JP6194686B2 - Method for manufacturing piezoelectric film, method for manufacturing electro-mechanical conversion element - Google Patents

Method for manufacturing piezoelectric film, method for manufacturing electro-mechanical conversion element Download PDF

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Description

本発明は、圧電体膜の製造方法、電気―機械変換素子の製造方法、および、液体吐出ヘッド、インクジェットプリンタに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric film, a method for manufacturing an electromechanical conversion element, a liquid discharge head, and an ink jet printer.

近年、圧電体膜を備えた電気−機械変換素子は、例えば、プリンタ、ファクシミリ等の画像記録装置あるいは画像形成装置として使用されるインクジェットプリンタ等の液体吐出ヘッド等各種分野で用いられている(例えば特許文献1)。   In recent years, an electro-mechanical conversion element including a piezoelectric film has been used in various fields such as an image recording apparatus such as a printer or a facsimile, or a liquid discharge head such as an ink jet printer used as an image forming apparatus (for example, Patent Document 1).

電気−機械変換素子は、例えば基板上に配置した第1の電極(下部電極)、圧電体膜(電気−機械変換層)、第2の電極(上部電極)から構成できる。   The electro-mechanical conversion element can be composed of, for example, a first electrode (lower electrode), a piezoelectric film (electro-mechanical conversion layer), and a second electrode (upper electrode) disposed on the substrate.

この際、圧電体膜の形成方法としては水熱合成法や、蒸着法、AD法、スピンコート法、インクジェット法等の各種の成膜方法が知られていた。   At this time, various film forming methods such as a hydrothermal synthesis method, a vapor deposition method, an AD method, a spin coating method, and an ink jet method have been known as a piezoelectric film forming method.

中でも、所望の圧電体膜のパターン形状に合わせ、インクジェット法により高解像度で第1の電極(下部電極)上に圧電体膜の前駆体であるゾル−ゲル液滴を吐出、塗布する方法であるインクジェット方式による圧電体膜の製造方法が近年着目されている。   In particular, it is a method of discharging and applying a sol-gel droplet, which is a precursor of the piezoelectric film, onto the first electrode (lower electrode) with high resolution by an ink jet method in accordance with a desired pattern shape of the piezoelectric film. In recent years, a method for manufacturing a piezoelectric film by an ink jet method has attracted attention.

これは、インクジェット方式による圧電体膜の製造方法によれば所望の圧電体膜のパターンにあわせて圧電体膜を成膜でき、塗布後、加熱した後にドライエッチング等を行う必要がなく、工数の増加や材料廃棄に伴うコストの増加は発生しない。また、上記のようにドライエッチング等によるパターニングを行う必要がないため、圧電体膜が鉛成分を含んでいる場合でも鉛廃棄物による環境への影響も大幅に軽減することができるためである。   This is because the piezoelectric film can be formed in accordance with the desired piezoelectric film pattern according to the method of manufacturing the piezoelectric film by the ink jet method, and it is not necessary to perform dry etching or the like after heating after coating, There is no increase in costs due to increase or material disposal. Moreover, since it is not necessary to perform patterning by dry etching or the like as described above, even when the piezoelectric film contains a lead component, the environmental impact of lead waste can be greatly reduced.

しかしながら、インクジェット方式による圧電体膜の製造方法においても、以下に説明するプロセス特有の課題が依然として存在していた。   However, the process-specific problems described below still exist in the method of manufacturing the piezoelectric film by the ink jet method.

第1の電極上に圧電体膜を形成する際に用いるゾル−ゲル液は、スピンコート法よりも遥かに微量となる。このため、ゾル−ゲル膜(ゾル−ゲル液)を乾燥する工程においてゾル−ゲル膜のパターン端部では微量液体から蒸発する溶媒の蒸気濃度が低くなり、ゾル−ゲル膜の乾燥が速くなる。そして、ゾル−ゲル膜内で乾燥速度の差が生じ、ゾル−ゲル膜のパターン稜線沿いの膜厚が極端に増加するいわゆるコーヒーステイン現象が発生し、ゾル−ゲル膜のパターンの端部と中心部で顕著な膜厚ムラが生じるという問題があった。   The amount of the sol-gel liquid used when forming the piezoelectric film on the first electrode is much smaller than that of the spin coating method. For this reason, in the step of drying the sol-gel film (sol-gel liquid), the vapor concentration of the solvent evaporating from the trace amount liquid becomes low at the pattern end of the sol-gel film, and the drying of the sol-gel film becomes faster. Then, a difference in drying speed occurs in the sol-gel film, so that a so-called coffee stain phenomenon occurs in which the film thickness along the ridge line of the sol-gel film increases extremely, and the edge and center of the pattern of the sol-gel film are generated. There was a problem that remarkable film thickness unevenness occurred in the portion.

コーヒーステイン現象について、図1、図2を用いて説明する。   The coffee stain phenomenon will be described with reference to FIGS.

図1は第1の電極上に着弾したゾル−ゲル液滴から発生するコーヒーステイン現象のメカニズムを示したモデル図であり、図2はゾル−ゲル膜を乾燥する工程における第1の電極上に着弾した液滴内の流れを表したモデル図である。   FIG. 1 is a model diagram showing a mechanism of a coffee stain phenomenon generated from a sol-gel droplet landed on a first electrode, and FIG. 2 is a diagram illustrating a process for drying a sol-gel film on the first electrode. It is a model figure showing the flow in the landed droplet.

第1の電極上に着弾したゾル−ゲル液滴は、当初、図1(A)に示す通り同じ形状を保ったまま蒸発が進む。なお、図中の丸はゾル−ゲル液滴中の溶質を模式的に示したものである。しかし蒸発が進むと図1(B)に示すように、ゾル−ゲル液滴内で溶質濃度の偏差が発生し、パターン端部では溶媒の蒸気濃度が低くなる。同時にゾル−ゲル液滴の縁の領域は増粘(ゲル化)する(図1(C))。   The sol-gel droplet landed on the first electrode initially evaporates while maintaining the same shape as shown in FIG. The circle in the figure schematically shows the solute in the sol-gel droplet. However, as the evaporation proceeds, as shown in FIG. 1B, a solute concentration deviation occurs in the sol-gel droplet, and the vapor concentration of the solvent becomes lower at the pattern edge. At the same time, the edge region of the sol-gel droplet is thickened (gelled) (FIG. 1C).

図1(D)、図2中に矢印で示すように、ゾル−ゲル液滴の縁が止まったまま高さのみが低くなる内部流れによって、端部に溶質が供給されることから、パターン稜線沿いの膜厚が増加する。図1(D)、図2に示したゾル−ゲル液滴内部流れは、ゾル−ゲル液滴の鉛直方向で温度勾配が生じ、密度差によって対流が発生することから起こる。   As indicated by the arrows in FIGS. 1D and 2, the solute is supplied to the end portion by the internal flow in which only the height is lowered while the edge of the sol-gel droplet is stopped. The film thickness along the side increases. The internal flow of the sol-gel droplet shown in FIG. 1D and FIG. 2 is caused by a temperature gradient in the vertical direction of the sol-gel droplet and convection due to a density difference.

そして、最終的に得られた圧電体膜は、コーヒーステイン現象により、図1(E)に示すように、その端部の膜厚と中心部とで顕著な膜厚ムラが生じる。なお、図1(E)は得られた圧電体膜の端部から中心部分の断面を拡大して示した図である。   In the finally obtained piezoelectric film, due to the coffee stain phenomenon, as shown in FIG. 1 (E), remarkable film thickness unevenness occurs between the film thickness at the end and the center. FIG. 1E is an enlarged view of the cross section of the central portion from the end of the obtained piezoelectric film.

加えてゾル−ゲル膜を乾燥する工程時は、スピンコート法と同様にホットプレート、ランプアニール装置等の加熱手段を使用するが、この際、圧電体膜のパターン周囲に存在する金属膜面への蓄熱・伝熱効果により乾燥がより促進される。このため、上述の膜厚ムラが顕著になるという問題があった。係る圧電体膜を用いて電気−機械変換素子とした場合、電気−機械変換素子の電気特性に不具合を生じることとなる。   In addition, during the process of drying the sol-gel film, heating means such as a hot plate and a lamp annealing device are used as in the spin coating method. At this time, the metal film surface existing around the pattern of the piezoelectric film is used. Drying is further promoted by the heat storage and heat transfer effect. For this reason, there was a problem that the above-mentioned film thickness unevenness became remarkable. When an electro-mechanical conversion element is formed using such a piezoelectric film, a problem occurs in the electrical characteristics of the electro-mechanical conversion element.

前記課題に対し、インクジェット方式で使用するゾル−ゲル液に、高沸点の溶媒を添加することで、ゾル−ゲル膜端部の蒸気濃度を上げ、自然乾燥の速度を抑制する方法が提案されている。しかし、係る方法でもコーヒーステイン現象の発生を十分には抑制できていなかった。   In response to the above problems, a method has been proposed in which a high boiling point solvent is added to a sol-gel solution used in an ink jet method to increase the vapor concentration at the end of the sol-gel film and to suppress the rate of natural drying. Yes. However, even this method cannot sufficiently suppress the occurrence of the coffee stain phenomenon.

上記従来技術の問題に鑑み、本発明は膜厚ムラを抑制し、かつ、生産性に優れた圧電体膜の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric film that suppresses unevenness in film thickness and is excellent in productivity.

