JP6051713B2 - Method for manufacturing electromechanical transducer - Google Patents

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Description

本発明は、電気機械変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a process for the production of electrical mechanical conversion element.

振動センサ、圧電スピーカ、各種駆動装置などの装置は、電気機械変換膜を積層した電気機械変換素子を具備している。駆動装置において、例えば、インクジェット用記録装置の液体吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室と、圧電素子などの電気機械変換素子とを含み、液室内のインクを加圧することでノズルからインク滴を吐出させる。   Devices such as a vibration sensor, a piezoelectric speaker, and various driving devices include an electromechanical conversion element in which electromechanical conversion films are stacked. In a driving device, for example, a liquid discharge head of an ink jet recording apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets, a liquid chamber that communicates with the nozzle, and an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element. By applying pressure, ink droplets are ejected from the nozzles.

近年、より効率の良い振動や変形変位を得ることを目的として、第1の電極、電気機械変換膜及び第2の電極が積層された電気機械変換素子に関する、種々の技術提案がなされている。例えば、特許文献1では、第1の電極としてルテニウム酸ストロンチウムを使用し、この第1の電極上に、所望のパターンに電気機械変換膜を形成した電気機械変換素子が開示されている。   In recent years, various technical proposals relating to an electromechanical transducer in which a first electrode, an electromechanical transducer film, and a second electrode are laminated have been made for the purpose of obtaining more efficient vibration and deformation displacement. For example, Patent Document 1 discloses an electromechanical conversion element in which strontium ruthenate is used as a first electrode and an electromechanical conversion film is formed in a desired pattern on the first electrode.

しかしながら、特許文献1に記載される電気機械変換素子は、第1の電極上への電気機械変換膜のパターニングが困難であり、パターン形状が安定せず、膜厚が不均一になる。そのため、電気機械変換素子の電気機械変換特性が不十分であった。   However, in the electromechanical conversion element described in Patent Document 1, it is difficult to pattern the electromechanical conversion film on the first electrode, the pattern shape is not stable, and the film thickness is not uniform. For this reason, the electromechanical conversion characteristics of the electromechanical conversion element are insufficient.

そこで本発明は、電気機械変換特性に優れる電気機械変換素子を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the electromechanical conversion element excellent in an electromechanical conversion characteristic.

下地上に形成された金属層と、該金属層上の一部に形成された導電性酸化物層と、を有する第1の電極と、
前記導電性酸化物層上に形成された電気機械変換膜と、
前記電気機械変換膜上の少なくとも一部に形成された第2の電極と、が少なくとも積層された電気機械変換素子の製造方法であって、
下地上に金属層及び導電性酸化物層を積層する工程と、
前記導電性酸化物層上にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を露光、現像してパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト膜をマスクとして、前記第1の電極における、レジスト膜に覆われていない領域の前記下地からの高さと、前記金属層と前記導電性酸化物層との界面の前記下地からの高さと、の差が5nm以内となるようにドライエッチングする工程と、
前記領域を疎水性に表面改質する工程と、
前記第1の電極上の表面改質されていない領域に、インクジェット方式により、前記電気機械変換膜の前駆体を含むゾルゲル液を塗布する工程と、
塗布された前記ゾルゲル液を熱処理する工程と、を含む、電気機械変換素子の製造方法が提供される。
A first electrode having a metal layer formed on the ground and a conductive oxide layer formed on a part of the metal layer;
An electromechanical conversion film formed on the conductive oxide layer;
A second electrode formed on at least a part of the electromechanical conversion film, and a method for producing an electromechanical conversion element having at least a laminated structure,
Laminating a metal layer and a conductive oxide layer on the ground;
Applying a resist composition on the conductive oxide layer to form a resist film;
Exposing and developing the resist film and patterning;
Using the patterned resist film as a mask, the height of the region of the first electrode not covered with the resist film from the base and the base of the interface between the metal layer and the conductive oxide layer A step of dry etching so that the difference between the height and the height is 5 nm or less;
Surface modifying the region to be hydrophobic;
Applying a sol-gel solution containing a precursor of the electromechanical conversion film to an unsurface-modified region on the first electrode by an inkjet method;
And a step of heat-treating the applied the sol-gel solution, the method of manufacturing an electro-mechanical conversion element is provided.

本発明によれば、電気機械変換特性に優れる電気機械変換素子を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electromechanical conversion element excellent in an electromechanical conversion characteristic can be provided.

図1は、本実施形態の液滴吐出ヘッドの構造の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the structure of the droplet discharge head of this embodiment. 図2は、本実施形態に係る電気機械変換素子の製造方法を説明するための、概略図である。FIG. 2 is a schematic view for explaining the method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment. 図3は、図2(c)におけるh1とh2との関係を説明するための、拡大概略図である。FIG. 3 is an enlarged schematic view for explaining the relationship between h1 and h2 in FIG. 図4は、本実施形態に係る電気機械変換素子の製造方法の効果を説明するための、概略図である。FIG. 4 is a schematic view for explaining the effect of the method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment. 図5は、本実施形態に係る電気機械変換素子のP−Eヒステリシス曲線の例である。FIG. 5 is an example of a PE hysteresis curve of the electromechanical transducer according to this embodiment. 図6は、本実施形態のインクジェット記録装置を説明するための、概略図である。FIG. 6 is a schematic view for explaining the ink jet recording apparatus of the present embodiment. 図7は、本実施形態のインクジェット記録装置を説明するための、他の概略図である。FIG. 7 is another schematic diagram for explaining the ink jet recording apparatus of the present embodiment.

以下、図を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。実施形態や各実施例等に亘り、同一の機能もしくは形状等を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すに留め、重複説明を避ける。なお、実施形態に記載した内容は、一形態に過ぎず、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment and each example, components such as members and components having the same function or shape are given the same reference numerals as much as possible to avoid duplicate explanation. In addition, the content described in embodiment is only one form, and the scope of the present invention is not limited to this.

また、本実施形態において、液体吐出記録方式の「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を着弾させて画像形成を行う装置を意味し、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与すること(単に液滴を媒体に着弾させること)をも意味する。   In this embodiment, the “image forming apparatus” of the liquid discharge recording method forms an image by landing droplets on a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, etc. The “image formation” means not only that an image having a meaning such as a character or a figure is imparted to the medium, but also an image having no meaning such as a pattern is imparted to the medium ( It also simply means that a droplet is landed on a medium).

さらに、本実施形態において、「液滴」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、樹脂、液体などと称されるものを含み、画像形成を行うことが可能に微細粒状化して液滴にできる全ての液体の液滴の総称として用いる。また、「記録媒体」とは、材質を紙に限定するものではなく、OHPシート、布なども含み、液滴が付着されるものの意味であり、被記録媒体、記録紙、記録用紙、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒あるいは単に用紙等と称されるものを含むものの総称として用いる。また、画像とは2次元画像に限らず、3次元画像も含まれる。   Furthermore, in the present embodiment, the “droplet” is not limited to what is referred to as ink, but includes what is referred to as recording liquid, fixing processing liquid, resin, liquid, and the like, and image formation can be performed. It is used as a generic term for all liquid droplets that can be made into fine droplets. The term “recording medium” does not limit the material to paper, but also includes OHP sheets, cloth, etc., and means that the droplets adhere to it, and can be used as a recording medium, recording paper, recording paper, etc. It is used as a general term for anything from what is called thin paper to thick paper, postcard, envelope, or simply paper. Further, the image is not limited to a two-dimensional image, and includes a three-dimensional image.

