JP5707907B2 - Piezoelectric actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device - Google Patents

Piezoelectric actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device Download PDF

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Description

本発明は、強誘電体を材料として用いた圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド、さらに該液滴吐出ヘッドを用いた印刷用途のインクジェット式記録装置や表示装置製造や基板印刷のために工業材料を吐出させるための液滴吐出装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric actuator using a ferroelectric material as a material, a droplet discharge head using the piezoelectric actuator, and an inkjet recording apparatus or display device for printing applications using the droplet discharge head. Therefore, the present invention relates to a droplet discharge device for discharging industrial materials.

近年、インクジェットのアクチュエータとして使用される圧電型インクジェットヘッドは、高密度化への流れが加速され、従来の積層型ピエゾ圧電素子を用いる方式(例えば、特許文献1参照)から、薄膜の圧電素子を振動板の上に形成する方式(例えば、特許文献2参照)に移行されつつある。後者の方式では、インク液室を形成したシリコン(Si)基板上に絶縁体からなる振動板が形成され、該インク液室の逆側に電極に挟まれた圧電体(圧電体素子)を配置する構成となる。この方式では、上下の電極に電圧を印加し、電圧に応じた圧電体の変形を振動板を介してインク液室内のインクに伝達する構成となっており、圧縮されたインク室内のインクはノズル板に形成されたノズル孔から吐出される。   In recent years, piezoelectric inkjet heads used as inkjet actuators have been accelerated in the trend toward higher density, and thin-film piezoelectric elements have been changed from conventional methods using stacked piezoelectric elements (see, for example, Patent Document 1). A method of forming on a diaphragm (for example, see Patent Document 2) is being transferred. In the latter method, a diaphragm made of an insulator is formed on a silicon (Si) substrate on which an ink liquid chamber is formed, and a piezoelectric body (piezoelectric element) sandwiched between electrodes is disposed on the opposite side of the ink liquid chamber. It becomes the composition to do. In this system, a voltage is applied to the upper and lower electrodes, and the deformation of the piezoelectric body corresponding to the voltage is transmitted to the ink in the ink liquid chamber via the diaphragm, and the compressed ink in the ink chamber is a nozzle. It discharges from the nozzle hole formed in the board.

また、同じ材料系と同じ電極構成を使った強誘電体メモリの開発も行われている。強誘電体メモリはFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)と言われ、不揮発性の半導体メモリとして誘電体膜の分極反転時間が速い(1ns以下)ためDRAM並みの高速動作が期待できると言われている。
デバイスの用途は異なるが、インクジェット用アクチュエーターも強誘電体メモリーも駆動電圧の繰り返し印加が実行される点では同じであり、駆動電圧の繰り返しによるデバイスの耐久性の課題も共通していると言える。
In addition, ferroelectric memories using the same material system and the same electrode configuration have been developed. Ferroelectric memory is said to be FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), and it is said that high-speed operation similar to DRAM can be expected because the polarization inversion time of the dielectric film is fast (less than 1 ns) as a nonvolatile semiconductor memory.
Although the application of the device is different, the inkjet actuator and the ferroelectric memory are the same in that the driving voltage is repeatedly applied, and it can be said that the device has a common problem of durability due to the repetition of the driving voltage.

ここで、耐久性に関わる疲労特性改善の手段として、(i)圧電体自体の材料の改善によるもの(例えば,特許文献3参照)、(ii)加工方法の改善によるもの(例えば、特許文献4参照)、(iii)酸化物電極等電極の改善によるもの(例えば特許文献5、6参照)、(iv)バリア層の挿入によるもの(例えば、特許文献7参照)などが知られている。   Here, as means for improving fatigue characteristics related to durability, (i) improvement by the material of the piezoelectric body itself (for example, refer to Patent Document 3), (ii) improvement by processing method (for example, Patent Document 4) (Iii) by improvement of an electrode such as an oxide electrode (see, for example, Patent Documents 5 and 6), (iv) by insertion of a barrier layer (for example, see Patent Document 7), and the like.

ちなみに、前記の特許文献3には、下部電極膜を形成し、その後、前記下部電極膜に対する急速加熱処理を行ない、次に、前記下部電極膜上に強誘電体膜を形成し、その後、前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する半導体の製造方法が記載されている。
前記の特許文献4には、RTA(Rapid Thermal Anneal)を採用する強誘電体デバイスの形成方法が記載されている。
前記の特許文献5には、第2電極層上の第1バリア層をIrOで形成する強誘電体デバイスが記載されている。
前記の特許文献6には、上部電極が誘電体膜に近い側に形成されたSrRuO3膜と、誘電体膜から遠い側にSrRuO3とは異なる導電材料を用いて形成された導電膜とによって構成する半導体が記載されている。
前記の特許文献7には、バリア膜(TiAlN膜、TiN膜等)を下部電極の下全面上に形成する半導体が記載されている。
Incidentally, in the above-mentioned Patent Document 3, a lower electrode film is formed, and then a rapid heating process is performed on the lower electrode film, and then a ferroelectric film is formed on the lower electrode film. A semiconductor manufacturing method in which an upper electrode film is formed on a ferroelectric film is described.
Patent Document 4 discloses a method for forming a ferroelectric device that employs RTA (Rapid Thermal Anneal).
Patent Document 5 discloses a ferroelectric device in which the first barrier layer on the second electrode layer is formed of IrO 2 .
In Patent Document 6, the SrRuO 3 film in which the upper electrode is formed on the side close to the dielectric film and the conductive film formed using a conductive material different from SrRuO 3 on the side far from the dielectric film are disclosed. The constituent semiconductor is described.
Patent Document 7 describes a semiconductor in which a barrier film (TiAlN film, TiN film, etc.) is formed on the entire lower surface of a lower electrode.

本発明の目的は、駆動電圧の繰り返し印加に対して特性劣化の小さな圧電アクチュエータ、該圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having a small characteristic deterioration with respect to repeated application of a drive voltage, a droplet discharge head using the piezoelectric actuator, and a droplet discharge device.

上記のように、特に、強誘電体メモリでは、1×1010回データの読み書きを繰り返し行う点で、疲労特性は重要な項目となっている。酸化物電極の取り組みにより直接Pt電極を用いる場合と比べ疲労特性が改善されるのは公知である。しかしながら、これら従来技術の手法を用いても疲労特性は低下しつつあり、これらの従来の技術によっても疲労特性の低下を抑制することはできないという課題がある。圧電アクチュエータにおいても状況は同じである。また、劣化のメカニズムは、前述のように、駆動時の電圧印加により圧電体中の酸素原子がプラスに印加された電極方向に引かれ、電極付近でその濃度が小さくなり酸素空孔が増えてくることに問題がある。その過程では、酸化物電極を用いた場合でも同様と考えられる。 As described above, in particular, in the ferroelectric memory, the fatigue characteristic is an important item in that data reading / writing is repeated 1 × 10 10 times. It is well known that the fatigue characteristics are improved by the approach of the oxide electrode as compared with the case of directly using the Pt electrode. However, even if these conventional techniques are used, the fatigue characteristics are decreasing, and there is a problem that the deterioration of the fatigue characteristics cannot be suppressed even by these conventional techniques. The situation is the same for piezoelectric actuators. In addition, as described above, the deterioration mechanism is that oxygen atoms in the piezoelectric body are pulled in the positive direction by applying voltage during driving, and the concentration decreases near the electrodes and oxygen vacancies increase. There is a problem in getting it. In the process, the same is considered even when an oxide electrode is used.