上記課題を解決するため、本発明は、基板上に設けられた第1の電極表面にインクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布しパターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程と、
前記ゾル−ゲル膜を加熱処理することでゾル−ゲル膜を乾燥する工程と、を有しており、
前記ゾル−ゲル膜を乾燥する工程は、ゾル−ゲル膜の加熱温度を、室温から予め規定した変更点温度Tまで、第1の昇温レートにより昇温する第1の昇温工程と、
前記変更点温度Tに到達後、昇温レートを第2の昇温レートに変更し、ゾル−ゲル膜の加熱温度をゾル−ゲル膜の乾燥温度まで昇温する第2の昇温工程と、を有し、
前記変更点温度Tは、前記ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点Tbpとの間で、Tbp−23≦T≦Tbp+23の関係を満たし、
前記第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートは、前記ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の45%以下であり、
前記第1の昇温レートは、前記第2の昇温レートよりも遅いことを特徴とする圧電体膜の製造方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention comprises a step of partially applying a sol-gel liquid to a first electrode surface provided on a substrate by an ink jet method to form a patterned sol-gel film;
Drying the sol-gel film by heat-treating the sol-gel film,
The step of drying the sol-gel film includes a first temperature raising step of raising the heating temperature of the sol-gel film from room temperature to a predetermined change point temperature Tc at a first temperature raising rate;
A second temperature raising step of changing the temperature rising rate to the second temperature rising rate after reaching the change point temperature Tc and raising the heating temperature of the sol-gel film to the drying temperature of the sol-gel film; Have
The change point temperature T c satisfies the relationship of T bp −23 ≦ T c ≦ T bp +23 with the boiling point T bp of the main solvent of the sol-gel solution,
The heating rate per minute of the first heating rate is 45% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid,
The method of manufacturing a piezoelectric film is characterized in that the first temperature rise rate is slower than the second temperature rise rate.

本発明によれば、膜厚ムラを抑制し、かつ、生産性に優れた圧電体膜の製造方法を提供することが可能になる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the piezoelectric material film which suppressed film thickness nonuniformity and was excellent in productivity.

コーヒーステイン現象の説明図Illustration of coffee stain phenomenon 従来の乾燥工程における第1の電極上に着弾した液滴内の流れを示したモデル図Model diagram showing the flow in a droplet landed on the first electrode in a conventional drying process 本発明の第1の実施形態に係る第1の電極表面の表面改質方法の説明図Explanatory drawing of the surface modification method of the 1st electrode surface which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るゾル−ゲル液の塗布に使用可能な産業用インクジェット描画装置の説明図Explanatory drawing of the industrial inkjet drawing apparatus which can be used for application | coating of the sol-gel liquid which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る、圧電体膜の製造フロー例の説明図Explanatory drawing of the example of a manufacture flow of a piezoelectric material film concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る圧電体膜の製造工程の説明図Explanatory drawing of the manufacturing process of the piezoelectric film which concerns on the 1st Embodiment of this invention 本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成の説明図Explanatory drawing of the structure of the liquid discharge head which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成の説明図Explanatory drawing of the structure of the liquid discharge head which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るインクジェットプリンタの構成の斜視説明図Explanatory perspective view of the configuration of an ink jet printer according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係るインクジェットプリンタの機構部の側面説明図Side surface explanatory drawing of the mechanism part of the inkjet printer which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の実施例1においてインクジェット方式により形成する圧電体膜パターンの説明図Explanatory drawing of the piezoelectric film pattern formed by the inkjet system in Example 1 of this invention 本発明の実施例1に係る電気−機械変換素子のP−Eヒステリシス曲線PE hysteresis curve of electromechanical transducer according to embodiment 1 of the present invention

以下に、発明を実施するための形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
[第1の実施形態]
以下、本発明の圧電体膜の製造方法の一実施形態について説明する。
Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples.
[First Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of a method for producing a piezoelectric film of the present invention will be described.

本実施形態の圧電体膜の製造方法は、基板上に設けられた第1の電極表面にインクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布しパターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程と、ゾル−ゲル膜を加熱処理することでゾル−ゲル膜を乾燥する工程と、を有する。   The method of manufacturing a piezoelectric film according to the present embodiment includes a step of partially applying a sol-gel liquid to the surface of a first electrode provided on a substrate by an inkjet method to form a patterned sol-gel film. And a step of drying the sol-gel film by heat-treating the sol-gel film.

そして、ゾル−ゲル膜を乾燥する工程は、以下の第1の昇温工程、第2の昇温工程を有することができる。第1の昇温工程は、ゾル−ゲル膜の加熱温度を、室温から予め規定した変更点温度Tまで、第1の昇温レートにより昇温する工程とすることができる。また、第2の昇温工程は、変更点温度Tに到達後、昇温レートを第2の昇温レートに変更し、ゾル−ゲル膜の加熱温度をゾル−ゲル膜の乾燥温度まで昇温する工程とすることができる。 And the process of drying a sol-gel film can have the following 1st temperature rising processes and a 2nd temperature rising process. The first temperature raising step can be a step of raising the heating temperature of the sol-gel film from room temperature to a predetermined change point temperature Tc at a first temperature raising rate. In the second temperature raising step, after reaching the change point temperature Tc , the temperature raising rate is changed to the second temperature raising rate, and the heating temperature of the sol-gel film is increased to the drying temperature of the sol-gel film. It can be set as the process to heat.

この際、変更点温度Tは、ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点Tbpとの間で、Tbp−23≦T≦Tbp+23の関係を満たしていることが好ましい。第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートは、ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の45%以下であることが好ましい。さらに、第1の昇温レートは、第2の昇温レートよりも遅いことが好ましい。 At this time, the change point temperature T c preferably satisfies the relationship of T bp −23 ≦ T c ≦ T bp +23 with the boiling point T bp of the main solvent of the sol-gel solution. The temperature rising rate per minute of the first temperature rising rate is preferably 45% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid. Furthermore, the first temperature rise rate is preferably slower than the second temperature rise rate.

各工程について以下に説明する。   Each step will be described below.

まず、基板上に設けられた第1の電極表面にインクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布し、パターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程について説明する。   First, a process of forming a patterned sol-gel film by partially applying a sol-gel liquid to the surface of the first electrode provided on the substrate by an ink jet method will be described.

本工程は、インクジェット方式により圧電体膜の前駆体であるゾル−ゲル液を、目的とする圧電体膜のパターンに応じて基板上に設けられた第1の電極表面に部分的に塗布し、ゾル−ゲル膜を形成する工程である。   In this step, a sol-gel liquid, which is a precursor of the piezoelectric film, is partially applied to the surface of the first electrode provided on the substrate according to the pattern of the target piezoelectric film by an inkjet method, This is a step of forming a sol-gel film.

インクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布する方法については特に限定されるものではなく、前処理工程を行うことなく、第1の電極上に直接インクジェット方式により塗布することもできる。しかし、微細なパターン形成を行ったり、ゾル−ゲル液が目的以外の部分に付着したりしないようにするため、ゾル−ゲル液を塗布する前に前処理工程を行うことが好ましい。   A method of partially applying the sol-gel liquid by the ink jet method is not particularly limited, and the sol-gel liquid can be directly applied on the first electrode by the ink jet method without performing a pretreatment process. However, in order to prevent the formation of a fine pattern and to prevent the sol-gel solution from adhering to a portion other than the target, it is preferable to perform a pretreatment step before applying the sol-gel solution.

ここで、前処理工程の構成例について説明する。   Here, a configuration example of the pretreatment process will be described.

前処理工程としては、例えば基板上に設けられた第1の電極表面を部分的に表面改質する工程(以下、「表面改質工程」とも記載する)を有することが好ましい。表面改質工程としては、例えば第1の電極表面を部分的に表面改質することにより、第1の電極表面の濡れ性を制御するものであることが好ましい。表面改質工程を行うことにより、第1の電極表面に表面エネルギーのコントラストを設けることができ、ゾル−ゲル液を塗布した際、ゾル−ゲル液が濡れ広がるのは親水性の領域のみとなるため、容易に塗り分けることが可能となる。すなわち、表面改質工程を行うことにより、ゾル−ゲル液を第1の電極表面に塗布する際、所望の場所にのみに塗布することが容易に行えるようになる。   As the pretreatment step, for example, it is preferable to include a step of partially modifying the surface of the first electrode provided on the substrate (hereinafter also referred to as “surface modification step”). As the surface modification step, it is preferable to control the wettability of the first electrode surface, for example, by partially modifying the surface of the first electrode. By performing the surface modification step, a surface energy contrast can be provided on the surface of the first electrode. When the sol-gel liquid is applied, the sol-gel liquid is wet and spreads only in the hydrophilic region. Therefore, it is possible to easily paint differently. That is, by performing the surface modification step, when the sol-gel solution is applied to the surface of the first electrode, it can be easily applied only to a desired place.

このため、例えば、形成するゾル−ゲル膜(圧電体膜)の形状にあわせて第1の電極表面について予め表面改質を行うことが好ましい。この場合、表面改質を行う部分としては、ゾル−ゲル膜を形成する部分、ゾル−ゲル膜を形成しない部分のどちらを表面改質してもよく、表面改質後の表面特性に応じて選択することができる。   For this reason, for example, it is preferable to modify the surface of the first electrode surface in advance in accordance with the shape of the sol-gel film (piezoelectric film) to be formed. In this case, as the portion for surface modification, either the portion that forms the sol-gel film or the portion that does not form the sol-gel film may be surface modified, depending on the surface characteristics after the surface modification. You can choose.