本実施形態は、電気機械変換素子を含む液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを含む画像形成装置を、対象として含む。上述の画像形成装置は、一般的に、インクジェット記録装置とも呼ばれる。なお、液滴吐出ヘッド及び画像形成装置の具体的な構成例については後述の実施形態で詳細に説明する。   The present embodiment includes a droplet discharge head including an electromechanical conversion element and an image forming apparatus including the droplet discharge head as targets. The above-described image forming apparatus is generally called an ink jet recording apparatus. Note that specific configuration examples of the droplet discharge head and the image forming apparatus will be described in detail in an embodiment described later.

インクジェット記録装置は、騒音が小さい、高速印字が可能である、インクの自由度があり安価な記録媒体である普通紙を使用できる、等の多くの利点を有する。そのため、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の複数の画像形成機能を備えた複合機等の画像記録装置或いは画像形成装置として広く使用されている。   The ink jet recording apparatus has many advantages such as low noise, high-speed printing, and the use of plain paper, which is an inexpensive recording medium with a high degree of ink freedom. Therefore, it is widely used as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a multi-function machine having a plurality of image forming functions such as a printer, a facsimile, a copying apparatus, and a plotter.

インクジェット記録装置において使用する液滴吐出装置は、インク滴を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する液室(吐出室、加圧室、圧力室、インク流路等とも称される)と、液室内のインクを吐出するための圧力発生手段と、を含む。   A droplet discharge device used in an inkjet recording apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets, a liquid chamber (also referred to as a discharge chamber, a pressure chamber, a pressure chamber, an ink flow path, and the like) that communicates with the nozzle, a liquid Pressure generating means for discharging the ink in the chamber.

本実施形態において圧力発生手段は、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて液室の壁面を形成している振動板を変形させることで、インク滴を吐出させるピエゾ型などが使用される。また、本実施形態において、ピエゾ型の圧力発生手段は、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型のものが挙げられる。   In this embodiment, the pressure generating means is a piezo type that discharges ink droplets by deforming a diaphragm that forms the wall surface of the liquid chamber using an electromechanical transducer such as a piezoelectric element. In the present embodiment, the piezoelectric pressure generating means includes a lateral vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction.

(液滴吐出ヘッド)
本実施形態の電気機械変換素子を液滴吐出ヘッドに適用した場合の、実施形態について説明する。
(Droplet ejection head)
An embodiment in which the electromechanical conversion element of this embodiment is applied to a droplet discharge head will be described.

図1に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの構造の一例を示す模式図を示す。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the structure of the droplet discharge head of this embodiment.

図1(a)に示すように、本実施形態における液滴吐出ヘッド10は、液滴(例えばインク滴)を吐出するノズル孔11が形成されたノズル板12と、ノズル孔11が連通する液室21(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、圧力室等とも称される)と、加圧室内の液滴を加圧する電気機械変換素子40と、インク流路の壁面を形成する振動板30と、を備えている。   As shown in FIG. 1A, the liquid droplet ejection head 10 in this embodiment includes a nozzle plate 12 in which nozzle holes 11 for ejecting liquid droplets (for example, ink droplets) are formed, and a liquid in which the nozzle holes 11 communicate with each other. A chamber 21 (also referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressurized chamber, a discharge chamber, a pressure chamber, etc.), an electromechanical transducer 40 that pressurizes a droplet in the pressurized chamber, and a wall surface of the ink flow path And a diaphragm 30 that forms

本実施形態において、電気機械変換素子40は、金属層42と該金属層42上の一部に形成された導電性金属層43とから形成される第1の電極44と、該導電性金属層43上に形成された電気機械変換膜45と、該電気機械変換膜45上の少なくとも一部に形成された第2の電極46と、を含む。また、液室21は、ノズル板12と液室基板20と振動板30とから形成される。   In the present embodiment, the electromechanical transducer 40 includes a first electrode 44 formed of a metal layer 42 and a conductive metal layer 43 formed on a part of the metal layer 42, and the conductive metal layer. And an electromechanical conversion film 45 formed on the electrode 43 and a second electrode 46 formed on at least a part of the electromechanical conversion film 45. The liquid chamber 21 is formed by the nozzle plate 12, the liquid chamber substrate 20, and the vibration plate 30.

電気機械変換素子40は、ノズル板12と対向する側に配置され、液室21の壁面を構成する振動板30を変形変位させることで、液室21内の液滴をノズル孔11から吐出させるピエゾ型の電気機械変換素子である。電気機械変換素子40は、第1の電極44と第2の電極46との間に電圧がかけられたときに変形変位する。   The electromechanical conversion element 40 is disposed on the side facing the nozzle plate 12, and deforms and displaces the vibration plate 30 that forms the wall surface of the liquid chamber 21, thereby discharging the liquid droplets in the liquid chamber 21 from the nozzle holes 11. This is a piezo-type electromechanical transducer. The electromechanical transducer 40 is deformed and displaced when a voltage is applied between the first electrode 44 and the second electrode 46.

また、第1の電極44と振動板30との密着性を良好にするために、振動板30上には、例えば、Ti、TiO、TiN、Ta、Ta、Ta等の密着層41を設けても良い。 Further, in order to improve the first electrode 44 the adhesion between the vibrating plate 30, on the vibrating plate 30 is, for example, Ti, TiO 2, TiN, Ta, Ta 2 O 5, Ta 3 N 5 , etc. The adhesion layer 41 may be provided.

本実施形態において、第1の電極44における、前記電気機械変換膜45に覆われていない領域の下地からの高さh1と、前記金属層と前記導電性酸化物層との界面の下地からの高さh2と、の差は、5nm以内であることが好ましい。   In the present embodiment, the height h1 of the region of the first electrode 44 that is not covered with the electromechanical conversion film 45 from the base, and the base of the interface between the metal layer and the conductive oxide layer. The difference from the height h2 is preferably within 5 nm.

図1(b)及び図1(c)に、本実施形態の液滴吐出ヘッドであって、h1とh2との関係をより詳細に説明するための図を示す。図1(b)の例では、第1の電極44における、電気機械変換膜45に覆われていない領域の密着層41からの高さh1が、金属層42と導電性酸化物層43との界面の密着層41からの高さh2よりも大きい。この場合は、h1−h2が5nm以内となるように構成する。一方、図1(c)の例では、金属層42と導電性酸化物層43との界面の密着層41からの高さh2が、第1の電極44における、電気機械変換膜45に覆われていない領域の密着層41からの高さh1よりも大きい。この場合は、h2−h1が5nm以内となるように構成する。即ち、本実施形態においては、h1とh2の差の絶対値が5nm以内となるように構成する。h1とh2との差の絶対値を5nm以内とすることによって、後述する基板の表面改質において、疎水性領域と親水性領域との純水に対する接触角のコントラストを十分大きくすることができる。   FIG. 1B and FIG. 1C are diagrams for explaining the relationship between h1 and h2 in more detail in the droplet discharge head of this embodiment. In the example of FIG. 1B, the height h <b> 1 from the adhesion layer 41 in the region that is not covered with the electromechanical conversion film 45 in the first electrode 44 is the difference between the metal layer 42 and the conductive oxide layer 43. It is larger than the height h2 from the adhesion layer 41 at the interface. In this case, h1-h2 is configured to be within 5 nm. On the other hand, in the example of FIG. 1C, the height h <b> 2 from the adhesion layer 41 at the interface between the metal layer 42 and the conductive oxide layer 43 is covered with the electromechanical conversion film 45 in the first electrode 44. It is larger than the height h1 from the adhesion layer 41 in the unexposed region. In this case, h2-h1 is configured to be within 5 nm. That is, in the present embodiment, the absolute value of the difference between h1 and h2 is configured to be within 5 nm. By setting the absolute value of the difference between h1 and h2 within 5 nm, the contact angle contrast between the hydrophobic region and the hydrophilic region with respect to pure water can be sufficiently increased in the substrate surface modification described later.