本発明者は、こうした実情に鑑みなされたものであり、圧電体を用いた電子デバイスの駆動電圧の繰り返し疲労特性に対し、酸化物電極と同等以上の特性を有する特定の構成からなるバリア層を圧電体膜に接触して設けることによって良好な効果(疲労特性の改善)がもたらされることを見出した。本発明はこうした知見に基づいてなされたものである。本発明によれば、つぎの発明が提供される。   The present inventor has been made in view of such circumstances, and a barrier layer having a specific configuration having characteristics equal to or higher than that of an oxide electrode with respect to repeated fatigue characteristics of driving voltage of an electronic device using a piezoelectric body. It has been found that a good effect (improvement of fatigue characteristics) is brought about by being provided in contact with the piezoelectric film. The present invention has been made based on these findings. According to the present invention, the following invention is provided.

(1)基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記第二のバリア層膜はTi,Ta,Zr,V,Nb,Moから選ばれる少なくとも1つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成され、かつ該第二バリア層膜を構成する材料における金属炭化物の割合が20mol%以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
)前記第一層膜を構成する材料がLaNiOであることを特徴とする上記(1)に記載の圧電アクチュエータ。
)上記(1)〜(2)のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
)上記(3)に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。
(1) A piezoelectric actuator in which a vibration layer film, a first electrode film, a first barrier layer film, a piezoelectric film, a second barrier layer film, and a second electrode film are laminated in this order on a substrate. The piezoelectric film is made of lead zirconate titanate, and the second barrier layer film is made of at least one metal element selected from Ti, Ta, Zr, V, Nb, and Mo, an oxygen element, and a carbon element. A piezoelectric actuator characterized in that the proportion of metal carbide in the material constituting the second barrier layer film is 20 mol% or more.
(2) The piezoelectric actuator according to (1) above the material constituting the first layer film is characterized in that it is a LaNiO 3.
( 3 ) A droplet discharge head comprising the piezoelectric actuator according to any one of (1) to (2 ) above.
( 4 ) A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head described in (3 ) above.

本願発明では、第二バリア層としてTi、Ta、Zr、V、Nb、Moから選ばれた少なくとも一つの金属と酸素および炭素により構成された材料を用いることにより、駆動電圧の繰り返し印加に対して特性劣化の小さな素子の形成を達成することができた。この効果が発現できた理由はPbの移動等に対しバリア性が良く、また酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもPZT(チタン酸ジルコン鉛)および通常用いられるPt,Irなどの金属電極との密着性にも優れていること、さらに電気抵抗の小さな材料であったことによると考えられる。   In the present invention, by using a material composed of at least one metal selected from Ti, Ta, Zr, V, Nb, and Mo and oxygen and carbon as the second barrier layer, against the repeated application of the driving voltage. It was possible to achieve the formation of an element with small characteristic deterioration. The reason why this effect can be exhibited is that it has a good barrier property against the movement of Pb and the like, and is a material more stable than the oxide electrode at the electrode interface where oxygen moves, and PZT (lead zirconate titanate) and commonly used Pt, This is considered to be due to excellent adhesion to a metal electrode such as Ir and a material having a small electric resistance.

本発明の圧電アクチュエータの概略図である。It is the schematic of the piezoelectric actuator of this invention. 本発明の圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの概略図である。It is the schematic of the droplet discharge head provided with the piezoelectric actuator of this invention. 本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the droplet discharge head of this invention. 本発明の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を搭載した液滴吐出装置(インクジェット記録装置)を示す図である。It is a figure which shows the droplet discharge apparatus (inkjet recording device) which mounts the droplet discharge head (inkjet head) of this invention. 本発明の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を搭載した液滴吐出装置(インクジェット記録装置)を示す図である。It is a figure which shows the droplet discharge apparatus (inkjet recording device) which mounts the droplet discharge head (inkjet head) of this invention. 炭化物と酸化物の組成量に関して混合割合によるターゲットの比抵抗を示す図である。It is a figure which shows the specific resistance of the target by a mixing ratio regarding the composition amount of a carbide | carbonized_material and an oxide.

本発明者は、第二バリア層としてのバリア性が良く、酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもPZTおよび通常用いられるPt,Irなどの金属電極との密着性にも優れ、電気抵抗の小さな材料をいくつかの金属の金属単体、酸化物、炭化物、窒化物から選択し、これらの融点を調べた(表1)。   The present inventor has a good barrier property as the second barrier layer, is more stable than the oxide electrode at the electrode interface where oxygen moves, and has good adhesion to PZT and commonly used metal electrodes such as Pt and Ir. In addition, a material having a low electric resistance was selected from several simple metals, oxides, carbides and nitrides, and their melting points were examined (Table 1).

表1から分かるように、炭化物は酸化物に対して、より融点が高く熱的安定性に優れている。熱的に安定だということは、多くの材料において化学的にも安定であり、物質との相互作用が少なく第二バリア層として有効であると考えられる。しかし、一方で炭化物は、たとえばガラス素材を成型するときの型材として用いられるように、多くの物質に対する密着性は必ずしも良くない。たとえば、金属の工具として用いられるTiCなどは、金属の工具に対しイオンプレーティングなど特殊な形成方法を用いて高温で形成し、密着性を確保している。この様な手法を用いて形成されるのは普通に形成したのでは、充分な密着性が得られず工具として使用する際に膜の剥離等が起きるためである。   As can be seen from Table 1, carbides have higher melting points than oxides and are excellent in thermal stability. The fact that it is thermally stable is considered to be chemically stable in many materials, has little interaction with substances, and is effective as a second barrier layer. However, on the other hand, carbides are not necessarily good in adhesion to many substances, for example, as used as a mold material when molding a glass material. For example, TiC or the like used as a metal tool is formed at a high temperature using a special forming method such as ion plating on a metal tool to ensure adhesion. The reason why the film is formed by using such a method is that if it is formed normally, sufficient adhesion cannot be obtained, and film peeling occurs when it is used as a tool.

そこで本発明者は、密着性を改善するための方法として、第二バリア層の形成材料をこれらの炭化物と酸化物を混合して用いた。混合して用いることでことによって、化学的な安定性と密着性を備えたバリア層を得ることが出来ることを確かめた。なお、炭素の含有量は、使用する圧電材料の種類・電極材料の種類等の条件により変化させることができ、その含有量はプロセスを成立させるための設計事項である。   Therefore, the present inventor used a material for forming the second barrier layer in a mixture of these carbides and oxides as a method for improving adhesion. It was confirmed that a barrier layer having chemical stability and adhesion can be obtained by using a mixture. The carbon content can be changed depending on conditions such as the type of piezoelectric material used and the type of electrode material, and the content is a design matter for establishing the process.