第1の電極表面の濡れ性を制御する方法としては、例えば疎水性または親水性の液体、膜を第1の電極表面に塗布、成膜する等の方法により行うことができる。   As a method for controlling the wettability of the first electrode surface, for example, a hydrophobic or hydrophilic liquid or a film may be applied to the first electrode surface, or a method of forming a film.

具体的には、例えば、以下に示すアルカンチオールの特定金属上に自己配列する現象を利用する方法が挙げられる。   Specifically, for example, a method utilizing the phenomenon of self-arrangement on a specific metal of alkanethiol shown below can be mentioned.

具体的な操作例について図3を用いて説明する。   A specific operation example will be described with reference to FIG.

アルカンチオールは、白金族の金属表面上にSAM膜を形成する特性があることから、基板31上に、白金や白金族金属またはその合金によって構成される第1の電極32を形成したものを用意する(図3(A))。   Since alkanethiol has the property of forming a SAM film on the surface of a platinum group metal, a material in which a first electrode 32 made of platinum, a platinum group metal, or an alloy thereof is formed on a substrate 31 is prepared. (FIG. 3A).

そして、第1の電極を形成した基板ごとアルカンチオール液にディップすることでSAM処理を行うと、第1の電極32表面にSAM膜(自己組織化単分子膜)33が形成される(図3(B))。SAM膜33にはアルキル基が配置されることから、基板上の第1の電極表面の全面が疎水性になる。   Then, when SAM treatment is performed by dipping the substrate on which the first electrode is formed into an alkanethiol solution, a SAM film (self-assembled monomolecular film) 33 is formed on the surface of the first electrode 32 (FIG. 3). (B)). Since an alkyl group is disposed in the SAM film 33, the entire surface of the first electrode surface on the substrate becomes hydrophobic.

次に、これをフォトレジスト34、フォトマスク35を用いたフォトリソグラフィー法により、所定の開口部を有するフォトレジスト34を形成するフォトリソグラフィー工程を行う。フォトリソグラフィー工程後、エッチング工程により、SAM膜を所望の圧電体膜の形状に合わせてパターニングを行う(図3(C))。この際、例えば、酸素プラズマや、UV光を照射することによってSAM膜のエッチングを行うことができる。   Next, a photolithography process for forming a photoresist 34 having a predetermined opening is performed by a photolithography method using the photoresist 34 and the photomask 35. After the photolithography process, the SAM film is patterned in accordance with the shape of the desired piezoelectric film by an etching process (FIG. 3C). At this time, for example, the SAM film can be etched by irradiation with oxygen plasma or UV light.

フォトリソグラフィー工程でフォトレジスト34が残った領域は、レジスト剥離後もパターン化SAM膜が残り、この領域では疎水性が保たれる。一方、フォトリソグラフィー工程でレジスト除去された領域は、エッチング工程により第1の電極表面のSAM膜が除去されるため、親水性となる(図3(D))。   In the region where the photoresist 34 remains in the photolithography process, the patterned SAM film remains even after the resist is removed, and the hydrophobicity is maintained in this region. On the other hand, the resist-removed region in the photolithography process becomes hydrophilic because the SAM film on the surface of the first electrode is removed by the etching process (FIG. 3D).

前処理工程として、以上説明したような表面改質工程を行うことにより、第1の電極表面を部分的に表面改質することができ、ゾル−ゲル液を容易に、また、正確に目的とする第1の電極表面の部分に塗布することが可能になる。   By performing the surface modification step as described above as the pretreatment step, the surface of the first electrode can be partially modified, so that the sol-gel solution can be easily and accurately obtained. It becomes possible to apply to the surface portion of the first electrode.

なお、表面改質工程の例として、白金族の電極を用いた例で説明したが係る形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例とすることもできる。   In addition, although the example using a platinum group electrode was demonstrated as an example of a surface modification process, it is not limited to the form which concerns, For example, it can also be set as the following modifications.

本変形例では基板上に形成する第1の電極としてニッケル酸ランタン(LNO)を用いる。この場合、LNO膜の下に予め白金膜を成膜しておく。このLNO膜をフォトリソグラフィー工程およびエッチング工程で予め目的とする圧電体膜形状にパターニングすることで、LNO膜が除去され白金膜が露出する領域とLNO膜が残留する領域の両者を形成する。この基板をSAM処理(基板ごとアルカンチオール液にディップ)すると、白金膜上にのみにSAM膜が形成され撥水性となる一方、LNO上はSAM膜が形成されないため親水性となる。よってインクジェット方式によるゾル−ゲル液の塗り分けが可能となる。   In this modification, lanthanum nickelate (LNO) is used as the first electrode formed on the substrate. In this case, a platinum film is formed in advance under the LNO film. By patterning the LNO film in advance into a target piezoelectric film shape by a photolithography process and an etching process, both the region where the LNO film is removed and the platinum film is exposed and the region where the LNO film remains are formed. When this substrate is SAM-treated (the substrate is dipped into the alkanethiol solution), the SAM film is formed only on the platinum film and becomes water repellent, while the SAM film is not formed on the LNO and becomes hydrophilic. Therefore, the sol-gel liquid can be separately applied by the ink jet method.

次に、基板上に設けられた第1の電極表面にインクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布しパターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程(以下、「ゾル−ゲル膜形成工程」とも記載する)について具体的に説明する。   Next, a step of forming a patterned sol-gel film by partially applying a sol-gel liquid to the surface of the first electrode provided on the substrate by an inkjet method (hereinafter referred to as “sol-gel film forming step”). Is also described in detail.

インクジェット方式によるゾル−ゲル液の塗布には、例えば図4に示すような一般的な産業用インクジェット描画装置40を用いることができる。   For the application of the sol-gel liquid by the ink jet method, for example, a general industrial ink jet drawing apparatus 40 as shown in FIG. 4 can be used.

図4に示す産業用インクジェット描画装置40は、架台41上に、ゾル−ゲル液を塗布する対象物である基板42を固定するステージ43が備えられており、ステージ43には、基板をY方向に移動させることが可能なY軸駆動手段44が備えられている。   The industrial inkjet drawing apparatus 40 shown in FIG. 4 is provided with a stage 43 for fixing a substrate 42 as an object to which a sol-gel solution is applied on a gantry 41, and the stage 43 holds the substrate in the Y direction. Y-axis driving means 44 that can be moved to the right is provided.

そして、基板42に対してゾル−ゲル液を塗布するのは基板42に対向するように設けられたインクジェットヘッド45である。インクジェットヘッド45はゾル−ゲル液供給用パイプ46に接続され、図示しない制御部からの信号により、ゾル−ゲル液を基板42に対して供給、塗布する。インクジェットヘッド45は、ヘッドベース47に固定されており、ヘッドベース47は、X軸支持部材48に設けられたX軸駆動手段49に接続されており、X方向に移動させることが可能になっている。このため、架台41側に設けられたY軸駆動手段44とあわせてインクジェットヘッド45を基板42上の所望の位置に移動させることができる。   The sol-gel solution is applied to the substrate 42 by the ink jet head 45 provided to face the substrate 42. The inkjet head 45 is connected to a sol-gel liquid supply pipe 46 and supplies and applies the sol-gel liquid to the substrate 42 in response to a signal from a control unit (not shown). The inkjet head 45 is fixed to a head base 47, and the head base 47 is connected to an X-axis drive means 49 provided on an X-axis support member 48, and can be moved in the X direction. Yes. For this reason, the inkjet head 45 can be moved to a desired position on the substrate 42 together with the Y-axis driving means 44 provided on the gantry 41 side.

係る産業用インクジェット描画装置40により、予めインクジェット描画装置の制御部にインプットされた圧電体膜のパターン画像を基に、インクジェットヘッド45からゾル−ゲル液滴を圧電体膜パターン形成箇所のみに着弾させパターンを塗布することができる。   Based on the pattern image of the piezoelectric film previously input to the control unit of the ink jet drawing apparatus, the industrial ink jet drawing apparatus 40 causes the sol-gel droplet to land only on the piezoelectric film pattern forming portion from the ink jet head 45. A pattern can be applied.

なお、本プロセスで使用するゾル−ゲル液は、インクジェットヘッド45で塗布可能なように予め粘度、表面張力を調整していることが好ましい。また、一度の成膜で得られる膜厚は50〜100nm程度が好ましく、ゾル−ゲル液濃度は成膜面積とゾル−ゲル液の塗布量の関係から適正化されていることが好ましい。   The sol-gel solution used in this process is preferably adjusted in viscosity and surface tension in advance so that it can be applied by the inkjet head 45. The film thickness obtained by one film formation is preferably about 50 to 100 nm, and the sol-gel solution concentration is preferably optimized from the relationship between the film formation area and the amount of sol-gel liquid applied.

用いるゾル−ゲル液としては特に限定されるものではなく、成膜後、圧電性を示す材料であれば用いることができる。   The sol-gel liquid to be used is not particularly limited, and any material that exhibits piezoelectricity after film formation can be used.

例えば、成膜した際にPZTとなる材料や、ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、チタン酸バリウム(BT)等の様々な圧電セラミック材料となる原料溶液を用いることができる。   For example, various materials such as PZT when deposited, lead lanthanum added lead zirconate titanate (PLZT), lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), barium titanate (BT), etc. A raw material solution to be a piezoelectric ceramic material can be used.

なお、ここでいうPZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体で、その比率により特性が異なるが、その比率についても限定されるものではなく、要求される圧電性能等に応じて選択することができる。中でもPbZrOとPbTiOの比率(モル比)が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)Oで表わされるPZT(PZT(53/47)とも示される)は、特に優れた圧電特性を示すことから好ましく用いることができる。 In addition, PZT here is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio, but the ratio is not limited and is required. It can be selected according to the piezoelectric performance or the like. Among them, the ratio (molar ratio) of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and it is expressed by the chemical formula PZT (PZT (53/47)) represented by Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3. Can be preferably used because it exhibits particularly excellent piezoelectric properties.