なお、図1は、本実施形態の電気機械変換素子を液滴吐出ヘッドに適用した例について、記載したものであるが、本発明はこの点において限定されない。本実施形態の電気機械変換素子は、例えば、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクタ用2軸スキャナ、輸液ポンプ、その他などの用途で、使用されても良い。   FIG. 1 describes an example in which the electromechanical conversion element of this embodiment is applied to a droplet discharge head, but the present invention is not limited in this respect. The electromechanical transducer of this embodiment may be used in applications such as a micropump, an ultrasonic motor, an acceleration sensor, a projector biaxial scanner, an infusion pump, and the like.

(電気機械変換膜)
本実施形態においては、電気機械変換膜45の材料として、PZTを主に使用した。PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体である。例えば、PbZrOとPbTiOの比率が54:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.54、Ti0.47)O、一般にはPZT(54/47)と示されるPZTなどを使用することができる。PbZrOとPbTiOの比率によって、PZTの特性が異なる。
(Electromechanical conversion membrane)
In this embodiment, PZT is mainly used as the material of the electromechanical conversion film 45. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ). For example, the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 54:47, and the chemical formula indicates Pb (Zr 0.54 , Ti 0.47 ) O 3 , PZT generally indicated as PZT (54/47), etc. Can be used. The characteristics of PZT vary depending on the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 .

電気機械変換膜としてPZTを使用する場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物を使用し、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ、PZT前駆体溶液を作成する。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物の混合量は、所望のPZTの組成(PbZrOとPbTiOの比率)に応じて、当業者が適宜選択できるものである。 When PZT is used as the electromechanical conversion film, lead acetate, a zirconium alkoxide compound, and a titanium alkoxide compound are used as starting materials, and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to prepare a PZT precursor solution. The mixing amount of the lead acetate, zirconium alkoxide compound, and titanium alkoxide compound can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the desired composition of PZT (ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 ).

なお、金属アルコキシド化合物は、大気中の水分により容易に分解する。そのため、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などの安定剤を添加しても良い。   Note that the metal alkoxide compound is easily decomposed by moisture in the atmosphere. Therefore, stabilizers such as acetylacetone, acetic acid and diethanolamine may be added to the PZT precursor solution as stabilizers.

PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。これら材料は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x、 Ba)(Zr、 Ti)O、(Pb1−x、 Sr)(Zr, Ti)O、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。 Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there. These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. The specific description is expressed as (Pb 1-x , Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb 1-x , Sr) (Zr, Ti) O 3 , which is the same as Pb of the A site. This is a case where the part Ba or Sr is substituted. 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.

電気機械変換膜45の形成(成膜)方法については、後述する。   A method for forming (depositing) the electromechanical conversion film 45 will be described later.

[第1の電極]
本実施形態において、第1の電極は、金属層と該金属層上の一部に形成された導電性金属層とを積層した構造のものを使用することができる。
[First electrode]
In the present embodiment, the first electrode may have a structure in which a metal layer and a conductive metal layer formed on a part of the metal layer are stacked.

金属層で使用される金属は、後述するアルカンチオールとの反応によりSAM(Self Assembled Monolayer)膜を形成することができれば特に限定されず、例えば、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)の白金族金属や、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)などの金属、及び、これらの金属を含む合金材料などを使用することができる。   The metal used in the metal layer is not particularly limited as long as a SAM (Self Assembled Monolayer) film can be formed by reaction with alkanethiol described later. For example, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd ), Osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), platinum group metals, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and alloy materials containing these metals Can be used.

また導電性金属層としては、例えば、化学式ABOで記述され、A=Sr、Ba、Ca、La、 B=Ru、Co、Ni、を主成分とする複合酸化物や、SrRuOやCaRuO、これらの固溶体である(Sr1−x Ca)Oのほか、LaNiOやSrCoO、さらにはこれらの固溶体である(La, Sr)(Ni1−y Co)O (y=1でも良い)が挙げられる。それ以外の酸化物材料として、IrO、RuOも挙げられる。 The conductive metal layer is, for example, described by the chemical formula ABO 3 , a composite oxide mainly composed of A = Sr, Ba, Ca, La, B = Ru, Co, Ni, SrRuO 3 or CaRuO 3. In addition to (Sr 1-x Ca x ) O 3 which is a solid solution thereof, LaNiO 3 and SrCoO 3 , and further, (La, Sr) (Ni 1-y Co y ) O 3 (y = 1 is also acceptable). Other oxide materials include IrO 2 and RuO 2 .

[第2の電極]
また、第2の電極の材料としても、第1の電極と同様の、高い耐熱性を有する金属などの材料を使用することができる。第2の電極は、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜法などの方法により作製することができる。
[Second electrode]
Further, as the material of the second electrode, a material such as a metal having high heat resistance similar to that of the first electrode can be used. The second electrode can be manufactured by a method such as a sputtering method or a vacuum film formation method such as vacuum deposition.

[振動板]
第1の電極は、電気機械変換素子に信号入力する際の共通電極として電気的接続をするので、その下部にある振動板は絶縁体又は導体を絶縁処理したものを使用することができる。
[Diaphragm]
Since the first electrode is electrically connected as a common electrode for inputting a signal to the electromechanical transducer, the diaphragm under the first electrode can be an insulator or a conductor subjected to insulation treatment.

振動板の具体的な材料としては、例えば、厚さ略数ミクロンのシリコン酸化膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又はこれらの膜を積層した膜などを使用することができる。また、熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜などのセラミック膜も使用することができる。   As a specific material of the diaphragm, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a film in which these films are stacked having a thickness of about several microns can be used. In addition, a ceramic film such as an aluminum oxide film or a zirconia film in consideration of a difference in thermal expansion can also be used.

振動板の成膜方法としては、例えば、シリコン系絶縁膜は、CVD又はシリコン系膜を熱酸化処理することにより得ることができる。金属酸化膜は、スパッタリング法などにより成膜することができる。   As a method for forming the diaphragm, for example, the silicon-based insulating film can be obtained by CVD or thermal oxidation treatment of the silicon-based film. The metal oxide film can be formed by a sputtering method or the like.

(電気機械変換素子の製造方法)
本実施形態に係る電気機械変換素子の製造方法について、図を参照して説明する。
(Method for manufacturing electromechanical transducer)
A method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment will be described with reference to the drawings.

本実施形態における電気機械変換素子の製造方法は、
下地上に金属層及び導電性酸化物層を積層する工程と、
導電性酸化物層上にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成する工程と、
レジスト膜を露光、現像してパターニングする工程と、
パターニングされたレジスト膜をマスクとして、第1の電極における、レジスト膜に覆われていない領域の下地からの高さと、金属層と導電性酸化物層との界面の下地からの高さと、の差が5nm以内となるようにドライエッチングする工程と、
領域を疎水性に表面改質する工程と、
第1の電極上の表面改質されていない領域に、インクジェット方式により、電気機械変換膜の前駆体を含むゾルゲル液を塗布する工程と、
塗布された前記ゾルゲル液を熱処理する工程と、
を含む。
The method of manufacturing the electromechanical transducer in the present embodiment is as follows:
Laminating a metal layer and a conductive oxide layer on the ground;
Applying a resist composition on the conductive oxide layer to form a resist film;
Exposing and developing the resist film and patterning,
Using the patterned resist film as a mask, the difference between the height of the region of the first electrode not covered with the resist film from the base and the height of the interface between the metal layer and the conductive oxide layer from the base A step of dry etching so that the thickness is within 5 nm,
A step of surface-modifying the region to be hydrophobic;
A step of applying a sol-gel solution containing a precursor of an electromechanical conversion film to an unsurface-modified region on the first electrode by an inkjet method;
Heat-treating the applied sol-gel solution;
including.