さらに、従来より知られている酸化物電極に関してもそれらの融点を調査した。その結果を表2に記載する。これらの融点を比べても、多くの炭化物は表2にある酸化物電極材よりも高い融点を示している。すなわち化学的に安定であると判断することができる。   Furthermore, the melting points of oxide electrodes that have been conventionally known were also investigated. The results are listed in Table 2. Even when these melting points are compared, many carbides have melting points higher than those of the oxide electrode materials shown in Table 2. That is, it can be judged that it is chemically stable.

こうした研究・検討から導かれる本発明は、基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記第二のバリア層膜はTi,Ta,Zr,V,Nb,Moから選ばれる少なくとも1つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成され、かつ該第二バリア層膜を構成する材料における金属炭化物の割合が20mol%以上であることを特徴とするものである。 In the present invention derived from such research and examination , the vibration layer film, the first electrode film, the first barrier layer film, the piezoelectric film, the second barrier layer film, and the second electrode film are formed on the substrate. Piezoelectric actuators laminated in order, wherein the piezoelectric film is made of lead zirconate titanate, and the second barrier layer film is at least one metal selected from Ti, Ta, Zr, V, Nb, Mo It is characterized in that the proportion of the metal carbide in the material which is composed of an element, oxygen element and carbon element and which constitutes the second barrier layer film is 20 mol% or more .

以下に、図面を参照して本発明さらに詳細に説明する。
図1に本発明の圧電アクチュエータの概略図を示す。基板30上に第一バリア層膜10および下部電極50と第二バリア層膜11および上部電極70との間に挟まれた電気機械変換効果を示す圧電体膜60が形成され、電界印加に対して基板と一体となっている振動層膜の一部を変形させる。図中、符号40は振動層膜、51は電極密着層を示している。ここで、基板30と電極密着層51の間に形成されている振動層膜40は、例えば、Si基板材料の表面を熱酸化することにより形成されるSiO絶縁膜である。また、振動層膜40と下部電極50との間に形成されている電極密着層51は、圧電アクチュエータの機械的強度を担うことから、金属酸化膜で形成される。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of the piezoelectric actuator of the present invention. A piezoelectric film 60 having an electromechanical conversion effect sandwiched between the first barrier layer film 10 and the lower electrode 50 and the second barrier layer film 11 and the upper electrode 70 is formed on the substrate 30. Then, a part of the vibration layer film integrated with the substrate is deformed. In the figure, reference numeral 40 denotes a vibration layer film, and 51 denotes an electrode adhesion layer. Here, the vibration layer film 40 formed between the substrate 30 and the electrode adhesion layer 51 is, for example, a SiO 2 insulating film formed by thermally oxidizing the surface of the Si substrate material. The electrode adhesion layer 51 formed between the vibration layer film 40 and the lower electrode 50 is formed of a metal oxide film because it bears the mechanical strength of the piezoelectric actuator.

さらに、図2に示すように、基板30の一部に圧電素子(圧電アクチュエータ)に対応して圧力室31を形成し、ノズルプレート20を接合した場合、電極への電界印加によってノズル孔21から圧力室31中の液体(インク)が吐出される液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)が構成される。   Furthermore, as shown in FIG. 2, when a pressure chamber 31 is formed in a part of the substrate 30 corresponding to a piezoelectric element (piezoelectric actuator) and the nozzle plate 20 is joined, the nozzle hole 21 is applied by applying an electric field to the electrodes. A liquid droplet discharge head (inkjet head) that discharges the liquid (ink) in the pressure chamber 31 is configured.

基板30は加工性に優れ、機械的強度が高く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規制されるものではなく、Si基体であっても、セラミックスであっても、金属であってもよく、また、複数の材料による構造体から構成されていてもよいが、特にSi基体であるのが好ましい。   The substrate 30 is not particularly restricted as long as it is excellent in workability, has high mechanical strength, and is inactive at the heat treatment / firing temperature. It may be composed of a structure made of a plurality of materials, but is preferably a Si substrate.

電極50、70の材料としては、熱処理・焼成温度での高温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族元素(Pd,Rh,Ir,Ru)などの高温融点貴金属類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定性の点からもっとも好ましい。
下部電極50の膜厚は100〜250nmである。また、下部電極50の形成条件は、基板温度:250〜350℃、RF投入パワー:300〜500W、Arガス圧:2×10−3〜5×10−2Torrである。
上部電極70の膜厚は50〜150nmである。また、上部電極70の形成条件は、基板温度:250〜350℃、RF投入パワー:300〜500W、Arガス圧:2×10−3〜5×10−2Torrである。
上記の記載では、電極形成にスパッタ法を用いた場合の条件を示してある。スパッタ装置は、キヤノンアネルバ社製のスパッタ装置(型式:E−401S)を用いた。本装置はターゲットサイズは4インチφのサイズであり、上記に記載した投入パワーは4インチφのサイズに印加した電力であり、ターゲットサイズが変わった場合は面積比率で増減することにより条件の置き換えが可能である。
The material of the electrodes 50 and 70 may be a conductor that can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere at a heat treatment / firing temperature, high-temperature melting precious metals such as platinum and platinum group elements (Pd, Rh, Ir, Ru), and their An electrode material mainly composed of an alloy is most preferable from the viewpoint of stability.
The film thickness of the lower electrode 50 is 100 to 250 nm. The formation conditions of the lower electrode 50 are substrate temperature: 250 to 350 ° C., RF input power: 300 to 500 W, Ar gas pressure: 2 × 10 −3 to 5 × 10 −2 Torr.
The film thickness of the upper electrode 70 is 50 to 150 nm. The formation conditions of the upper electrode 70 are substrate temperature: 250 to 350 ° C., RF input power: 300 to 500 W, Ar gas pressure: 2 × 10 −3 to 5 × 10 −2 Torr.
In the above description, the conditions when the sputtering method is used for electrode formation are shown. As the sputtering apparatus, a sputtering apparatus manufactured by Canon Anelva (model: E-401S) was used. This device has a target size of 4 inches φ, and the input power described above is the power applied to the size of 4 inches φ. If the target size changes, the condition can be changed by increasing or decreasing the area ratio. Is possible.

圧電体膜60には、PZT系セラミックスが好ましく、スクリーン印刷して焼結した厚膜のものや、スパッタや蒸着、或いはゾルゲル法により形成する薄膜のものでもよい。圧電体膜60の膜厚は300nm〜3μmである。   The piezoelectric film 60 is preferably a PZT ceramic, and may be a thick film obtained by screen printing and sintering, or a thin film formed by sputtering, vapor deposition, or a sol-gel method. The film thickness of the piezoelectric film 60 is 300 nm to 3 μm.