次に、ゾル−ゲル膜を乾燥する工程(以下「乾燥工程」とも記載する)について説明する。   Next, a step of drying the sol-gel film (hereinafter also referred to as “drying step”) will be described.

本実施形態においては、ゾル−ゲル膜を乾燥する工程は、以下の第1の昇温工程、第2の昇温工程を有することができる。第1の昇温工程は、ゾル−ゲル膜の加熱温度を、室温から予め規定した変更点温度まで、第1の昇温レートにより昇温する工程とすることができる。また、第2の昇温工程は、変更点温度に到達後、昇温レートを第2の昇温レートに変更し、ゾル−ゲル膜の加熱温度をゾル−ゲル膜の乾燥温度まで昇温する工程とすることができる。すなわち、乾燥工程においては、昇温レートの水準の異なる二種類の乾燥温度で段階的に乾燥させることができる。   In the present embodiment, the step of drying the sol-gel film can include the following first temperature raising step and second temperature raising step. The first temperature raising step can be a step of raising the heating temperature of the sol-gel film from room temperature to a predetermined change point temperature at a first temperature raising rate. In the second temperature raising step, after reaching the change point temperature, the temperature raising rate is changed to the second temperature raising rate, and the heating temperature of the sol-gel film is raised to the drying temperature of the sol-gel film. It can be a process. That is, in the drying step, the drying can be performed step by step at two types of drying temperatures having different levels of the temperature rising rate.

上記従来技術で述べたように、インクジェット方式でゾル−ゲル液を塗布した場合、塗布するゾル−ゲル液の量が微量のため、従来、乾燥工程においていわゆるコーヒーステイン現象が発生することがあった。この場合、圧電体膜パターンの端部と中心部とで極端な膜厚ムラを生じるため、例えば電気−機械変換素子とした場合に、その電気特性に不具合を生じるという問題があった。そして、コーヒーステイン現象は、乾燥工程においてゾル−ゲル膜内で溶質濃度の偏差が発生し、パターン端部では溶媒の蒸気濃度が低くなるために生じていると考えられる。   As described in the above prior art, when a sol-gel liquid is applied by an ink jet method, a so-called coffee stain phenomenon may occur in the drying process because the amount of sol-gel liquid applied is very small. . In this case, extreme film thickness unevenness occurs between the end and the center of the piezoelectric film pattern. For example, when an electro-mechanical conversion element is used, there is a problem in that the electric characteristics are defective. The coffee stain phenomenon is considered to be caused by a deviation in the solute concentration in the sol-gel film during the drying process, and the vapor concentration of the solvent at the end of the pattern is lowered.

そこで、本発明の発明者らが検討したところ、昇温レートの異なる第1の昇温レート及び第2の昇温レートによりゾル−ゲル膜の加熱温度を昇温し、段階的に乾燥することにより、ゾル−ゲル膜形成領域内で溶媒の蒸気濃度分布を小さくできることを見出した。このため、熱処理時に良好な焼成状態を得ることができ、乾燥の不均一による膜厚のバラツキが抑制され、コーヒーステイン現象の発生を抑制できると共に、乾燥工程の所要時間を短縮し生産性が向上することを見出した。   Therefore, the inventors of the present invention have examined that the heating temperature of the sol-gel film is increased by the first temperature rising rate and the second temperature rising rate having different temperature increasing rates, and is dried stepwise. Thus, it was found that the vapor concentration distribution of the solvent can be reduced in the sol-gel film formation region. For this reason, a good firing state can be obtained during heat treatment, variation in film thickness due to uneven drying can be suppressed, the occurrence of coffee stain phenomenon can be suppressed, and the time required for the drying process can be shortened to improve productivity. I found out.

そして、乾燥工程において、第1の昇温レートから第2の昇温レートに変更する変更点温度は、ゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点付近であることが好ましい。また、第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートは、ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の45%以下であることが好ましく、第1の昇温レートは、第2の昇温レートよりも遅いことが好ましい。   And in a drying process, it is preferable that the change point temperature changed from a 1st temperature rising rate to a 2nd temperature rising rate is the boiling point vicinity of the main solvent which comprises a sol-gel liquid. Moreover, it is preferable that the heating rate per minute of the first heating rate is 45% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid, and the first heating rate is the second heating rate. It is preferably slower than the rate.

まず、変更点温度について説明する。   First, the change point temperature will be described.

変更点温度がゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点付近よりも大幅に低い場合、ゾル−ゲル液中の溶媒成分の蒸発が進まない状態で、第1の昇温レートより昇温レートが速い第2の昇温レートに切り替わることとなる。この場合、第2の昇温レートに変更後は、ゾル−ゲル膜の乾燥温度到達まで昇温レートが速くなるため、パターン化ゾル−ゲル膜内で溶質濃度偏差が大きくなり、パターン端部の溶媒の蒸気密度が低くなるため、コーヒーステイン現象が発生する場合がある。   When the change point temperature is significantly lower than the vicinity of the boiling point of the main solvent constituting the sol-gel liquid, the temperature increase rate is higher than the first temperature increase rate in a state where the evaporation of the solvent component in the sol-gel liquid does not proceed. It will switch to the quick 2nd temperature increase rate. In this case, after changing to the second temperature rising rate, the temperature rising rate becomes faster until reaching the drying temperature of the sol-gel film, so that the solute concentration deviation becomes large in the patterned sol-gel film, Since the vapor density of the solvent is lowered, a coffee stain phenomenon may occur.

一方、変更点温度が、ゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点付近よりも大幅に高い場合、既にゾル−ゲル液中の溶媒成分のほとんどが蒸発して久しい時点で、第1の昇温レートより昇温レートが速い第2の昇温レートに切り替わる。すなわちコーヒーステイン現象が発生しない環境になっているにもかかわらず、ゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点を過ぎても第2の昇温レートより遅い第1の昇温レートで加熱を進めることになる。このため、乾燥工程にかかる時間が長くなり、生産性が低下する場合がある。   On the other hand, when the temperature at the change point is significantly higher than the vicinity of the boiling point of the main solvent constituting the sol-gel liquid, the first temperature rise is performed at a point in time when most of the solvent components in the sol-gel liquid have already evaporated. It switches to the 2nd temperature rising rate whose temperature rising rate is faster than the rate. That is, in spite of the environment in which the coffee stain phenomenon does not occur, the heating is advanced at the first temperature rising rate that is slower than the second temperature rising rate even after the boiling point of the main solvent constituting the sol-gel liquid is exceeded. It will be. For this reason, the time which a drying process takes becomes long, and productivity may fall.

このため、変更点温度は、ゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点付近とすることが好ましい。特に、変更点温度Tは例えば、ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点Tbpとの間でTbp−23≦T≦Tbp+23の関係を満たすことが好ましく、Tbp−20≦T≦Tbp+20の関係を満たすことがより好ましい。Tbp−10≦T≦Tbp+10の関係を満たすことがさらに好ましい。 For this reason, it is preferable that the changing point temperature is around the boiling point of the main solvent constituting the sol-gel liquid. In particular, the change point temperature T c preferably satisfies the relationship T bp −23 ≦ T c ≦ T bp +23 with the boiling point T bp of the main solvent of the sol-gel liquid, for example, T bp −20 ≦ T It is more preferable to satisfy the relationship of c ≦ T bp +20. It is more preferable that the relationship of T bp −10 ≦ T c ≦ T bp +10 is satisfied.

次に、第1の昇温レートについて説明する。   Next, the first temperature increase rate will be described.

第1の昇温レートは上述のように、第1の昇温レートの1分当たりの昇温レート(昇温速度)がゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の45%以下であることが好ましい。これは、第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートが、前述のゾル−ゲル液を構成する主溶媒の沸点の45%より速い場合、ゾル−ゲル液膜パターン端部で微量液体から蒸発する溶媒の蒸気濃度が低くなり、乾燥が早くなる場合がある。このため、コーヒーステイン現象が発生する場合があるためである。   As described above, the first temperature rising rate is preferably 45% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid at a temperature rising rate (temperature rising rate) per minute of the first temperature rising rate. . This is because when the temperature rising rate per minute of the first temperature rising rate is faster than 45% of the boiling point of the main solvent constituting the sol-gel liquid, a trace amount liquid is formed at the end of the sol-gel liquid film pattern. In some cases, the vapor concentration of the solvent evaporating from the liquid becomes lower and drying becomes faster. For this reason, the coffee stain phenomenon may occur.

特に第1の昇温レートは、第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートが、ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の25%以下であることがより好ましい。第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートをゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の25%以下とすることにより、コーヒーステイン現象の発生をより確実に防止することができる。   In particular, the first temperature rising rate is more preferably 25% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid at a temperature rising rate per minute of the first temperature rising rate. By setting the temperature increase rate per minute of the first temperature increase rate to 25% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid, the occurrence of the coffee stain phenomenon can be more reliably prevented.

なお、ここで述べている主溶媒とは、ゾル−ゲル液中に含まれる溶媒のうち体積を基準にみたときに含有量のもっとも多い溶媒のことを意味している。   In addition, the main solvent described here means a solvent having the largest content when the volume is taken as a reference among the solvents contained in the sol-gel solution.