図2に、本実施形態に係る電気機械変換素子の製造方法を説明するための、概略図を示す。図2(a)に示すように、下地50上に、第1の電極44として、金属層42と導電性酸化物層43との積層構造を形成させる。金属層42及び導電性酸化物43層は、通常、良好な結晶性を得るために、下地50を加熱しながらスパッタ法や蒸着法などの方法により成膜することができる。   FIG. 2 is a schematic view for explaining the method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment. As shown in FIG. 2A, a stacked structure of a metal layer 42 and a conductive oxide layer 43 is formed on the base 50 as the first electrode 44. In order to obtain good crystallinity, the metal layer 42 and the conductive oxide 43 layer can usually be formed by a method such as sputtering or vapor deposition while heating the base 50.

次に、図2(b)に示すように、導電性酸化物層43上に、フォトレジスト51を塗布する。フォトレジスト51を、公知のフォトリソグラフィー法を用いて露光、現像してパターニングし、パターニングされたフォトレジスト51をマスクとして導電性酸化物43層をドライエッチングすることにより、図2(c)に示すように、第1の電極44をパターニングする。このとき、第1の電極44における、フォトレジスト51に覆われていない領域の高さh1と、金属層42と導電性酸化物層43との界面の高さh2と、の差が5nm以内となるように、ドライエッチングする。   Next, as shown in FIG. 2B, a photoresist 51 is applied on the conductive oxide layer 43. The photoresist 51 is exposed and developed using a known photolithography method, patterned, and the conductive oxide 43 layer is dry-etched using the patterned photoresist 51 as a mask, as shown in FIG. Thus, the first electrode 44 is patterned. At this time, the difference between the height h1 of the region of the first electrode 44 not covered with the photoresist 51 and the height h2 of the interface between the metal layer 42 and the conductive oxide layer 43 is within 5 nm. Then, dry etching is performed.

図3に、図2(c)におけるh1とh2との関係を説明するための、拡大概略図を示す。導電性酸化物43のドライエッチングでは、図3(a)に示すように、フォトレジスト51に覆われていない領域の下地50からの高さh1が、金属層42と導電性酸化物層43との界面の下地50からの高さh2より大きくなるようにエッチングしても良い(表1の実施例1参照)。また、図3(b)に示すように、金属層42と導電性酸化物層43との界面の下地50からの高さh2がフォトレジスト51に覆われていない領域の下地50からの高さh1より大きくなるように、導電性酸化物43をドライエッチングしても良い(表1の実施例3参照)。しかしながら、図3(a)、図3(b)のいずれの実施形態の場合においても、h1とh2の差の絶対値が5nm以内となるように、導電性酸化物43をドライエッチングする。   FIG. 3 shows an enlarged schematic diagram for explaining the relationship between h1 and h2 in FIG. In dry etching of the conductive oxide 43, as shown in FIG. 3A, the height h1 of the region not covered with the photoresist 51 from the base 50 is such that the metal layer 42, the conductive oxide layer 43, Etching may be performed so as to be larger than the height h2 of the interface from the base 50 (see Example 1 in Table 1). Further, as shown in FIG. 3B, the height h2 of the interface between the metal layer 42 and the conductive oxide layer 43 from the base 50 is the height from the base 50 in the region not covered with the photoresist 51. The conductive oxide 43 may be dry-etched so as to be larger than h1 (see Example 3 in Table 1). However, in either embodiment of FIGS. 3A and 3B, the conductive oxide 43 is dry-etched so that the absolute value of the difference between h1 and h2 is within 5 nm.

第1の電極44を形成させる際の下地50が有する熱履歴により、金属層42と導電性酸化物層43との界面付近では、互いの層の金属元素が拡散する。本実施形態では、この状態で、パターニングされたフォトレジスト51をマスクとして、導電性酸化物43層を金属層42との界面付近までエッチングしている。そのため、図2(c)に示すように、下地50の表面には、導電性酸化物43が露出する領域Aと、金属層42及び導電性酸化物43が混在して露出する領域Bとが形成される。前述のドライエッチング量が少ない場合、領域Bにおける金属層42の露出する割合が小さくなり、後述するSAM膜形成が困難となる。一方、前述のドライエッチング量が多い場合、領域Bにおける金属層42の露出する割合が大きくなり、後述するSAM膜形成は容易となる。しかしながら、金属層42は、導電性酸化物層43と比較して、ドライエッチング時の選択比が高い。そのため、例えば第2の電極を成膜してパターニングする際に、過剰エッチングにより領域Bの第1の電極膜が消失し、素子抵抗が上昇することがある。この場合においては、第1の電極の金属層42の膜厚を厚くする、ドライエッチング条件を工程途中で変更するなどにより対処することが可能であるが、製造コストが上がり、また、工程が複雑になる。   In the vicinity of the interface between the metal layer 42 and the conductive oxide layer 43, the metal elements in each other layer diffuse due to the thermal history of the base 50 when forming the first electrode 44. In this embodiment, in this state, the conductive oxide 43 layer is etched to the vicinity of the interface with the metal layer 42 using the patterned photoresist 51 as a mask. Therefore, as shown in FIG. 2C, the surface 50 of the base 50 includes a region A where the conductive oxide 43 is exposed and a region B where the metal layer 42 and the conductive oxide 43 are exposed. It is formed. When the amount of dry etching described above is small, the exposed ratio of the metal layer 42 in the region B becomes small, and it becomes difficult to form a SAM film described later. On the other hand, when the amount of dry etching described above is large, the exposed ratio of the metal layer 42 in the region B is increased, and SAM film formation described later is facilitated. However, the metal layer 42 has a higher selectivity in dry etching than the conductive oxide layer 43. Therefore, for example, when the second electrode is formed and patterned, the first electrode film in the region B may disappear due to excessive etching, and the element resistance may increase. In this case, it is possible to cope by increasing the film thickness of the metal layer 42 of the first electrode or changing the dry etching conditions during the process, but the manufacturing cost increases and the process is complicated. become.

その後、図2(d)に示すように、導電性酸化物層43上に存損するフォトレジスト51を除去する。   Thereafter, as shown in FIG. 2D, the photoresist 51 which is present on the conductive oxide layer 43 is removed.