第二バリア層膜11は、圧電体膜60のPZTからの鉛の拡散が上部電極70まで広がらないようにする役割を果たしている。
第二バリア層膜11の材料としては、バリア性が良く、酸素が移動する電極界面において酸化物電極より安定な材料で、しかもPZTおよび通常用いられるPt、Irなどの金属電極との密着性にも優れ、電気抵抗の小さな材料が選択され、具体的には、Ti、Ta、Zr、V、Nb、Moから選ばれた少なくとも一つの金属と酸素および炭素により構成された材料が用いられる。
第二バリア層膜11の膜厚は、化学的な安定性が高いため公知の密着層膜厚範囲よりも薄くてもよく、第二バリア層の膜厚は2〜50nm程度であり、好ましくは2〜30nm、より好ましくは2〜20nmである。2nm未満であると膜として全面を均一に覆うことが難しく、50nmを超えると圧電体膜の変位を阻害し始める。
また、第二バリア層膜11は、前記材料の粉末を用い、均一混合後HIP法(ガス圧を用いて等方圧加圧下で焼結させる方法)によりスパッタリング・ターゲット状に焼結し、これを用いてスパッタリングより成膜される。第二バリア層11の形成条件は、基板温度:200〜300℃、RF投入パワー:300〜500W、Arガス圧:2×10−3〜5×10−2Torrである。
The second barrier layer film 11 serves to prevent the diffusion of lead from the PZT of the piezoelectric film 60 from spreading to the upper electrode 70.
The material of the second barrier layer film 11 is a material that has good barrier properties and is more stable than an oxide electrode at the electrode interface through which oxygen moves, and has good adhesion to PZT and commonly used metal electrodes such as Pt and Ir. In addition, a material having an excellent electrical resistance is selected. Specifically, a material composed of at least one metal selected from Ti, Ta, Zr, V, Nb, and Mo, oxygen, and carbon is used.
The film thickness of the second barrier layer film 11 may be thinner than the known adhesion layer film thickness range because of high chemical stability, and the film thickness of the second barrier layer is about 2 to 50 nm, preferably It is 2-30 nm, More preferably, it is 2-20 nm. If it is less than 2 nm, it is difficult to uniformly cover the entire surface as a film, and if it exceeds 50 nm, displacement of the piezoelectric film starts to be inhibited.
In addition, the second barrier layer film 11 is sintered in the form of a sputtering target by using the powder of the material, and after homogeneous mixing, by the HIP method (method of sintering under isotropic pressure using a gas pressure). Is formed by sputtering. The formation conditions of the second barrier layer 11 are: substrate temperature: 200 to 300 ° C., RF input power: 300 to 500 W, Ar gas pressure: 2 × 10 −3 to 5 × 10 −2 Torr.

第一バリア層膜10は、圧電体膜60のPZTからの鉛の拡散が振動層膜(SiO絶縁膜)40まで広がらないように止める役割を果たしている。
第一バリア層膜10の材料としては、次に積層される圧電体膜60と結晶の格子整合性が良好なLaNiO、IrO2、SrO、SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3、LaCuO3、LaCoO3、LaTiO3、LuNiO3、CaIrO3、CaRuO3、などであるのが好ましい。特に好ましい材料はLaNiOである。
第一バリア層膜10の膜厚は10〜100nm、好ましくは30〜80nmである。10nm未満であると膜として十分なバリア性が得られない場合が起こりえることとなり、100nmを超えるとエッチング時の時間が掛かり過ぎる、プロセス時間が増大することとなってしまう。
第一バリア層膜10の形成条件は、基板温度:250〜550℃、RF投入パワー:300〜500W、Arガス圧:2×10−3〜5×10−2Torrである。
The first barrier layer film 10 serves to stop the diffusion of lead from the PZT of the piezoelectric film 60 from spreading to the vibration layer film (SiO 2 insulating film) 40.
As the material of the first barrier layer film 10, LaNiO 3 , IrO 2 , SrO, SrRuO 3 , CaRuO 3 , BaRuO 3 , LaCuO 3 , LaCoO 3 , which have good crystal lattice matching with the piezoelectric film 60 to be laminated next. 3 , LaTiO 3 , LuNiO 3 , CaIrO 3 , CaRuO 3 , and the like are preferable. A particularly preferred material is LaNiO 3 .
The film thickness of the first barrier layer film 10 is 10 to 100 nm, preferably 30 to 80 nm. If the thickness is less than 10 nm, a sufficient barrier property as a film may not be obtained. If the thickness exceeds 100 nm, it takes too much time for etching and the process time increases.
The formation conditions of the first barrier layer film 10 are substrate temperature: 250 to 550 ° C., RF input power: 300 to 500 W, Ar gas pressure: 2 × 10 −3 to 5 × 10 −2 Torr.

電極密着層膜51は、下部電極50と振動層膜(SiO絶縁膜)40との密着性の改善のために必要に応じて設けられるものである。電極密着層膜51の材料としては、PZT焼成温度において十分耐性を持ち、鉛に対して反応性が低く、高い機械的強度を有する金属酸化膜、例えば、MgO、GeO、Y、Al、SrTiO、MgO−Alや、より高い靭性を持つイットリウム、セリウム、マグネシウム、カルシウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いることも好ましい。
電極密着層膜51の膜厚は100〜600nmであり、膜内の応力分布を生じさせないためには、より好ましくは300〜400nmである。密着層膜51の形成条件は、基板温度:300〜500℃、RF投入パワー:300〜500W、Arガス圧:3×10−3〜7×10−3Torrである。
The electrode adhesion layer film 51 is provided as necessary for improving the adhesion between the lower electrode 50 and the vibration layer film (SiO 2 insulating film) 40. As a material of the electrode adhesion layer film 51, a metal oxide film having sufficient resistance at a PZT firing temperature, low reactivity with respect to lead, and high mechanical strength, for example, MgO, GeO 2 , Y 2 O 3 , A partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide film containing at least one oxide of Al 2 O 3 , SrTiO 3 , MgO—Al 2 O 3 , yttrium, cerium, magnesium and calcium having higher toughness. It is also preferable to use it.
The film thickness of the electrode adhesion layer film 51 is 100 to 600 nm, and more preferably 300 to 400 nm in order not to cause stress distribution in the film. The formation conditions of the adhesion layer film 51 are: substrate temperature: 300 to 500 ° C., RF input power: 300 to 500 W, Ar gas pressure: 3 × 10 −3 to 7 × 10 −3 Torr.

図3は、本発明の液滴吐出ヘッドの分解斜視図であり、一部を断面図で示してある。本実施の形態は、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の液体吐出ヘッドであり、インクを吐出するノズル孔21を有するノズルプレート20となる第2の基板2と、吐出室(インク液室)31、振動板、圧電素子を形成した液室基板となる第1の基板と、圧電素子保護のための空間74を設けた保護基板となる第3の基板からなるものであり、これら3枚の基板を重ねた積層構造となっている。   FIG. 3 is an exploded perspective view of the droplet discharge head of the present invention, and a part thereof is shown in a sectional view. The present embodiment is a side shooter type liquid discharge head that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface of the substrate, and the second substrate 2 that becomes the nozzle plate 20 having the nozzle holes 21 for discharging ink. A first substrate serving as a liquid chamber substrate on which an ejection chamber (ink liquid chamber) 31, a vibration plate, and a piezoelectric element are formed, and a third substrate serving as a protective substrate provided with a space 74 for protecting the piezoelectric element. It has a laminated structure in which these three substrates are stacked.