また、第1の昇温レートの下限値は特に限定されるものではないが、例えば第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートが主溶媒の沸点の8%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましい。第1の昇温レートを上記範囲から選択することにより、コーヒーステイン減少の発生を抑制し、生産性の更なる向上を図ることができる。そして、パターン内中央部膜厚をより確実に端部膜厚以下とすることができる。   Further, the lower limit value of the first temperature rise rate is not particularly limited, but for example, the temperature rise rate per minute of the first temperature rise rate is preferably 8% or more of the boiling point of the main solvent. 20% or more is more preferable. By selecting the first temperature increase rate from the above range, it is possible to suppress the occurrence of coffee stain reduction and further improve productivity. In addition, the film thickness in the central portion of the pattern can be more reliably set to be equal to or less than the film thickness at the end portion.

次に、第1の昇温レートと、第2の昇温レートとの関係について説明する。   Next, the relationship between the first temperature rise rate and the second temperature rise rate will be described.

上述のように、加熱温度を室温から変更点温度まで昇温する際の第1の昇温レートが所定の範囲にあることにより、コーヒーステイン現象の発生を抑制することができる。そして、加熱温度が変更点温度まで到達した際には、ゾル−ゲル液を構成する主溶媒成分の多くが蒸発しているため、変更点温度よりも高い温度においては、昇温レートが速くなってもコーヒーステイン現象は起こりにくくなっていると考えられる。むしろ、変更点温度から乾燥温度到達まで使用する第2の昇温レートが、室温から変更点温度まで使用する第1の昇温レートよりも遅い場合、ゾル−ゲル液の主溶媒成分が蒸発した後、乾燥温度到達までにかかる時間が延びることになる。このため、タクトタイムが落ちるという問題がある。このため、上述のように、第1の昇温レートは、第2の昇温レートよりも遅いことが好ましい。   As described above, since the first temperature increase rate when the heating temperature is raised from room temperature to the change point temperature is within the predetermined range, the occurrence of the coffee stain phenomenon can be suppressed. When the heating temperature reaches the change point temperature, most of the main solvent components constituting the sol-gel liquid are evaporated. Therefore, at a temperature higher than the change point temperature, the rate of temperature increase becomes faster. However, the coffee stain phenomenon is less likely to occur. Rather, when the second temperature increase rate used from the change point temperature to the drying temperature is slower than the first temperature increase rate used from the room temperature to the change temperature, the main solvent component of the sol-gel liquid has evaporated. Thereafter, the time required to reach the drying temperature is extended. For this reason, there exists a problem that a tact time falls. For this reason, as described above, the first temperature increase rate is preferably slower than the second temperature increase rate.

なお、第1の昇温レートと第2の昇温レートが同じ、すなわち昇温レートが同水準の一種類の昇温レートで単調に乾燥させる場合、これも前述と同じように、既にゾル−ゲル液中の溶媒成分のほとんどが蒸発した後も同じ昇温レートで乾燥することとなる。このため、乾燥工程の所要時間が延びて生産性が低下するため好ましくない。   When the first temperature rise rate and the second temperature rise rate are the same, that is, when the temperature rise rate is monotonously dried at one type of temperature rise rate, this is already the same as described above. Even after most of the solvent components in the gel solution are evaporated, the gel solution is dried at the same temperature rise rate. For this reason, since the required time of a drying process is extended and productivity falls, it is unpreferable.

以上の事由により、第1の昇温レート及び第2の昇温レートや、変更点温度を適切に選択することにより、熱処理時に良好な焼成状態を効率的に得ることができる。このため、乾燥の不均一による膜厚のバラツキが抑制され、コーヒーステイン現象の発生を抑制できる。加えて乾燥工程の時間を短縮し、生産性を向上することが可能になる。   For the above reasons, a proper firing state can be efficiently obtained during the heat treatment by appropriately selecting the first temperature rising rate, the second temperature rising rate, and the change point temperature. For this reason, the variation in the film thickness due to nonuniform drying is suppressed, and the occurrence of the coffee stain phenomenon can be suppressed. In addition, the drying process time can be shortened and productivity can be improved.

なお、乾燥工程で使用される、第1の昇温レートから第2の昇温レートへの変更点温度に到達後の保持時間、及び、最終的な乾燥温度に到達後の保持時間については特に限定されるものではない。例えば、変更点温度または乾燥温度に到達後、任意の時間保持することもできるが、昇温過程のみで十分に溶媒を除去できる場合には、前記昇温レートの変更点温度ならびに最終的な乾燥温度に到達後、温度を保持する必要はない。   In addition, especially about the holding time after reaching the change point temperature from the first heating rate to the second heating rate and the holding time after reaching the final drying temperature used in the drying step It is not limited. For example, after reaching the change point temperature or the drying temperature, it can be maintained for an arbitrary time. However, when the solvent can be sufficiently removed only by the temperature rising process, the temperature change rate change point temperature and the final drying can be performed. It is not necessary to maintain the temperature after reaching the temperature.

また、乾燥温度についても特に限定されるものではない。ゾル−ゲル液に含まれる溶媒を十分に除去できる温度であれば良く、例えばゾル−ゲル液に含まれる溶媒のうち最も沸点の高い溶媒の沸点を乾燥温度とすることができる。   Also, the drying temperature is not particularly limited. The temperature may be any temperature that can sufficiently remove the solvent contained in the sol-gel solution. For example, the boiling point of the solvent having the highest boiling point among the solvents contained in the sol-gel solution can be set as the drying temperature.

また、ゾル−ゲル膜を乾燥する工程(乾燥工程)の後に、ゾル−ゲル膜を熱分解する工程および/またはゾル−ゲル膜を結晶化する工程を行うことができる。   Moreover, the process of thermally decomposing a sol-gel film and / or the process of crystallizing a sol-gel film can be performed after the process (drying process) of drying a sol-gel film.

ゾル−ゲル膜を熱分解する工程(以下、「熱分解工程」とも記載する)とは、溶媒成分が除去されたゾル−ゲル膜中の有機物を除去し、圧電体膜(例えばPZT膜)のパターンを形成する工程である。また、ゾル−ゲル膜を結晶化する工程(以下、「結晶化工程」とも記載する)とは、熱分解を経た圧電体膜をさらに高温で焼結、結晶化させる工程である。   The step of thermally decomposing the sol-gel film (hereinafter also referred to as “thermal decomposition step”) is to remove organic substances in the sol-gel film from which the solvent component has been removed, and to remove the piezoelectric film (for example, PZT film). This is a step of forming a pattern. The step of crystallizing the sol-gel film (hereinafter also referred to as “crystallization step”) is a step of sintering and crystallizing the thermally decomposed piezoelectric film at a higher temperature.

ゾル−ゲル膜を熱分解する工程および/またはゾル−ゲル膜を結晶化する工程を行うことによって、ゾル−ゲル膜を全て圧電体に変化させることができ、圧電体として、十分な性能を発揮させることが可能になる。また、上記工程は両方の工程とも実施することが好ましい。   By performing the process of thermally decomposing the sol-gel film and / or the process of crystallizing the sol-gel film, the sol-gel film can be entirely changed to a piezoelectric body, and exhibits sufficient performance as a piezoelectric body. It becomes possible to make it. Moreover, it is preferable to implement the said process in both processes.

熱分解工程、結晶化工程については乾燥工程で昇温した温度(到達した温度)、すなわち、例えば乾燥温度から連続的に行うこともできる。また、乾燥工程後、乾燥温度から一旦冷却した後、それぞれの設定温度に昇温し、実施することもできる。   About a thermal decomposition process and a crystallization process, it can also carry out continuously from the temperature (temperature which reached | attained), ie, the drying temperature, which heated up at the drying process. In addition, after the drying step, after cooling from the drying temperature, the temperature can be raised to the respective set temperatures.

熱分解工程、結晶化工程については、昇温速度、最終到達温度については特定されるものではなく、ゾル−ゲル液(膜)中に含まれる成分等により選択することができる。   About a thermal decomposition process and a crystallization process, it does not specify about a temperature increase rate and final attainment temperature, It can select with the component etc. which are contained in a sol-gel liquid (film | membrane).

以上、説明した工程により、圧電体膜を形成することができるが、インクジェット法により液滴を1回塗布し、作製した圧電体膜では目的とする膜厚を得られない場合がある。この場合、上記した圧電体膜の製造方法を繰り返し行うことにより、所望の膜厚の圧電体膜とすることができる。   As described above, the piezoelectric film can be formed by the steps described above. However, there is a case where the target film thickness cannot be obtained with the piezoelectric film manufactured by applying the droplet once by the ink jet method. In this case, a piezoelectric film having a desired film thickness can be obtained by repeatedly performing the above-described method for manufacturing a piezoelectric film.

上記した圧電体膜の製造方法を繰り返し行う場合、繰り返す工程、組み合わせは任意に選択することができる。   When the above-described method for manufacturing a piezoelectric film is repeatedly performed, the repeated steps and combinations can be arbitrarily selected.

図5に圧電体膜の製造を繰り返し行う場合の操作フロー例を示す。図5中(a)、(b)、(c)の矢印は工程の繰り返しを意味しており、以下に説明するように任意に、また、任意のタイミングで繰り返しを行うことができる。   FIG. 5 shows an example of an operation flow in the case of repeatedly manufacturing the piezoelectric film. The arrows (a), (b), and (c) in FIG. 5 mean the repetition of the process, and can be repeated arbitrarily and at any timing as described below.