次に、下地50を、アルカンチオールなどから成るSAM材料含有溶液中に浸漬処理し、所定時間後に下地50を取り出し、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し、乾燥する。アルカンチオールは、導電性酸化物層43の表面と比較して、金属層42の表面に付着しやすい性質を有する。そのため、前記の浸漬処理における浸漬時間を適宜選択することにより、図2(e)に示すように、領域BにのみSAM膜52を形成することができる。SAM材料は、アルキル基を含む材料であるため、SAM膜52が形成された領域Bの表面は、撥水性(疎水性)となる。一方、SAM膜52が形成されない導電性酸化物層43の表面(領域A)は、親水性となる。これにより、領域Aと領域Bとの間の、純水に対する接触角差を大きく確保することができる。この表面エネルギーのコントラストを利用して、下記で詳述する電気機械変換膜の前駆体溶液の塗り分けが可能となる。   Next, the base 50 is dipped in a SAM material-containing solution made of alkanethiol or the like, and after a predetermined time, the base 50 is taken out, and the excess molecules are washed by substitution with a solvent and dried. Compared with the surface of the conductive oxide layer 43, the alkanethiol has a property of being easily attached to the surface of the metal layer 42. Therefore, the SAM film 52 can be formed only in the region B as shown in FIG. 2E by appropriately selecting the immersion time in the immersion treatment. Since the SAM material is a material containing an alkyl group, the surface of the region B where the SAM film 52 is formed is water repellent (hydrophobic). On the other hand, the surface (region A) of the conductive oxide layer 43 where the SAM film 52 is not formed becomes hydrophilic. Thereby, the contact angle difference with respect to pure water between the area | region A and the area | region B can be ensured large. By utilizing this surface energy contrast, it becomes possible to separately coat the precursor solution of the electromechanical conversion film described in detail below.

アルカンチオールは、分子鎖長により反応性や疎水(撥水)性が異なるが、通常SAM材料は、炭素数6〜18の分子を有する。また、SAM材料は、アルカンチオールを、前記アルカンチコールが溶解し、かつ、化学反応を起こさない、アルコール類などの溶媒で希釈して作成する。アルカンチオールの濃度は、数ミリモル/リットル〜数モル/リットル程度が好ましい。   Alkanethiol differs in reactivity and hydrophobicity (water repellency) depending on the molecular chain length, but a SAM material usually has 6 to 18 carbon atoms. The SAM material is prepared by diluting alkanethiol with a solvent such as alcohols in which the alkanethiol is dissolved and does not cause a chemical reaction. The concentration of alkanethiol is preferably about several millimoles / liter to several moles / liter.

次に、図2(f)に示すように、表面改質されていない親水性の領域A上に、インクジェット装置53により、電気機械変換膜の前駆体溶液(ゾルゲル液)54を塗布する。前述した表面エネルギーのコントラストにより、前駆体溶液54の塗布領域は、親水性の領域Aのみとなる(図2(g))。したがって、前駆体溶液54の濡れ広がりを抑制することができるため、電気機械変換膜の形状及び膜厚を安定させることができる。親水面の領域Aのみに前駆体溶液54を吐出させることにより、塗布する前駆体溶液54の使用量を、スピンコート法等の従来プロセスよりも減らすことができると共に、工程を簡略化することが可能である。 Next, as shown in FIG. 2 (f), an electromechanical conversion film precursor solution (sol-gel solution) 54 is applied onto the hydrophilic region A that has not been surface-modified by the inkjet device 53. Due to the contrast of the surface energy described above, the application region of the precursor solution 54 is only the hydrophilic region A (FIG. 2G). Therefore, since wetting and spreading of the precursor solution 54 can be suppressed, the shape and film thickness of the electromechanical conversion film can be stabilized. By discharging the precursor solution 54 only to the region A of the hydrophilic surface, the amount of the precursor solution 54 to be applied can be reduced as compared with a conventional process such as a spin coating method, and the process can be simplified. Is possible.

なお、前駆体溶液54は、インクジェット方式で塗布可能なように、使用するインクジェットヘッドに応じて、粘度、表面張力などが調整される。   The viscosity, surface tension, and the like of the precursor solution 54 are adjusted according to the ink jet head used so that the precursor solution 54 can be applied by an ink jet method.

インクジェット方式により前駆体溶液54を塗布した後は、前駆体溶液54を熱処理することにより、図2(h)に示すように、電気機械変換膜45が形成される。ここで言う熱処理とは、前駆体溶液54に含まれる溶媒成分を乾燥させる工程と、乾燥させた前駆体溶液(膜)を熱分解させる工程と、熱分解された前駆体溶液(膜)を結晶化させる工程と、を含む。この時、各々の工程は独立して行っても良く、連続して実施しても良い。   After the precursor solution 54 is applied by the ink jet method, the electromechanical conversion film 45 is formed by heat-treating the precursor solution 54 as shown in FIG. The heat treatment referred to here is a step of drying the solvent component contained in the precursor solution 54, a step of thermally decomposing the dried precursor solution (film), and a crystal of the precursor solution (film) that has been pyrolyzed. And the step of making it. At this time, each process may be performed independently or may be performed continuously.

一度の成膜で成膜される電気機械変換膜の膜厚は、60nm〜100nm程度となるように、前駆体溶液を塗布することが好ましい。前駆体溶液は高い収縮率を有するため、一度の成膜で成膜される電気機械変換膜の膜厚が100nmを超える場合、形成される電気機械変換膜にクラックが生じることがある。   It is preferable to apply the precursor solution so that the thickness of the electromechanical conversion film formed by one film formation is about 60 nm to 100 nm. Since the precursor solution has a high shrinkage rate, when the thickness of the electromechanical conversion film formed by one film formation exceeds 100 nm, the formed electromechanical conversion film may be cracked.

そのため、所望の電気機械変換膜の膜厚を得るためには、前駆体溶液の塗布及び熱処理を1回又は複数回行う必要がある。引き続き繰返し処理としてイソプロピルアルコール洗浄後、同様の浸漬処理にてSAM膜を形成する。2回目以降の工程において、SAM膜は、電気機械変換膜上には形成されず、前述したフォトリソグラフィの工程は不要である。次に、1度目に形成した電気機械変換膜パターン上に位置合わせを行い、再度インクジェット塗布装置により前駆体溶液を塗布する。1回目と同じ熱処理を経て、重ね塗りされた電気機械変換膜が得られる。以後、所望の膜厚となるまでこの工程を複数回繰り返すことができる。   Therefore, in order to obtain a desired film thickness of the electromechanical conversion film, it is necessary to perform application of the precursor solution and heat treatment one or more times. Subsequently, after washing with isopropyl alcohol as a repeated treatment, a SAM film is formed by the same immersion treatment. In the second and subsequent processes, the SAM film is not formed on the electromechanical conversion film, and the above-described photolithography process is unnecessary. Next, alignment is performed on the electromechanical conversion film pattern formed for the first time, and the precursor solution is applied again by the ink jet coating apparatus. Through the same heat treatment as that of the first time, an overcoated electromechanical conversion film is obtained. Thereafter, this process can be repeated a plurality of times until the desired film thickness is obtained.

本実施形態の電気機械変換膜の形成方法では、通常、膜厚が約5μm前後までの電気機械変換膜を形成することができる。   In the electromechanical conversion film forming method of the present embodiment, an electromechanical conversion film having a thickness of up to about 5 μm can be generally formed.

以上のように、本実施形態では、電気機械変換膜の前駆体を含む前駆体溶液を、インクジェット方式で塗布する工程を含む。したがって、従来のスピンコータにより塗布する方法と比較して、必要とされる出発原料の量が少なく、また、工程を簡略化することが可能である。   As described above, the present embodiment includes the step of applying the precursor solution containing the precursor of the electromechanical conversion film by the inkjet method. Therefore, the amount of starting material required is small compared with a method of applying by a conventional spin coater, and the process can be simplified.

(第1の実施形態)
これより、実施形態を説明することにより、より詳細に本発明を説明する。
(First embodiment)
The present invention will now be described in more detail by describing embodiments.

先ず、シリコン基板表面に密着層として酸化チタン(TiO)を50nm成膜した。TiO層上に第1の電極としてPt及びSRO(ルテニウム酸ストロンチウム)を順次積層した。このとき、Pt及びSROの膜厚は、各々、250nm、60nmとした。 First, a titanium oxide (TiO 2 ) film having a thickness of 50 nm was formed on the silicon substrate surface as an adhesion layer. Pt and SRO (strontium ruthenate) were sequentially laminated on the TiO 2 layer as the first electrode. At this time, the film thicknesses of Pt and SRO were 250 nm and 60 nm, respectively.

