting the film thickness distribution of the electromechanical conversion film with respect to the film thickness distribution of the diaphragm.
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments and the like have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be added.
例えば、上記の実施の形態では、上部電極を個別電極、下部電極を共通電極とした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、上部電極を共通電極、下部電極を個別電極とした構成においても同様の効果を得られる。 For example, in the above embodiment, the case where the upper electrode is an individual electrode and the lower electrode is a common electrode has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the same effect can be obtained even in a configuration in which the upper electrode is a common electrode and the lower electrode is an individual electrode.
1、2 液体吐出ヘッド
10 基板
10x 圧力室
20 振動板
30 電気機械変換素子
31 下部電極
32 電気機械変換膜
33 上部電極
35 吐出駆動装置
40、70 絶縁保護膜
40x、70x 開口部
50 ノズル板
51 ノズル
60 配線
61、62、63 電極パッド
401 ガイド部材
403 キャリッジ
405 主走査モータ
406 駆動プーリ
407 従動プーリ
408 タイミングベルト
410 用紙
412 搬送ベルト
413 搬送ローラ
414 テンションローラ
416 副走査モータ
417 タイミングベルト
418 タイミングプーリ
420 維持回復機構
421 キャップ部材
422 ワイパ部材
440 液体吐出ユニット
441 ヘッドタンク
442 カバー
443 コネクタ
444 流路部品
450 液体カートリッジ
451 カートリッジホルダ
452 送液ユニット
456 チューブ
491A、491B 側板
491C 背板
493 主走査移動機構
494 供給機構
495 搬送機構
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記振動板上に複数個配列された電気機械変換素子と、を有する吐出駆動装置であって、
前記電気機械変換素子は電気機械変換膜を備え、
前記電気機械変換素子の配列方向での前記振動板の膜厚の傾きをΔds、前記配列方向での前記電気機械変換膜の膜厚の傾きをΔdpとしたときに、Δds×Δdp<0であることを特徴とする吐出駆動装置。 A diaphragm,
A plurality of electromechanical transducers arranged on the diaphragm, and a discharge driving device comprising:
The electromechanical conversion element includes an electromechanical conversion film,
Δds × Δdp <0, where Δds is an inclination of the film thickness of the diaphragm in the arrangement direction of the electromechanical conversion elements and Δdp is an inclination of the film thickness of the electromechanical conversion film in the arrangement direction. A discharge driving device characterized by that.
前記配列方向での、前記複数の層のうち最もヤング率の大きい層の膜厚の傾きをΔds_maxとしたときに、Δds_max×Δdp<0であることを特徴とする請求項1に記載の吐出駆動装置。 The diaphragm is formed of a plurality of layers,
2. The ejection drive according to claim 1, wherein Δds_max × Δdp <0, where Δds_max is a thickness gradient of the layer having the largest Young's modulus among the plurality of layers in the arrangement direction. apparatus.
前記配列方向での、前記複数の層のうち最もヤング率の大きい層の平均膜厚をAve_ds_maxとしたときに、Δds_max/Ave_ds_maxが±5%以内であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The diaphragm is formed of a plurality of layers,
5. The Δds_max / Ave_ds_max is within ± 5% when an average film thickness of the layer having the largest Young's modulus among the plurality of layers in the arrangement direction is Ave_ds_max. The discharge driving device according to any one of the above.
前記配列方向での、前記複数の層のうち最もヤング率の大きい層の平均ヤング率が150GPa以上であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The diaphragm is formed of a plurality of layers,
7. The ejection driving device according to claim 1, wherein an average Young's modulus of a layer having the largest Young's modulus among the plurality of layers in the arrangement direction is 150 GPa or more.
前記振動板の膜厚が1μm以上3μm以下であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The diaphragm is formed from a plurality of layers including a SiO 2, SiN, a layer made of Poly-Si,
8. The ejection driving device according to claim 1, wherein a thickness of the diaphragm is 1 μm or more and 3 μm or less.
夫々の前記電気機械変換素子に対応して設けられた、液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する加圧室と、を有し、
前記加圧室の壁の一部を前記振動板で構成し、
前記吐出駆動装置が前記加圧室内の液体を昇圧させることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A discharge driving device according to any one of claims 1 to 10,
Provided corresponding to each of the electromechanical conversion elements, a nozzle for discharging liquid, and a pressurizing chamber to which the nozzle communicates,
A part of the wall of the pressurizing chamber is constituted by the diaphragm,
The liquid discharge head, wherein the discharge driving device pressurizes the liquid in the pressurizing chamber.
前記配列方向の両端部に位置する前記電気機械変換素子の変位特性δの前記配列方向の傾きをΔδ、前記変位特性δの平均値をδ_Aveとしたときに、Δδ/δ_Aveが±8%以内であることを特徴とする請求項11に記載の液体吐出ヘッド。 When evaluating the displacement characteristic δ of the electromechanical conversion element by applying an electric field strength of 150 kv / cm to the electromechanical conversion film,
Δδ / δ_Ave is within ± 8%, where Δδ is the slope of the displacement direction δ of the electromechanical transducers located at both ends of the array direction and Δδ is the average value of the displacement characteristics δ. The liquid discharge head according to claim 11, wherein the liquid discharge head is provided.
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