図5に示した操作フローにおいては、第1の電極を設けた基板を用意する工程(S50)を開始点とし、圧電体膜の成膜工程が終了(S55)した点を終了点として記載している。そして、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)、乾燥工程(S52)、熱分解工程(S53)、結晶化工程(S54)を有している。   In the operation flow shown in FIG. 5, the step of preparing the substrate provided with the first electrode (S50) is set as the starting point, and the point where the film forming step of the piezoelectric film is completed (S55) is described as the end point. ing. And it has a sol-gel film formation process (S51), a drying process (S52), a thermal decomposition process (S53), and a crystallization process (S54).

まず、第1の例としては、乾燥工程(S52)、熱分解工程(S53)、結晶化工程(S54)の何れかの工程後の任意のタイミングで繰り返しを行うことが挙げられる。   First, as a first example, repetition may be performed at any timing after any of the drying step (S52), the thermal decomposition step (S53), and the crystallization step (S54).

例えば、まず、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)と、乾燥工程(S52)のみを所定回繰り返しゾル−ゲル膜を複数層積層する(図5中(a)の矢印)。そして、任意のタイミングで、熱分解工程(S53)を行い、さらに結晶化工程(S54)を行うことができる。場合によっては結晶化工程(S54)の後、さらに同様にして繰り返しを行うことができる。すなわち、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)に戻り(図5中(c)の矢印)、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)と、乾燥工程(S52)を所定回繰り返した後、さらに熱分解工程(S53)、結晶化工程(S54)を行うこともできる。   For example, first, only a sol-gel film forming step (S51) and a drying step (S52) are repeated a predetermined number of times to laminate a plurality of sol-gel films (arrows in FIG. 5A). And a thermal decomposition process (S53) can be performed at arbitrary timing, and also a crystallization process (S54) can be performed. In some cases, after the crystallization step (S54), the same process can be repeated. That is, the process returns to the sol-gel film forming step (S51) (arrow in FIG. 5C), and after repeating the sol-gel film forming step (S51) and the drying step (S52) a predetermined number of times, thermal decomposition is further performed. A process (S53) and a crystallization process (S54) can also be performed.

また、その変形例としては、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)と、乾燥工程(S52)、熱分解工程(S53)を所定回繰り返してゾル−ゲル膜を積層する(図5中(b)の矢印)。そして、任意のタイミングで、結晶化工程(S54)を行うことができる。場合によってはその後さらに、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)に戻り(図5中(c)の矢印)、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)と、乾燥工程(S52)、熱分解工程(S53)を繰り返し行い、さらに結晶化工程(S54)を行うこともできる。   As a modification, the sol-gel film forming step (S51), the drying step (S52), and the thermal decomposition step (S53) are repeated a predetermined number of times to stack the sol-gel film ((b) in FIG. 5). Arrow). And a crystallization process (S54) can be performed at arbitrary timings. In some cases, the process further returns to the sol-gel film forming step (S51) (arrow in FIG. 5C), the sol-gel film forming step (S51), the drying step (S52), and the thermal decomposition step (S53). ) May be repeated, and a crystallization step (S54) may also be performed.

第2の例としては、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)、乾燥工程(S52)、熱分解工程(S53)、結晶化工程(S54)をこの順で繰り返し行い成膜、積層する(図5中(c)の矢印)方法が挙げられる。   As a second example, a sol-gel film forming step (S51), a drying step (S52), a thermal decomposition step (S53), and a crystallization step (S54) are repeated in this order to form and stack layers (FIG. 5). Middle (c) arrow) method.

なお、ゾル−ゲル膜形成工程(S51)において、上述した前処理工程についてもゾル−ゲル膜形成工程(S51)を行う際に、併せて繰り返し実施することができる。   In the sol-gel film forming step (S51), the above-described pretreatment step can be repeatedly performed together with the sol-gel film forming step (S51).

ここでは繰り返しゾル−ゲル膜を成膜する際の前処理工程の操作手順の構成例について、上記と同じアルカンチオールを用いた場合を例に以下に説明する。   Here, a configuration example of the operation procedure of the pretreatment step when repeatedly forming a sol-gel film will be described below by taking the same alkanethiol as described above as an example.

上述の様に、2回目以降の前処理工程についても1回目と同様に行うことができる。ただし、圧電体膜として例えばPZT膜を形成した場合、アルカンチオール液への基板ごとのディップによるSAM処理を実施しても、SAM膜は酸化物薄膜であるパターン化PZT圧電体膜上には形成されない。すなわちSAM処理後でもPZT圧電体膜上は親水性が保たれている。このため、PZT圧電体膜パターン外に露出している例えば白金や白金族金属またはその合金から構成される第1の電極上のみにSAM膜が形成され疎水性となるため、SAM膜のパターニング工程を省略でき、プロセスの簡便化が可能である。なお、圧電体膜の材質等によっては1回目と同様にしてSAM膜のパターニング工程を行うこともできる。   As described above, the second and subsequent pretreatment steps can be performed in the same manner as the first time. However, when a PZT film, for example, is formed as the piezoelectric film, the SAM film is formed on the patterned PZT piezoelectric film, which is an oxide thin film, even if SAM treatment is performed by dipping each substrate in an alkanethiol solution. Not. That is, the hydrophilicity is maintained on the PZT piezoelectric film even after the SAM treatment. For this reason, since the SAM film is formed only on the first electrode composed of, for example, platinum, a platinum group metal, or an alloy thereof exposed outside the PZT piezoelectric film pattern and becomes hydrophobic, the SAM film patterning step The process can be simplified. Depending on the material of the piezoelectric film and the like, the SAM film patterning step can be performed in the same manner as the first time.

図6を用いて具体的に説明する。   This will be specifically described with reference to FIG.

図6(D)は、図3(D)の状態と同じ状態を示しており、基板31上に設けられた第1の電極32上には、開口部を有するSAM膜が形成されている。このため、親水性の部分50と、疎水性の部分51とが形成されている。   FIG. 6D illustrates the same state as that in FIG. 3D, and a SAM film having an opening is formed over the first electrode 32 provided over the substrate 31. For this reason, the hydrophilic part 50 and the hydrophobic part 51 are formed.

次に図6(E)では、インクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布しパターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程を行っている。図中インクジェットヘッド52から、ゾル−ゲル液が塗布され、図6(D)における親水性の部分50に、ゾル−ゲル膜53が形成される。   Next, in FIG. 6E, a step of forming a patterned sol-gel film by partially applying a sol-gel liquid by an ink jet method is performed. In the drawing, a sol-gel solution is applied from the inkjet head 52, and a sol-gel film 53 is formed on the hydrophilic portion 50 in FIG.

図6(F)では、形成されたゾル−ゲル膜について乾燥工程、引き続いて熱分解工程を行い圧電体膜54とする。この際、加熱されることによりSAM膜も除去される。なお、上述のように熱分解工程まで行わずに乾燥工程のみとすることもできる。   In FIG. 6 (F), the formed sol-gel film is subjected to a drying step and subsequently a thermal decomposition step to form a piezoelectric film 54. At this time, the SAM film is also removed by heating. Note that only the drying step can be performed without performing the pyrolysis step as described above.

そして、図6(D´)〜図6(F´)は、繰り返し行っている様子を示している。   6 (D ′) to FIG. 6 (F ′) show a state where the repetition is performed.

図6(D´)では、図6(F)で得られた、圧電体膜54を有する基板をアルカンチオール液に基板ごとディップした状態を示している。上記の様に、圧電体膜54上にはSAM膜が形成されないため、図3(B)、(C)の工程を経ずに、開口部を有するSAM膜を形成することができる。   FIG. 6D ′ shows a state where the substrate having the piezoelectric film 54 obtained in FIG. 6F is dipped in the alkanethiol liquid together with the substrate. As described above, since the SAM film is not formed on the piezoelectric film 54, the SAM film having the opening can be formed without going through the steps of FIGS. 3B and 3C.

その後、図6(E´)、(F´)は図6(E)、(F)の工程と同様にしてゾル−ゲル膜53´を形成し、例えば乾燥工程、熱分解工程を行うことにより圧電体膜54´を形成することができる。さらに、同様に図6(D´)〜図6(F´)を所定回繰り返して圧電体膜を積層することができる。   Thereafter, in FIGS. 6E and 6F, a sol-gel film 53 ′ is formed in the same manner as in the processes of FIGS. A piezoelectric film 54 'can be formed. Furthermore, similarly, the piezoelectric film can be laminated by repeating FIG. 6D ′ to FIG. 6F ′ a predetermined number of times.

以上に説明した方法により繰り返し圧電体膜を形成、積層することによって、所望の厚さの圧電体膜を形成できる。具体的には、例えば圧電体膜の膜厚が5μmの厚さまで形成できる。   A piezoelectric film having a desired thickness can be formed by repeatedly forming and laminating the piezoelectric film by the method described above. Specifically, for example, the piezoelectric film can be formed to a thickness of 5 μm.

なお、繰り返し圧電体膜を形成する場合でも、上述のゾル−ゲル膜を乾燥する工程と同様にして乾燥工程を行うことが好ましい。すなわち、乾燥工程は、第1の昇温工程と、第2の昇温工程とを有し、第1の昇温工程と、第2の昇温工程により室温から乾燥温度まで昇温し、ゾル−ゲル膜を乾燥することが好ましい。   Even when the piezoelectric film is repeatedly formed, it is preferable to perform the drying step in the same manner as the step of drying the sol-gel film. That is, the drying step includes a first temperature raising step and a second temperature raising step, and the temperature is raised from room temperature to the drying temperature by the first temperature raising step and the second temperature raising step. -It is preferred to dry the gel membrane.