図2の水平方向に60μm、奥行き方向に1250μmの長尺パターンで、水平方向に120μm毎(パターン幅=スペース幅=60μm)に電気機械変換素子が形成されるように、SRO上にレジスト組成物を塗布、露光及び現像した。次に、レジスト膜をマスクとしてSRO膜をドライエッチングによりエッチングした。エッチング後は、パターン上に残存したフォトレジストを剥離した。   The resist composition on the SRO so that the electromechanical transducer is formed every 120 μm in the horizontal direction (pattern width = space width = 60 μm) in a long pattern of 60 μm in the horizontal direction and 1250 μm in the depth direction in FIG. Was coated, exposed and developed. Next, the SRO film was etched by dry etching using the resist film as a mask. After the etching, the photoresist remaining on the pattern was peeled off.

表1に、各実施例及び各比較例における、エッチング量を示す。   Table 1 shows the etching amount in each example and each comparative example.

各実施例及び各比較例における、図2の領域Bにおける、Pt元素濃度を、XPS(X線光電子分光)により測定した。測定結果も表1に示している。 The Pt element concentration in the region B of FIG. 2 in each Example and each Comparative Example was measured by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). The measurement results are also shown in Table 1.

エッチングにより、各実施例及び各比較例における領域Bの表面は、Pt層及びSRO層が斑状に点在する状態であった。   By etching, the surface of the region B in each Example and each Comparative Example was in a state where the Pt layer and the SRO layer were scattered in spots.

上述した表面改質工程により、基板を表面改質した。なお、SAM膜としては、ドデカンチオール(CH(CH11−SH)を使用し、モル濃度0.1mmol/lのエタノール希釈液とした。また、基板のアルカンチオール液への浸漬時間は10秒間とし、浸漬後は、エタノール浴中で約5分間超音波洗浄した。 The surface of the substrate was modified by the surface modification process described above. Note that dodecanethiol (CH 3 (CH 2 ) 11 —SH) was used as the SAM film, and an ethanol diluted solution having a molar concentration of 0.1 mmol / l was used. Further, the immersion time of the substrate in the alkanethiol solution was 10 seconds, and after the immersion, ultrasonic cleaning was performed in an ethanol bath for about 5 minutes.

表1に、各実施例及び各比較例における、領域A及び領域Bの純水に対する接触角を示す。各実施例における領域Bの対純水の接触角は90度以上であり、十分な疎水性が得られた。また、領域Aと領域Bとの間での接触角のコントラストを十分に確保することができた。   Table 1 shows the contact angles of the regions A and B with respect to pure water in each example and each comparative example. In each Example, the contact angle of pure water in region B was 90 degrees or more, and sufficient hydrophobicity was obtained. In addition, a sufficient contact angle contrast between the region A and the region B could be secured.

一方、各比較例における基板は、領域Bの対純水の接触角が約60度であり、十分な疎水性及びコントラストを得られなかった。   On the other hand, the substrate in each comparative example had a contact angle of pure water in region B of about 60 degrees, and sufficient hydrophobicity and contrast could not be obtained.

パターニングされた親水領域に、公知のインクジェット塗布装置により、PZT前駆体溶液を塗布した。PZT前駆体溶液の出発原料としては、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使用した。酢酸鉛の結晶水は、メトキシエタノール(沸点124℃)に溶解した後、脱水した。なお、出発原料の使用量は、化学両論組成に対して、鉛量を15モル%過剰となるように調整した。これにより、熱処理中の鉛抜けによる結晶性の低下を防ぐことができる。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進行させ、前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前駆体溶液を得た。また、合成されたPZT前駆体溶液に、ジエチレングリコールモノメチルエーテル(沸点194.1℃)及び1−ノナノール(沸点213℃)を添加した。また、一度の成膜で得られるPZT膜の膜厚が、90nm前後となるように、本実施形態ではPZT前駆体溶液の濃度を、0.25モル/リットルとなるように調製した。   The PZT precursor solution was applied to the patterned hydrophilic region using a known inkjet coating apparatus. As starting materials for the PZT precursor solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol (boiling point 124 ° C.) and then dehydrated. In addition, the usage-amount of the starting material was adjusted so that lead amount might be 15 mol% excess with respect to a stoichiometric composition. Thereby, the fall of crystallinity by lead omission during heat treatment can be prevented. Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, alcohol exchange reaction and esterification reaction were advanced, and mixed with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved to obtain a PZT precursor solution. . Further, diethylene glycol monomethyl ether (boiling point 194.1 ° C.) and 1-nonanol (boiling point 213 ° C.) were added to the synthesized PZT precursor solution. Further, in this embodiment, the concentration of the PZT precursor solution was adjusted to 0.25 mol / liter so that the thickness of the PZT film obtained by one film formation was about 90 nm.

図4に、本実施形態に係る電気機械変換素子の製造方法の効果を説明するための、概略図を示す。より具体的には、図4(a)は実施例におけるPZT前駆体溶液塗布後の基板の様子を示し、図4(b)は比較例におけるPZT前駆体溶液塗布後の基板の様子を示す。図4(a)に示されるように、実施例の基板は、前駆体溶液が、親水性である領域Aのみに広がっている。一方、図4(b)に示されるように、比較例の基板は、前駆体溶液が領域Aからはみ出していた。   FIG. 4 is a schematic view for explaining the effect of the method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment. More specifically, FIG. 4A shows the state of the substrate after application of the PZT precursor solution in the example, and FIG. 4B shows the state of the substrate after application of the PZT precursor solution in the comparative example. As shown in FIG. 4A, in the substrate of the example, the precursor solution spreads only in the region A where the precursor solution is hydrophilic. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the precursor solution protruded from the region A on the substrate of the comparative example.

PZT前駆体溶液が塗布された基板は、ホットプレートによる基板下面過熱により、昇温速度30℃/分で300℃まで温度上昇させて溶媒乾燥させた。また、この熱処理により、前駆体溶液が塗布されなかった領域のSAM膜は消失した。次に、有機物の熱分解(約500℃)を行い、PZT膜を得た。なお、得られたPZT前駆体塗膜の膜厚は90nmであった。   The substrate coated with the PZT precursor solution was heated to 300 ° C. at a temperature rising rate of 30 ° C./min by solvent heating by heating the lower surface of the substrate with a hot plate. In addition, the SAM film in the region where the precursor solution was not applied disappeared by this heat treatment. Next, the organic substance was thermally decomposed (about 500 ° C.) to obtain a PZT film. In addition, the film thickness of the obtained PZT precursor coating film was 90 nm.

引き続き処理として、イソプロピルアルコール洗浄後、同様の浸漬処理にてSAM膜を形成した。この時、実施例の基板上に形成されたSAM膜の純水に対する接触角は100度以上であり、PZT前駆体塗膜の純水に対する接触角は25度以下であった。   As a subsequent treatment, after washing with isopropyl alcohol, a SAM film was formed by the same immersion treatment. At this time, the contact angle with respect to pure water of the SAM film formed on the substrate of the example was 100 degrees or more, and the contact angle with respect to pure water of the PZT precursor coating film was 25 degrees or less.

次に、1度目に形成したPZT膜上に位置合わせして、前記インクジェット塗布装置により、再度PZT前駆体溶液を塗布し、更に、1度目に形成したPZT膜と同様の熱処理により、PZT膜を得た。   Next, alignment is performed on the PZT film formed first, and the PZT precursor solution is applied again by the ink jet coating apparatus, and the PZT film is formed by the same heat treatment as the PZT film formed first. Obtained.