第1の基板1は、シリコン基板30上に積層膜を形成した構成の振動層膜40は、例えば、Si基板材料の表面を熱酸化することにより形成される(SiO絶縁膜)40が設けられている。このシリコン基板30の一方の面上には、振動層膜40、下部電極50となる白金膜、第一バリア層10、圧電体層60、第二バリア層11、上部電極70が積層形成されている。また、他方の面には、シリコン基板30をエッチングすることにより、吐出室31、これに連通する流体抵抗部32及び共通液室33が形成されている。 In the first substrate 1, the vibration layer film 40 having a structure in which a laminated film is formed on the silicon substrate 30 is formed, for example, by thermally oxidizing the surface of a Si substrate material (SiO 2 insulating film) 40. It has been. On one surface of the silicon substrate 30, a vibration layer film 40, a platinum film serving as a lower electrode 50, a first barrier layer 10, a piezoelectric layer 60, a second barrier layer 11, and an upper electrode 70 are laminated. Yes. In addition, a discharge chamber 31, a fluid resistance portion 32 and a common liquid chamber 33 communicating with the discharge chamber 31 are formed on the other surface by etching the silicon substrate 30.

第2の基板2は、ニッケル高速電鋳法により形成されたものであり、厚さは30μmである。第2の基板2は、第1の基板1に形成される吐出室31の壁面を構成するものであり、各々の吐出室31に対応してノズル孔21が設けられている。   The second substrate 2 is formed by a nickel high speed electroforming method and has a thickness of 30 μm. The second substrate 2 constitutes the wall surface of the discharge chamber 31 formed in the first substrate 1, and the nozzle hole 21 is provided corresponding to each discharge chamber 31.

第3の基板3は、下部電極50、圧電体膜60、上部電極70により構成される圧電素子の動作領域を確保し、保護するための空間74が形成されたものである。   The third substrate 3 is provided with a space 74 for securing and protecting an operation area of the piezoelectric element constituted by the lower electrode 50, the piezoelectric film 60, and the upper electrode 70.

この液滴吐出ヘッドの動作について説明する。インク供給孔34から共通液室33を経由して各々の吐出室31内にインクが供給される。各々の吐出室31がインクにより満たされた状態において、圧電素子の上部電極70と下部電極50との間に、20Vの所定のパルス幅のパルス電圧を印加する。これにより、横振動モードで変形する圧電素子が縮み、振動層膜40全体が吐出室31側に、凸状態となるように変形する。これにより、吐出室31内の体積が減少し、吐出室31内の圧力が急上昇し、ノズル孔21より図示されていないインク液滴が記録紙に向けて吐出される。このパルス電圧を連続的に印加することにより、ノズル孔21より連続的にインク液滴を吐出することができる。   The operation of this droplet discharge head will be described. Ink is supplied into each discharge chamber 31 from the ink supply hole 34 via the common liquid chamber 33. In a state where each discharge chamber 31 is filled with ink, a pulse voltage having a predetermined pulse width of 20 V is applied between the upper electrode 70 and the lower electrode 50 of the piezoelectric element. As a result, the piezoelectric element that is deformed in the transverse vibration mode contracts, and the entire vibration layer film 40 is deformed so as to be convex toward the discharge chamber 31 side. As a result, the volume in the discharge chamber 31 decreases, the pressure in the discharge chamber 31 increases rapidly, and ink droplets (not shown) are discharged from the nozzle holes 21 toward the recording paper. By continuously applying this pulse voltage, ink droplets can be continuously discharged from the nozzle hole 21.

つぎに、本発明に係る液滴吐出装置について説明する。
本発明に係る液滴吐出装置は、液滴を吐出(噴射ともいう)させて画像を形成する装置であって、前述した本発明の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする。
ここでは、図4及び図5を用いて、本発明の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置であるインクジェット記録装置を実施例として説明する。なお、図4は同記録装置の斜視説明図、図5は同記録装置の機構部の側面説明図である。
Next, the droplet discharge device according to the present invention will be described.
A droplet discharge apparatus according to the present invention is an apparatus that forms an image by discharging (also referred to as jetting) droplets, and includes the above-described droplet discharge head of the present invention.
Here, with reference to FIGS. 4 and 5, an ink jet recording apparatus which is a liquid droplet ejection apparatus equipped with the liquid droplet ejection head of the present invention will be described as an example. 4 is an explanatory perspective view of the recording apparatus, and FIG. 5 is an explanatory side view of a mechanism portion of the recording apparatus.

このインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部82等を収納し、装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。   This ink jet recording apparatus includes a carriage movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, a recording head composed of an ink jet head embodying the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge for supplying ink to the recording head, and the like. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side is detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. The manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be opened, the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and the printing mechanism 82 After recording a required image, the image is discharged to a paper discharge tray 86 mounted on the rear side.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド(記録ヘッド)94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93には記録ヘッド94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95を交換可能に装着している。   The print mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) ink jet heads according to the present invention for ejecting ink droplets of each color (head) (recording head) 94 is provided with a plurality of ink ejection openings (nozzles). They are arranged in a direction crossing the main scanning direction, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. Further, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the recording head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.

インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、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インクジェット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、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド94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個のヘッドでもよい。   The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside, and the capillary force of the porous body. Thus, the ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure. Further, although the heads 94 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.

ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a drive pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. The carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モーター107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 paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84 and the paper 83 are guided. A guide member 103, a transport roller 104 that reverses and transports the fed paper 83, a transport roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 104, and a leading end that defines a feed angle of the paper 83 from the transport roller 104 A roller 106 is provided. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering defective ejection of the head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 117 side during printing standby and the head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent 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ヘッド94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し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 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. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, since the inkjet head embodying the present invention is mounted in this inkjet recording apparatus, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved. improves.

なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド(スポッタ)などの他の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。   In the above-described embodiment, the example in which the ink jet head is applied as a liquid droplet ejecting head has been described. The present invention can also be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head (spotter) that discharges the sample as droplets.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

図1に示す構成において、所定の金属の酸化物と炭化物から構成される第二バリア層11とした圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを作製した例を示す。   In the configuration shown in FIG. 1, an example is shown in which a piezoelectric actuator and a droplet discharge head having a second barrier layer 11 made of a predetermined metal oxide and carbide are manufactured.