これは、所望の圧電体膜厚が厚くなるほど、乾燥工程を繰り返す回数が増加することになるため、上述の乾燥工程の手順により実施することによって乾燥工程に要する時間を随時短縮することができる。このため、圧電体膜形成の全工程におけるタクトタイムの短縮に大きな効果をもたらし、生産性をより向上させることが可能となるためである。   This is because, as the desired piezoelectric film thickness increases, the number of times the drying process is repeated increases, so that the time required for the drying process can be shortened at any time by performing the procedure according to the above-described drying process. For this reason, it is possible to bring about a great effect in shortening the tact time in all the steps of forming the piezoelectric film and to further improve the productivity.

また、各回のゾル−ゲル膜を乾燥する工程においては、ゾル−ゲル膜形成領域内で溶媒の蒸気濃度分布が制御されるため、コーヒーステイン現象の発生を抑制し、乾燥の不均一による膜厚のバラツキも抑制される。このため、圧電体膜の膜厚ムラを抑制することが可能となる。この結果、前記プロセスを繰り返すことで形成される圧電体膜も所望の形状となり、電気特性が良好な高品質デバイスを提供することができる。
[第2の実施形態]
以下、本発明の電気−機械変換素子の製造方法の一実施形態について説明する。
Further, in each step of drying the sol-gel film, since the vapor concentration distribution of the solvent is controlled in the sol-gel film formation region, the occurrence of the coffee stain phenomenon is suppressed, and the film thickness is caused by non-uniform drying. The variation of is also suppressed. For this reason, it becomes possible to suppress the film thickness nonuniformity of a piezoelectric film. As a result, the piezoelectric film formed by repeating the above process also has a desired shape, and a high-quality device with good electrical characteristics can be provided.
[Second Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of a method for producing an electromechanical conversion element of the present invention will be described.

本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法は、第1の実施形態で説明した圧電体膜の製造方法により得られた圧電体膜上に、第2の電極を配置する工程を有することができる。   The manufacturing method of the electromechanical conversion element of this embodiment may include a step of disposing the second electrode on the piezoelectric film obtained by the manufacturing method of the piezoelectric film described in the first embodiment. it can.

圧電体膜上に第2の電極を配置する工程としては特に限定されるものではなく、スパッタ法等により圧電体膜上に第2の電極を形成することができる。   The step of disposing the second electrode on the piezoelectric film is not particularly limited, and the second electrode can be formed on the piezoelectric film by a sputtering method or the like.

また、第2の電極の材料としては特に限定されるものではなく、第1の電極と同じ材料により構成することもできるし、異なる材料とすることもできる。具体的には、例えば、第2の電極としては、白金等の白金族金属やその合金、また、例えば導電性酸化物等も用いることができる。   Further, the material of the second electrode is not particularly limited, and the second electrode can be made of the same material as that of the first electrode, or can be made of a different material. Specifically, for example, as the second electrode, a platinum group metal such as platinum or an alloy thereof, or a conductive oxide or the like can be used, for example.

本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法により得られた電気−機械変換素子は、構成する圧電体膜の膜厚ムラが抑制されている為、電気特性が良好な電気−機械変換素子とすることができる
[第3の実施形態]
以下、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態について説明する。
The electro-mechanical conversion element obtained by the method of manufacturing an electro-mechanical conversion element of the present embodiment has an electro-mechanical conversion element with excellent electric characteristics because the film thickness unevenness of the piezoelectric film constituting it is suppressed. [Third Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of the liquid discharge head of the present invention will be described.

本実施形態の液体吐出ヘッドは、第2の実施形態で説明した電気−機械変換素子の製造方法により得られた電気―機械変換素子を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッドとすることができる。その構造について、図7、図8を用いて説明する。なお、図7に示す液体吐出ヘッド60は1ノズルの構成の一例の概略図であり、図8は図7に示した1ノズルの液体吐出ヘッド60を複数個配列して形成された液体吐出ヘッド67の概略を示したものである。   The liquid discharge head of this embodiment can be a liquid discharge head including the electro-mechanical conversion element obtained by the method for manufacturing the electro-mechanical conversion element described in the second embodiment. . The structure will be described with reference to FIGS. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of one nozzle, and FIG. 8 is a liquid discharge head formed by arranging a plurality of the one-nozzle liquid discharge heads 60 shown in FIG. The outline of 67 is shown.

図7、図8には、液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する加圧室と、加圧室の壁の一部を構成する振動板と、振動板上に形成された第2の実施形態で説明した電気−機械変換素子と、を有する液体吐出ヘッドを示している。   7 and 8, a nozzle that discharges droplets, a pressurizing chamber that communicates with the nozzle, a diaphragm that forms part of the wall of the pressurizing chamber, and a second plate formed on the diaphragm 2 shows a liquid ejection head having the electro-mechanical conversion element described in the embodiment.

液体吐出ヘッド60の構成について図7を用いて具体的に説明する。   The configuration of the liquid discharge head 60 will be specifically described with reference to FIG.

液体吐出ヘッド60は、インク等の液体(以下、「インク」という)を収容するインク室である加圧室(圧力室)61を有しており、加圧室61は、例えば電気−機械変換素子66が形成されている基板64をエッチングして形成することができる。そして、加圧室61内の液体を昇圧させる吐出駆動手段として、加圧室の壁の一部を振動板65で構成し、振動板65に電気−機械変換素子66が配置されている。係る電気−機械変換素子66としては上述のように第2の実施形態で説明した電気−機械変換素子を用いることが好ましい。さらに、加圧室61内のインクを液滴状に吐出するインク吐出口としてのノズル孔であるノズル62を備えたインクノズルとしてのノズル板63とを有している。   The liquid discharge head 60 includes a pressurizing chamber (pressure chamber) 61 that is an ink chamber for storing a liquid such as ink (hereinafter referred to as “ink”). The pressurizing chamber 61 is, for example, an electro-mechanical converter. The substrate 64 on which the element 66 is formed can be formed by etching. A part of the wall of the pressurizing chamber is constituted by the diaphragm 65 as an ejection driving means for boosting the liquid in the pressurizing chamber 61, and the electromechanical conversion element 66 is disposed on the diaphragm 65. As the electro-mechanical conversion element 66, it is preferable to use the electro-mechanical conversion element described in the second embodiment as described above. Furthermore, it has a nozzle plate 63 as an ink nozzle including a nozzle 62 as a nozzle hole as an ink discharge port for discharging the ink in the pressurizing chamber 61 into droplets.

液体吐出ヘッド60が液滴を吐出するメカニズムとしては、第1の電極(下部電極)661、第2の電極(上部電極)663に給電されることで圧電体膜(電気−機械変換膜)662に応力が発生し、これによって振動板(振動板)65を振動させる。そして、この振動に伴って、ノズル62から加圧室61内のインクを液滴状に吐出するようになっている。なお、加圧室61内にインクを供給するインク供給手段である液体供給手段、インクの流路、流体抵抗についての図示及び説明は省略している。   As a mechanism by which the liquid discharge head 60 discharges droplets, a piezoelectric film (electro-mechanical conversion film) 662 is supplied by supplying power to the first electrode (lower electrode) 661 and the second electrode (upper electrode) 663. As a result, a stress is generated, which causes the diaphragm (diaphragm) 65 to vibrate. Along with this vibration, the ink in the pressurizing chamber 61 is ejected from the nozzle 62 in the form of droplets. Note that illustration and description of liquid supply means, which is ink supply means for supplying ink into the pressurizing chamber 61, ink flow paths, and fluid resistance are omitted.

また、図8は上述のように、図7を用いて説明した液体吐出ヘッド60を複数個配列して形成した液体吐出ヘッド67となる。   FIG. 8 shows the liquid discharge head 67 formed by arranging a plurality of the liquid discharge heads 60 described with reference to FIG. 7 as described above.

本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、第2の実施形態で説明した、圧電体膜の膜厚ムラが抑制され、電気特性が良好な電気−機械変換素子を用いているため、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る。   In the liquid discharge head according to the present embodiment, since the electro-mechanical conversion element that suppresses the film thickness unevenness of the piezoelectric film and has good electrical characteristics described in the second embodiment is used, ink droplet discharge failure And stable ink droplet ejection characteristics can be obtained.

また、電気−機械変換素子が簡便な構造を有しており、かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ、さらに、その構成上、圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで容易に液体吐出ヘッドとすることができる。
[第4の実施形態]
以下、本発明のインクジェットプリンタの一実施形態について説明する。
In addition, the electro-mechanical conversion element has a simple structure, and has performance equivalent to that of bulk ceramics. Further, due to its configuration, etching removal from the back surface for forming a pressure chamber, nozzle having nozzle holes By joining the plates, a liquid discharge head can be easily formed.
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of the ink jet printer of the present invention will be described.

本実施形態のインクジェットプリンタは、第3の実施形態で説明した液体吐出ヘッドを備えた構成とすることができる。   The ink jet printer of this embodiment can be configured to include the liquid ejection head described in the third embodiment.

インクジェットプリンタの具体的な構成例について図9、図10を用いて説明する。なお、図9はインクジェットプリンタの斜視説明図、図10はインクジェットプリンタの機構部の側面説明図をそれぞれ示している。   A specific configuration example of the ink jet printer will be described with reference to FIGS. 9 is a perspective explanatory view of the ink jet printer, and FIG. 10 is a side explanatory view of a mechanism portion of the ink jet printer.