この工程を更に4回(合計6回のPZTの塗布、熱処理)繰り返し、温度約750℃で急速熱処理(RTA)して、PZT膜を得た。得られたPZT膜には、クラックなどの不良は生じていなかった。   This process was further repeated 4 times (total 6 times of application and heat treatment of PZT), and rapid heat treatment (RTA) was performed at a temperature of about 750 ° C. to obtain a PZT film. In the obtained PZT film, defects such as cracks did not occur.

さらに、6回のSAM膜処理、PZT前駆体溶液の選択塗布、約300℃の溶媒乾燥及び約500℃の熱分解の処理を行い、前述の同様の結晶化熱処理を行ったが、得られたPZT膜にクラックなどの不良は生じなかった。更に6回のSAM膜処理、PZT前駆体溶液の選択塗布、約300℃の溶媒乾燥及び約500℃の熱分解の処理を行い、前述の同様の結晶化熱処理を行うサイクルを2度実施した。実施例で得られた電気機械変換膜の膜厚は、全て2.4μmであり、また、パターン内で膜厚ムラが少なかった。   Furthermore, the same crystallization heat treatment as described above was performed by performing six SAM film treatments, selective application of a PZT precursor solution, solvent drying at about 300 ° C. and thermal decomposition at about 500 ° C. No defects such as cracks occurred in the PZT film. Further, six cycles of the SAM film treatment, selective application of the PZT precursor solution, solvent drying at about 300 ° C. and thermal decomposition at about 500 ° C. were performed, and the same crystallization heat treatment cycle was performed twice. The film thicknesses of the electromechanical conversion films obtained in the examples were all 2.4 μm, and the film thickness unevenness was small in the pattern.

得られた電気機械変換膜を含む基板上に、スパッタ法にて白金を成膜し、フォトリソグラフィー及びエッチング工程により、第2の電極(上部電極)を形成し、電気機械変換素子を得た。なお、第2の電極を形成する際のエッチング工程では、領域Bにおいて、第1の電極のオーバーエッチングは発生しなかった。   A platinum film was formed by sputtering on the substrate including the obtained electromechanical conversion film, and a second electrode (upper electrode) was formed by photolithography and an etching process to obtain an electromechanical conversion element. Note that in the etching step when forming the second electrode, overetching of the first electrode did not occur in the region B.

得られた電気機械変換素子について、電気特性及び電気機械変換能(圧電定数)の評価を行った。   The obtained electromechanical conversion element was evaluated for electric characteristics and electromechanical conversion ability (piezoelectric constant).

図5に、第1の実施形態で得られた電気機械変換素子のP−Eヒステリシス曲線の例を示す。第1の実施形態で得られた電気機械変換素子の電気特性の測定結果を表2に示す。   FIG. 5 shows an example of the PE hysteresis curve of the electromechanical transducer obtained in the first embodiment. Table 2 shows the measurement results of the electrical characteristics of the electromechanical transducer obtained in the first embodiment.

また、実施例1の電気機械変換素子の残留分極は19.3μC/cm、抗電界は34.5kV/cmであった。これにより、第1の実施形態で得られる電気機械変換素子が、従来のセラミック焼結体と同等の電気特性を有することがわかった。 Moreover, the residual polarization of the electromechanical transducer of Example 1 was 19.3 μC / cm 2 , and the coercive electric field was 34.5 kV / cm. Thereby, it turned out that the electromechanical conversion element obtained by 1st Embodiment has an electrical property equivalent to the conventional ceramic sintered compact.

電気機械変換素子の電気機械変換能は、電界印加による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。第1の実施形態で得られた電気機械変換素子の圧電定数d31は、全て135pm/V以上であった。これは、得られた電気機械変換素子が、液滴吐出ヘッドとして適用することが可能な特性値を有することを意味する。   The electromechanical conversion ability of the electromechanical conversion element was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting it through simulation. The piezoelectric constant d31 of the electromechanical transducer obtained in the first embodiment was all 135 pm / V or more. This means that the obtained electromechanical transducer has a characteristic value that can be applied as a droplet discharge head.

また、一例として、第2の電極を配置せずに、前述の結晶化処理までの工程を10回繰り返したところ、5μmのPZT膜が得られ、このPZT膜は、クラックなどの欠陥を有していなかった。   As an example, when the above-described steps up to the crystallization treatment were repeated 10 times without disposing the second electrode, a 5 μm PZT film was obtained, and this PZT film had defects such as cracks. It wasn't.

以上、第1の実施形態の電気機械変換素子は、前記電気機械変換膜に覆われていない領域の高さと、前記金属層と前記導電性酸化物層との界面の高さと、の差が5nm以内である。そのため、図2に示す領域Aと領域Bとの間での接触角のコントラストを十分に確保することができ、第1の電極上に精度良く電気機械変換膜を形成することができる。そのため、従来のスピン工法で製造された電気機械変換素子と比較して、効率の良い振動や変形変位を得ることができる。   As described above, in the electromechanical conversion element of the first embodiment, the difference between the height of the region not covered with the electromechanical conversion film and the height of the interface between the metal layer and the conductive oxide layer is 5 nm. Is within. Therefore, a sufficient contact angle contrast between the region A and the region B shown in FIG. 2 can be ensured, and the electromechanical conversion film can be formed on the first electrode with high accuracy. Therefore, more efficient vibration and deformation displacement can be obtained as compared with the electromechanical conversion element manufactured by the conventional spin method.

(第2の実施形態)
本実施形態では、前述した実施形態の電気機械変換素子を液滴吐出ヘッドに適用した実施形態について、説明する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, an embodiment in which the electromechanical conversion element of the above-described embodiment is applied to a droplet discharge head will be described.

前述した実施形態の電気機械変換素子を適用した液滴吐出ヘッドの構成については、図1などで説明した。   The configuration of the droplet discharge head to which the electromechanical transducer of the above-described embodiment is applied has been described with reference to FIG.

本実施形態の液滴吐出ヘッドは、図1の液滴吐出ヘッドを複数配置した構成のものを使用することができる。   As the droplet discharge head of this embodiment, a configuration in which a plurality of droplet discharge heads of FIG. 1 are arranged can be used.

本実施形態の液滴吐出ヘッドは、前述までの実施形態で述べた電気機械変換素子を製造した後、液室21の形成のために、裏面からエッチングし、ノズル孔11を有するノズル板12を接合することで作成することができる。そのため、簡便な製造工程で、従来の液滴吐出ヘッドと同等の性能を有する液滴吐出ヘッドを製造することができる。   The droplet discharge head according to this embodiment is manufactured by manufacturing the electromechanical conversion element described in the above embodiments, and then etching the nozzle plate 12 having the nozzle holes 11 to form the liquid chamber 21 from the back surface. It can be created by joining. Therefore, a droplet discharge head having the same performance as a conventional droplet discharge head can be manufactured with a simple manufacturing process.