〔実施例1〕
以下の手順で、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータ構造体(液滴吐出ヘッド1)を作製した。
まず、Si(100)基板材料の表面を熱酸化することによりSiO絶縁膜を形成した。このSiO膜が振動板40となる。このときのSiO膜厚は2μmとした。
つぎに、このSiO/Si基板の上に下部電極50との密着層となる電極密着層51を成膜した。電極密着層51の形成条件は、基板温度:300℃、RF投入パワー:500W、Arガス圧:5×10−3Torr、形成した膜厚は50nmである。
次に、下部電極50としてのPt電極を200nmの膜厚で形成した。下部電極50の形成条件は、基板温度:300℃、RF投入パワー:500W、Arガス圧:3×10−3〜5×10−3Torrとした。これにより、下部電極50は(111)面が膜厚方向に配向している。
さらに、下部電極膜50上に第一バリア層10として、次に積層される圧電体膜60と結晶の格子整合性の良好なLaNiOを100nmの厚みで成膜した。第一バリア層10の形成条件は、基板温度:300℃、RF投入パワー:300W、Arガス圧:4.2×10−3Torr、酸素ガス圧:8×10−4Torrである。酸素ガスを導入する理由はLaNiO膜中の酸素欠損を減らす目的である。
[Example 1]
A piezoelectric actuator and a piezoelectric actuator structure (droplet ejection head 1) were produced by the following procedure.
First, a SiO 2 insulating film was formed by thermally oxidizing the surface of the Si (100) substrate material. This SiO 2 film becomes the diaphragm 40. The SiO 2 film thickness at this time was 2 μm.
Next, an electrode adhesion layer 51 serving as an adhesion layer with the lower electrode 50 was formed on the SiO 2 / Si substrate. The formation conditions of the electrode adhesion layer 51 are as follows: substrate temperature: 300 ° C., RF input power: 500 W, Ar gas pressure: 5 × 10 −3 Torr, and the formed film thickness is 50 nm.
Next, a Pt electrode as the lower electrode 50 was formed with a film thickness of 200 nm. The formation conditions of the lower electrode 50 were as follows: substrate temperature: 300 ° C., RF input power: 500 W, Ar gas pressure: 3 × 10 −3 to 5 × 10 −3 Torr. Thereby, the (111) plane of the lower electrode 50 is oriented in the film thickness direction.
Further, on the lower electrode film 50, a LaNiO 3 having a good lattice matching with the piezoelectric film 60 to be laminated next was formed as a first barrier layer 10 with a thickness of 100 nm. The formation conditions of the first barrier layer 10 are substrate temperature: 300 ° C., RF input power: 300 W, Ar gas pressure: 4.2 × 10 −3 Torr, oxygen gas pressure: 8 × 10 −4 Torr. The reason for introducing oxygen gas is to reduce oxygen vacancies in the LaNiO 3 film.

さらに、第一バリア層10の上に圧電体膜60となるチタン酸鉛系圧電体薄膜をゾルゲル法により形成した。具体的には、出発原料として酢酸鉛三水化物、チタンイソプロポキシド、ジルコニウムプロポキシドを用い、溶媒として2メトキシエタノールを使用した。
まず、酢酸鉛三水化物を2メトキシエタノール中に溶解させ、137℃で蒸留し結晶水を排出させる。次に、所定の組成(この場合は質量割合が、Pb/Ti/Zr=100/47/53)になるように秤量したZrとTiのアルコキシドを、上記脱水した酢酸鉛溶液に加え、127℃で還流させることによりPb、Ti、Zrに複合アルコキシド溶液を調製した。この溶液を用い、(111)面が膜厚方向に配向するPtコーティング層をもつPt/Ti/SiO/Si基板上に3000rpmでのスピンコート法により薄膜を作成した。ついで、これを乾燥した後、400℃および450℃の2種類の温度条件でそれぞれ保持時間:3分間、有機物熱分解を10〜25回繰り返した後、昇温速度30℃/secで700℃、5分間の焼成をO雰囲気中で行い、膜厚300nm〜1μmのPb(Ti0.47Zr0.53)O
薄膜をPt/Ti/SiO/Si基板からなる積層薄膜上に形成した。
Further, a lead titanate-based piezoelectric thin film that becomes the piezoelectric film 60 was formed on the first barrier layer 10 by a sol-gel method. Specifically, lead acetate trihydrate, titanium isopropoxide, and zirconium propoxide were used as starting materials, and 2 methoxyethanol was used as a solvent.
First, lead acetate trihydrate is dissolved in 2 methoxyethanol and distilled at 137 ° C. to discharge crystal water. Next, an alkoxide of Zr and Ti weighed so as to have a predetermined composition (in this case, the mass ratio is Pb / Ti / Zr = 100/47/53) is added to the dehydrated lead acetate solution at 127 ° C. A composite alkoxide solution was prepared in Pb, Ti, and Zr by refluxing at a low temperature. Using this solution, a thin film was formed by spin coating at 3000 rpm on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate having a Pt coating layer with the (111) plane oriented in the film thickness direction. Next, after drying this, after repeating the organic pyrolysis 10-25 times under two kinds of temperature conditions of 400 ° C. and 450 ° C., respectively, for 3 minutes, 700 ° C. at a heating rate of 30 ° C./sec, Baking for 5 minutes was performed in an O 2 atmosphere, and Pb (Ti 0.47 Zr 0.53 ) O 3 having a thickness of 300 nm to 1 μm.
A thin film was formed on a laminated thin film made of a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate.

ここで、第二バリア層材料として30mol%のTiO、70mol%のTiCの材料粉末を用い、均一混合後HIP法によりスパッタリング・ターゲット状に焼結してその組成が(TiO0.3(TiC)0.7なるスパッタリング・ターゲットを形成し、このターゲットを用いて第二バリア層をスパッタリングより成膜した。
ターゲットの仕込みの状態では、酸化物と炭化物の混合物であり、焼結後もその状態はほぼ変わらないものと思われるが、膜となった状態ではランダムなネットワークを作っており、X線回折測定を行っても回折ピークが現れてくることはなかった。前記の表1には、酸化物と炭化物のターゲット仕込み量で記載しているが、成膜された薄膜としては結晶構造をもっていないことを確認している。
ここで、第二バリア層11の形成条件は、基板温度:300℃、RF投入パワー:300W、Arガス圧:5×10−3Torr、形成した膜厚は10nmである。
Here, 30 mol% TiO 2 and 70 mol% TiC material powder were used as the second barrier layer material, and after homogeneous mixing, sintered into a sputtering target by the HIP method, the composition was (TiO 2 ) 0.3 A sputtering target of (TiC) 0.7 was formed, and a second barrier layer was formed by sputtering using this target.
In the target preparation state, it is a mixture of oxide and carbide, and it seems that the state does not change even after sintering, but in the state of film, a random network is formed, and X-ray diffraction measurement Diffraction peaks did not appear even after performing. Table 1 shows the target preparation amounts of oxide and carbide, but it has been confirmed that the formed thin film does not have a crystal structure.
Here, the formation conditions of the second barrier layer 11 are: substrate temperature: 300 ° C., RF input power: 300 W, Ar gas pressure: 5 × 10 −3 Torr, and the formed film thickness is 10 nm.

第二バリア層形成後、上部電極70となるPt電極を100nmの膜厚で形成した。上部電極70の形成条件は、基板温度:300℃、RF投入パワー:500W、Arガス圧:3〜5×10−3Torrである。
その後、フォトリソグラフィーの技術を用いレジストパターンを形成後、断面で図2となる形状に積層構造のエッチング及びレジストアッシングを行った。図1の上部電極のサイズは、45μm×1mmの短冊状の形状とした。
After forming the second barrier layer, a Pt electrode to be the upper electrode 70 was formed with a film thickness of 100 nm. The formation conditions of the upper electrode 70 are: substrate temperature: 300 ° C., RF input power: 500 W, Ar gas pressure: 3-5 × 10 −3 Torr.
Then, after forming a resist pattern using a photolithographic technique, etching of the laminated structure and resist ashing were performed in a cross-sectional shape as shown in FIG. The size of the upper electrode in FIG. 1 was a strip shape of 45 μm × 1 mm.

上記の状態まで形成した後、素子を保護するパシベーション膜を形成しない状態で、分極処理後疲労試験のために以下の条件で繰り返し駆動電圧の印加を行った。第二バリア層側が正の電位、第一バリア層側を負の電位(アース電位)とした。
評価結果は表3に示されるとおりであり、1012回までは、上記条件にて初期値10%以内減衰で確保できることが判った。
After forming to the above state, a driving voltage was repeatedly applied under the following conditions for a fatigue test after polarization treatment without forming a passivation film for protecting the element. The second barrier layer side was set to a positive potential, and the first barrier layer side was set to a negative potential (ground potential).
The evaluation results are as shown in Table 3. It was found that up to 10 12 times can be secured with attenuation within 10% of the initial value under the above conditions.

《分極処理条件》
印加電圧 40V (0Vから3minでゆっくり電圧を上げ、1min保持
3minで0Vまでゆっくり電圧を下げる。)
分極後の評価 上部電極と下部電極との間に駆動電圧繰り返し印加テストの印加電圧の矩形波1kHzで計測したキャパシタンスを初期値として測定。
《駆動電圧繰り返し印加テスト条件》
印加電圧 DC 0−30V 矩形波(上部電極が正の電位)
印加周期 100kHz
Duty 50%(プラス電位印加の時間割合)
テスト途中の評価 分極後のキャパシタンス初期値を1として規格化し、印加回数毎に各ポイントで分極後の評価と同じ評価をして減衰率を見た。規格化後初期値10%減衰した時点を疲労評価ポイントとした。
その結果、1012回までは、上記条件にて初期値10%以内減衰で確保できることが判った。
<< Polarization conditions >>
Applied voltage 40V (Voltage is gradually increased from 0V in 3min and held for 1min.
Slowly lower the voltage to 0V in 3 min. )
Evaluation after polarization Measured with the initial value of the capacitance measured at 1 kHz square wave of the applied voltage of the repeated drive voltage test between the upper and lower electrodes.
<< Test conditions for repeated application of drive voltage >>
Applied voltage DC 0-30V Square wave (Upper electrode is positive potential)
Application period 100 kHz
Duty 50% (time ratio of positive potential application)
Evaluation during the test The initial value of capacitance after polarization was normalized as 1, and the same evaluation as the evaluation after polarization was performed at each point for each number of applications, and the attenuation rate was observed. The point at which the initial value was attenuated by 10% after normalization was taken as the fatigue evaluation point.
As a result, it was found that up to 10 12 times can be secured with attenuation within 10% of the initial value under the above conditions.

〔実施例2〕
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成を(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、(TaO0.2(TaC)0.8とし、それ以外は実施例1と同様にして、図1の圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
[Example 2]
In Example 1, the composition of the sputtering target was changed to (TaO 2 ) 0.2 (TaC) 0.8 instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , and the rest was the same as in Example 1. Thus, the piezoelectric film laminated structure of FIG. 1 was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔実施例3〕
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成を(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、(ZrO0.5(ZrC)0.5とし、それ以外は実施例1と同様にして、図1の圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
Example 3
In Example 1, the composition of the sputtering target was changed to (ZrO 2 ) 0.5 (ZrC) 0.5 in place of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , and the rest was the same as in Example 1. Thus, the piezoelectric film laminated structure of FIG. 1 was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔実施例4〕
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成を(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、(VO0.2(VC)0.8とし、それ以外は実施例1と同様にして、図1の圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
Example 4
In Example 1, the composition of the sputtering target was changed to (VO 2 ) 0.2 (VC) 0.8 instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , and the rest was the same as in Example 1. Thus, the piezoelectric film laminated structure of FIG. 1 was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔実施例5〕
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成を(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、(Nb0.3(NbC)0.7とし、それ以外は実施例1と同様にして、図1の圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
Example 5
In Example 1, the composition of the sputtering target was changed to (Nb 2 O 5 ) 0.3 (NbC) 0.7 instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , and other than that, Example 1 1 was fabricated, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔実施例6〕
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成を(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、(MoO0.05(MoC)0.95とし、それ以外は実施例1と同様にして、図1の圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
Example 6
In Example 1, the composition of the sputtering target was changed to (MoO 2 ) 0.05 (MoC) 0.95 instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , and other than that, the same as in Example 1 Thus, the piezoelectric film laminated structure of FIG. 1 was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔比較例1〕
実施例1において、第二バリア層である(TiO0.3(TiC)0.7を設けないで、圧電体膜60の上に直接上部電極70を成膜した以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。その結果は、初期値の10%減衰値での繰り返し回数で10回であり、実施例1と比べ2〜3桁低い値であった。
[Comparative Example 1]
In Example 1, except that the second barrier layer (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 was not provided, and the upper electrode 70 was formed directly on the piezoelectric film 60, Example 1 A piezoelectric film laminated structure was produced in the same manner as described above, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3. The result is a 10 9 times the number of repetitions of a 10% attenuation value of the initial value was 2 to 3 orders of magnitude lower value than that of Example 1.

〔比較例2〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7を用いる代わりに、TiC単体を成膜した以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製した。ところが、上部電極形成後フォトリグラフィーの工程で誘電体膜とTiC膜との間で膜の剥離が起こり、その後のプロセス継続を断念した。表3の評価結果「×」は、強誘電体との間で膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。
[Comparative Example 2]
In Example 1, instead of using (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , a piezoelectric film laminated structure was produced in the same manner as in Example 1 except that a single TiC film was formed. However, after the formation of the upper electrode, peeling of the film occurred between the dielectric film and the TiC film in the photolithography process, and the subsequent process was abandoned. The evaluation result “x” in Table 3 means that evaluation could not be performed because film peeling occurred with the ferroelectric.

〔比較例3〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7を用いる代わりに、(SiO0.3(SiC)0.7を成膜した以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。また、この例では、Siの酸化物と炭化物では、円形状の剥離が観察された。表3の評価結果「×」は、強誘電体および上部電極との間で円形状に膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。
[Comparative Example 3]
In Example 1, instead of using (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , (SiO 2 ) 0.3 (SiC) 0.7 was formed in the same manner as in Example 1 except that A piezoelectric film laminated structure was prepared, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3. Further, in this example, in the Si oxide and carbide, circular peeling was observed. The evaluation result “x” in Table 3 means that evaluation could not be performed because film peeling occurred in a circular shape between the ferroelectric and the upper electrode.

〔比較例4〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7を用いる代わりに、(Cr0.3(CrC)0.7を成膜した以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。表3の評価結果「×」は、膜の応力により不定形に膜剥れが発生したため、評価できなかったことを意味する。
[Comparative Example 4]
Example 1 is the same as Example 1 except that (Cr 2 O 3 ) 0.3 (CrC) 0.7 was formed instead of using (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7. Thus, a piezoelectric film laminated structure was prepared, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3. The evaluation result “x” in Table 3 means that the film could not be evaluated because the film peeled indefinitely due to the stress of the film.