また、図1及び本実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしての一使用例として、インクジェットヘッドに適用する場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクタ用2軸スキャナ、輸液ポンプなどの用途にも、適用することができる。   Further, in FIG. 1 and the present embodiment, the case of applying to an inkjet head has been described as an example of use as a droplet discharge head, but the present embodiment is not limited to this. For example, it can be applied to uses such as a micro pump, an ultrasonic motor, an acceleration sensor, a two-axis scanner for a projector, and an infusion pump.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、第2の実施形態の液滴吐出ヘッドを搭載した、インクジェット用記録装置の一例について、図6及び図7を参照して説明する。なお、図6は、本実施形態のインクジェット記録装置を説明するための概略図であり、図7は、本実施形態のインクジェット記録装置を説明するための他の概略図である。
(Third embodiment)
In the third embodiment, an example of an ink jet recording apparatus equipped with the droplet discharge head of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. 6 is a schematic diagram for explaining the ink jet recording apparatus of the present embodiment, and FIG. 7 is another schematic diagram for explaining the ink jet recording apparatus of the present embodiment.

本実施形態に係る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93、キャリッジ93に搭載した本発明の一実施形態であるインクジェット用記録ヘッド94、インクジェット用記録ヘッド94へインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納する。記録装置本体81の下方部には、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る。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る。給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。   The ink jet recording apparatus according to the present embodiment includes a carriage 93 that is movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, an ink jet recording head 94 that is an embodiment of the present invention mounted on the carriage 93, and an ink jet recording head. A printing mechanism unit 82 and the like configured by an ink cartridge 95 that supplies ink to 94 are accommodated. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked can be detachably mounted on the lower part of the recording apparatus main body 81. Further, the manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be turned over. The paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 82, the paper 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する。キャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェット用記録ヘッド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は、インクジェット用記録ヘッド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 printing mechanism 82 holds the carriage 93 slidably in the main scanning direction with 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). An inkjet recording head 94 according to the present invention for ejecting ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) is provided on the carriage 93, and a plurality of ink ejection ports (nozzles). Are arranged in a direction crossing the main scanning direction, and the ink droplet ejection direction is directed downward. Further, the carriage 93 is mounted with replaceable ink cartridges 95 for supplying ink of the respective colors to the ink jet recording head 94.

インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する図示しない大気口、下方にはインクジェット用記録ヘッド94へインクを供給する図示しない供給口を、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有している。多孔質体の毛管力によりインクジェット用記録ヘッド94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、インクジェット用記録ヘッド94としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。   The ink cartridge 95 has an air port (not shown) communicating with the air at the upper side, a supply port (not shown) for supplying ink to the inkjet recording head 94 at the lower side, and a porous body (not shown) filled with ink inside. doing. The ink supplied to the inkjet recording head 94 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. In addition, although the heads of the respective colors are used here as the ink jet recording head 94, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.

キャリッジ93は、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、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、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。タイミングベルト100は、キャリッジ93に固定されている。   The carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the downstream side in the paper conveyance direction, and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the upstream side in the paper conveyance direction. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by the main scanning motor 97, so that the main scanning motor 97 is forward / reverse. The carriage 93 is reciprocated by the rotation. The timing belt 100 is fixed to the carriage 93.

また、本実施形態に係るインクジェット記録装置は、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、フリクションパッド102、用紙83を案内するガイド部材103、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105、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、を設けている。これにより、給紙カセット84にセットした用紙83を、インクジェット用記録ヘッド94の下方側に搬送される。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。   The ink jet recording apparatus according to the present embodiment also reverses the paper feed roller 101 that separates and feeds the paper 83 from the paper feed cassette 84, the friction pad 102, the guide member 103 that guides the paper 83, and the fed paper 83. A conveying roller 104 that conveys the sheet 83, a conveying roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the conveying roller 104, and a leading end roller 106 that defines a feeding angle of the sheet 83 from the conveying roller 104 are provided. As a result, the paper 83 set in the paper feed cassette 84 is conveyed to the lower side of the inkjet recording head 94. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

用紙ガイド部材である印写受け部材109は、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する。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を設けている。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。   The printing receiving member 109 which is a paper guide member guides the paper 83 sent out from the transport roller 104 corresponding to the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction on the lower side of the recording head 94. On the downstream side of the printing receiving member 109 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send out the sheet 83 in the sheet discharge direction are provided. Further, a discharge roller 113 and a spur 114 for sending the paper 83 to the discharge tray 86, and guide members 115 and 116 for forming a discharge path are provided.

画像記録時には、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。記録終了信号又は用紙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 image recording, the recording head 94 is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 93 to eject ink onto the stopped paper 83 to record one line, and after the paper 83 is conveyed by a predetermined amount Record the next line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing end of the paper 83 reaches the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

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を有する。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する。キャリッジ93は、印字待機中に回復装置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。   A recovery device 117 for recovering defective ejection of the head 94 is provided 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 unit, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink 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の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。また、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。さらに、吸引されたインクは、本体下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the discharge port of the head 94 is sealed by the capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port by the suction unit through the tube. Also, ink or dust adhering to the ejection port surface is removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged into 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.

本実施形態に係るインクジェット記録装置においては、第2の実施形態の液滴吐出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。   In the ink jet recording apparatus according to the present embodiment, since the droplet discharge head of the second embodiment is mounted, there is no ink droplet discharge failure due to vibration plate drive failure, and stable ink droplet discharge characteristics are obtained. , Improve the image quality.

10 液滴吐出ヘッド
11 ノズル孔
12 ノズル板
20 液室基板
21 液室
30 振動板
40 電気機械変換素子
41 密着層
42 金属層
43 導電酸化物層
44 第1の電極
44 電気機械変換膜
45 第2の電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Droplet discharge head 11 Nozzle hole 12 Nozzle plate 20 Liquid chamber board | substrate 21 Liquid chamber 30 Vibrating plate 40 Electromechanical conversion element 41 Adhesion layer 42 Metal layer 43 Conductive oxide layer 44 1st electrode 44 Electromechanical conversion film 45 2nd Electrode

特許第4590855号公報Japanese Patent No. 4590855

Claims (1)

下地上に形成された金属層と、該金属層上の一部に形成された導電性酸化物層と、を有する第1の電極と、
前記導電性酸化物層上に形成された電気機械変換膜と、
前記電気機械変換膜上の少なくとも一部に形成された第2の電極と、が少なくとも積層された電気機械変換素子の製造方法であって、
下地上に金属層及び導電性酸化物層を積層する工程と、
前記導電性酸化物層上にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を露光、現像してパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジスト膜をマスクとして、前記第1の電極における、レジスト膜に覆われていない領域の前記下地からの高さと、前記金属層と前記導電性酸化物層との界面の前記下地からの高さと、の差が5nm以内となるようにドライエッチングする工程と、
前記領域を疎水性に表面改質する工程と、
前記第1の電極上の表面改質されていない領域に、インクジェット方式により、前記電気機械変換膜の前駆体を含むゾルゲル液を塗布する工程と、
塗布された前記ゾルゲル液を熱処理する工程と、を含む、電気機械変換素子の製造方法。
A first electrode having a metal layer formed on the ground and a conductive oxide layer formed on a part of the metal layer;
An electromechanical conversion film formed on the conductive oxide layer;
A second electrode formed on at least a part of the electromechanical conversion film, and a method for producing an electromechanical conversion element having at least a laminated structure,
Laminating a metal layer and a conductive oxide layer on the ground;
Applying a resist composition on the conductive oxide layer to form a resist film;
Exposing and developing the resist film and patterning;
Using the patterned resist film as a mask, the height of the region of the first electrode not covered with the resist film from the base and the base of the interface between the metal layer and the conductive oxide layer A step of dry etching so that the difference between the height and the height is 5 nm or less;
Surface modifying the region to be hydrophobic;
Applying a sol-gel solution containing a precursor of the electromechanical conversion film to an unsurface-modified region on the first electrode by an inkjet method;
And a step of heat-treating the applied sol-gel solution.
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