〔比較例5〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、LaNIO3を第二バリア層として成膜した(ただし、膜厚は100nmとした)以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
[Comparative Example 5]
In Example 1, instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , LaNIO 3 was formed as a second barrier layer (however, the film thickness was set to 100 nm). Similarly, a piezoelectric film laminated structure was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔比較例6〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、LaNIO3を第二バリア層として成膜した(ただし、膜厚は100nmとした)以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
[Comparative Example 6]
In Example 1, instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , LaNIO 3 was formed as a second barrier layer (however, the film thickness was set to 100 nm). Similarly, a piezoelectric film laminated structure was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

〔比較例7〕
実施例1において、(TiO0.3(TiC)0.7に代えて、IrOを第二バリア層として成膜した(ただし、膜厚は100nmとした)以外は、実施例1と同様にして圧電膜積層構造体を作製し、実施例1と同じ疲労特性テストの評価を行った。評価結果をまとめて表3に示す。
[Comparative Example 7]
In Example 1, instead of (TiO 2 ) 0.3 (TiC) 0.7 , IrO 2 was formed as a second barrier layer (however, the film thickness was set to 100 nm). Similarly, a piezoelectric film laminated structure was produced, and the same fatigue characteristic test as in Example 1 was evaluated. The evaluation results are summarized in Table 3.

表3から明らかなように、実施例1〜6はそれぞれのテストで、1×1011回以上の繰り返し結果を得ており、特性上満足できるものであることが判った。 As is apparent from Table 3, Examples 1 to 6 obtained repeated results of 1 × 10 11 times or more in each test, and were found to be satisfactory in characteristics.

〔実施例7〕
炭化物と酸化物の組成量に関して混合割合によるターゲットの比抵抗を調査した。結果を図6に示す。炭化物組成量が20mol%に変曲点があり20mol%未満の炭化物組成量ではでは炭化物を混合した効果が比抵抗の上でも出ていないことがわかる。
Example 7
The specific resistance of the target according to the mixing ratio with respect to the composition amount of carbide and oxide was investigated. The results are shown in FIG. It can be seen that the carbide composition amount has an inflection point at 20 mol%, and the effect of mixing the carbide does not appear even in the specific resistance when the carbide composition amount is less than 20 mol%.

〔実施例8〕
実施例1〜6の圧電アクチュエータ構造体を適用して、図4に示す構成の液滴吐出ヘッドを作製したところ、第二バリア層11により疲労劣化が生じない為、素子劣化によるドット抜けや駆動不良のない安定したインク滴吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを得ることができた。
また、これら実施例1〜6の液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドとして、図4、図5のインクジェット記録装置に搭載して使用したところ、駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像の抜け等もなく良好な画像品質が獲られた。
Example 8
By applying the piezoelectric actuator structures of Examples 1 to 6 to produce a droplet discharge head having the configuration shown in FIG. 4, fatigue deterioration does not occur due to the second barrier layer 11. A droplet discharge head having stable ink droplet discharge characteristics without defects could be obtained.
In addition, when these droplet discharge heads of Examples 1 to 6 are used as inkjet heads mounted on the inkjet recording apparatus of FIGS. 4 and 5, there is no ink droplet ejection failure due to drive failure, and stable ink droplet ejection. The characteristics were obtained, and good image quality was obtained without missing images.

(図1、図2において)
10 第一バリア層膜
11 第二バリア層膜
20 ノズルプレート
21 ノズル孔
30 基板
31 圧力室
40 振動板(SiO絶縁膜)
50 下部電極
51 電極密着層
60 圧電体膜
70 上部電極
(図3において)
1 第1の基板
2 第2の基板
3 第3の基板
20 ノズルプレート
21 ノズル孔
30 シリコン基板
31 吐出口
32 流体抵抗部
33 共通液室
34 インク供給口
72 保護基板
73 圧電体膜
74 空間
(図4、5において)
81 記録装置本体
82 印字機構部
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 記録ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103、115、116 ガイド部材
104 搬送ローラ
105、111 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印字受け部材
112、114 拍車
113 排紙ローラ
117 回復装置
(In FIGS. 1 and 2)
10 first barrier layer film 11 and the second barrier layer film 20 nozzle plate 21 nozzle holes 30 substrate 31 pressure chamber 40 diaphragm (SiO 2 insulating film)
50 Lower electrode 51 Electrode adhesion layer 60 Piezoelectric film 70 Upper electrode (in FIG. 3)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 3rd board | substrate 20 Nozzle plate 21 Nozzle hole 30 Silicon substrate 31 Ejection port 32 Fluid resistance part 33 Common liquid chamber 34 Ink supply port 72 Protective substrate 73 Piezoelectric film 74 Space (FIG. 4 and 5)
81 Recording Device Body 82 Printing Mechanism Section 84 Paper Feed Cassette 85 Manual Tray 86 Paper Discharge Tray 91 Main Guide Rod 92 Subordinate Guide Rod 93 Carriage 94 Recording Head 95 Ink Cartridge 97 Main Scanning Motor 98 Drive Pulley 99 Driven Pulley 100 Timing Belt 101 Feed Paper roller 102 Friction pad 103, 115, 116 Guide member 104 Conveying roller 105, 111 Conveying roller 106 Leading roller 107 Sub-scanning motor 109 Print receiving member 112, 114 Spur 113 Discharged roller 117 Recovery device

特開2001‐063047号公報JP 2001-063047 A 特開2004‐349712号公報JP 2004-349712 A 特開2005‐101491号公報JP 2005-101491 A 特開2009‐016741号公報JP 2009-016741 A 特開2001−007299号公報JP 2001-007299 A 特開2000‐208725号公報JP 2000-208725 A 特開2007‐088147号公報JP 2007-088147 A

Claims (4)

基板上に、振動層膜、第一の電極膜、第一のバリア層膜、圧電体膜、第二のバリア層膜、第二の電極膜がこの順番で積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記第二のバリア層膜はTi,Ta,Zr,V,Nb,Moから選ばれる少なくとも1つの金属元素、酸素元素および炭素元素から構成され、かつ該第二バリア層膜を構成する材料における金属炭化物の割合が20mol%以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator in which a vibration layer film, a first electrode film, a first barrier layer film, a piezoelectric film, a second barrier layer film, and a second electrode film are laminated in this order on a substrate, The piezoelectric film is composed of lead zirconate titanate, and the second barrier layer film is composed of at least one metal element selected from Ti, Ta, Zr, V, Nb, and Mo, an oxygen element, and a carbon element, And the ratio of the metal carbide in the material which comprises this 2nd barrier layer film | membrane is 20 mol% or more, The piezoelectric actuator characterized by the above-mentioned . 前記第一のバリア層膜を構成する材料が、LaNiOであることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a material constituting the first barrier layer film is LaNiO 3 . 請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A droplet discharge head comprising the piezoelectric actuator according to claim 1 . 請求項3に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。 A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 3 .
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