本実施形態のインクジェットプリンタ(記録装置本体)70は、内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ71、キャリッジ71に搭載した第3の実施形態で説明した液体吐出ヘッドを備えたインクジェットヘッドである記録ヘッド80を有している。そして、記録ヘッド80へインクを供給するインクカートリッジ72等で構成される印字機構部73等を収納している。また、インクジェットプリンタ70の下方部には前方側から多数枚の用紙74を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)75を抜き差し自在に装着することができる。   An ink jet printer (recording apparatus main body) 70 according to the present embodiment is an ink jet head that includes a carriage 71 that is movable in the main scanning direction and a liquid ejection head described in the third embodiment that is mounted on the carriage 71. A head 80 is provided. A printing mechanism 73 including an ink cartridge 72 that supplies ink to the recording head 80 is accommodated. Further, a paper feed cassette (or a paper feed tray) 75 on which a large number of sheets 74 can be stacked from the front side can be detachably attached to the lower part of the inkjet printer 70.

また、用紙74を手差しで給紙するための手差しトレイ76を開倒することができ、給紙カセット75或いは手差しトレイ76から給送される用紙74を取り込み、印字機構部73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77に排紙する。   Further, the manual feed tray 76 for manually feeding the paper 74 can be opened, the paper 74 fed from the paper feed cassette 75 or the manual feed tray 76 is taken in, and a required image is displayed by the printing mechanism unit 73. After recording, the paper is discharged onto a paper discharge tray 77 mounted on the rear side.

印字機構部73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78と従ガイドロッド79とでキャリッジ71を主走査方向に摺動自在に保持している。上述のように、キャリッジ71には各色のインク滴を吐出する第3の実施形態で説明した液体吐出ヘッドを備えた記録ヘッド80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インク滴吐出方向を下方に向けて配列している。キャリッジ71には例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各職のインク滴を吐出する記録ヘッド80を設けることができる。   The printing mechanism 73 holds a carriage 71 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 78 and a sub guide rod 79 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). As described above, the recording head 80 provided with the liquid ejection head described in the third embodiment for ejecting ink droplets of each color on the carriage 71 has a plurality of ink ejection openings (nozzles) crossing the main scanning direction. Are arranged with the ink droplet ejection direction downward. For example, the carriage 71 may be provided with a recording head 80 that ejects ink droplets for each job of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk).

またキャリッジ71には記録ヘッド80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72を交換可能に装着することができる。インクカートリッジ72は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド80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た構成とすることができる。この場合、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッド(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80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。   Also, each ink cartridge 72 for supplying ink of each color to the recording head 80 can be mounted on the carriage 71 in a replaceable manner. The ink cartridge 72 may have a configuration in which an air port communicating with the atmosphere is provided above, a supply port for supplying ink to the recording head 80 is provided below, and a porous body filled with ink inside. In this case, the ink supplied to the liquid ejection head (inkjet head) is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the heads 80 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.

キャリッジ71は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド78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79に摺動自在に載置している。キャリッジ71を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ81で回転駆動される駆動プーリ82と従動プーリ83との間にタイミングベルト84を張装し、このタイミングベルト84をキャリッジ71に固定している。そして、主走査モータ81の正逆回転によりキャリッジ71が往復駆動される。   The carriage 71 is slidably fitted to the main guide rod 78 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 79 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). . In order to move and scan the carriage 71 in the main scanning direction, a timing belt 84 is stretched between a driving pulley 82 and a driven pulley 83 that are rotationally driven by a main scanning motor 81, and the timing belt 84 is fixed to the carriage 71. ing. Then, the carriage 71 is reciprocated by forward and reverse rotation of the main scanning motor 81.

一方、給紙カセット75にセットした用紙74を記録ヘッド80の下方側に搬送するために、まず、給紙カセット75から用紙74を分離給装する給紙ローラ85及びフリクションパッド86を有している。さらに、用紙74を案内するガイド部材87と、給紙された用紙74を反転させて搬送する搬送ローラ88と、この搬送ローラ88の周面に押し付けられる搬送コロ89及び搬送ローラ88からの用紙74の送り出し角度を規定する先端コロ90とを設けている。搬送ローラ88は副走査モータ91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 74 set in the paper feed cassette 75 to the lower side of the recording head 80, first, a paper feed roller 85 and a friction pad 86 for separating and feeding the paper 74 from the paper feed cassette 75 are provided. Yes. Further, a guide member 87 that guides the paper 74, a transport roller 88 that reverses and transports the fed paper 74, a transport roller 89 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 88, and the paper 74 from the transport roller 88. And a tip roller 90 for defining the feed angle. The transport roller 88 is rotationally driven by a sub-scanning motor 91 through a gear train.

そして、キャリッジ71の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ88から送り出された用紙74を記録ヘッド80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92を設けている。印写受け部材92の用紙搬送方向下流側には、用紙74を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ93、拍車94を設けている。さらに用紙74を排紙トレイ77に送り出す排紙ローラ95及び拍車96と、排紙経路を形成するガイド部材97、98とを配設している。   A printing receiving member 92 is provided as a paper guide member for guiding the paper 74 fed from the transport roller 88 below the recording head 80 corresponding to the range of movement of the carriage 71 in the main scanning direction. On the downstream side of the printing receiving member 92 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 93 and a spur 94 that are rotationally driven to send out the sheet 74 in the sheet discharge direction are provided. Further, a discharge roller 95 and a spur 96 for sending the sheet 74 to the discharge tray 77, and guide members 97 and 98 for forming a discharge path are provided.

記録時には、キャリッジ71を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド80を駆動することにより、停止している用紙74にインクを吐出して1行分を記録し、用紙74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74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74を排紙する。   At the time of recording, the recording head 80 is driven according to the image signal while moving the carriage 71 to eject ink onto the stopped paper 74 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 74 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 74 is discharged.

また、図9中、キャリッジ71の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド80の吐出不良を回復するための回復装置99を配置している。回復装置99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71は例えば印字待機中にはこの回復装置99側に移動してキャッピング手段により記録ヘッド80のキャッピングを行い、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ことができる。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。   In FIG. 9, a recovery device 99 for recovering the ejection failure of the head 80 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 71. The recovery device 99 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. For example, the carriage 71 moves to the recovery device 99 side during printing standby, and capping the recording head 80 by the capping means, and keeping the ejection port portion in a wet state can 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記録ヘッド80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をクリーニング手段により除去し吐出不良を回復できる。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することができる。   When ejection failure occurs, the ejection port (nozzle) of the recording head 80 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the ejection port with the suction unit through the tube. Etc. can be removed by a cleaning means, and ejection failure can be recovered. Further, the sucked ink can be 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.

そして、本実施形態のインクジェット記録装置は、第3の実施形態で説明した液体吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を搭載している。該液体吐出ヘッドは、既に説明したように、液体吐出ヘッドを構成する電気−機械変換素子の圧電体膜の膜厚ムラが抑制されており、電気特性が良好な電気−機械変換素子を用いているため、電気−機械変換素子振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がない。このため、本実施形態のインクジェット記録装置は安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。   The ink jet recording apparatus of this embodiment is equipped with the liquid discharge head (ink jet head) described in the third embodiment. As described above, the liquid discharge head uses an electro-mechanical conversion element in which the non-uniformity of the film thickness of the piezoelectric film of the electro-mechanical conversion element constituting the liquid discharge head is suppressed and the electric characteristics are good. Therefore, there is no ink droplet ejection failure due to electro-mechanical transducer vibration plate drive failure. For this reason, the ink jet recording apparatus of the present embodiment can obtain stable ink droplet ejection characteristics and can improve the image quality.

以下に具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1、2]
本実施例においては、以下の手順により圧電体膜、電気−機械変換素子を形成し、その特性の評価を行った。
Specific examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[Examples 1 and 2]
In this example, a piezoelectric film and an electromechanical conversion element were formed by the following procedure, and the characteristics were evaluated.

製造手順について、図3、図6、図11を用いて説明する。   A manufacturing procedure will be described with reference to FIGS. 3, 6, and 11.

まず、図3(A)に示すように、シリコン基板31表面にスパッタ法により白金からなる第1の電極(下部電極)32が成膜した部材を用意した。   First, as shown in FIG. 3A, a member was prepared in which a first electrode (lower electrode) 32 made of platinum was formed on the surface of a silicon substrate 31 by sputtering.

次いで、図3(B)に示すようにシリコン基板31上の第1の電極32(白金)の表面全体にSAM膜33を形成した。SAM膜33はアルカンチオール液に基板ごとディップして自己配列させることで得た。アルカンチオール液はドデカンチオールCH(CH11−SHを使用した。 Next, as shown in FIG. 3B, a SAM film 33 was formed on the entire surface of the first electrode 32 (platinum) on the silicon substrate 31. The SAM film 33 was obtained by dipping the entire substrate in an alkanethiol solution and self-aligning it. Alkanethiol solution was used dodecanethiol CH 3 (CH 2) 11 -SH .

図3(C)に示すように、圧電体膜を形成する部分のSAM膜を除去し、かつ必要部分のSAM膜を保護するためにフォトリソグラフィー法により、フォトマスク35を用いてフォトレジスト34をパターニングした(フォトリソグラフィー工程)。なお、この際、図11に示すパターン110になるようにパターニングを行った。   As shown in FIG. 3C, a portion of the SAM film where the piezoelectric film is to be formed is removed, and a photoresist 34 is formed using a photomask 35 by photolithography to protect the necessary portion of the SAM film. Patterned (photolithographic process). At this time, patterning was performed so that the pattern 110 shown in FIG. 11 was obtained.

そして、図11中、圧電体膜パターン111で表わされる部分についてシリコン基板の上面側から、酸素プラズマを基板表面側に照射することにより、圧電体膜パターンを形成する部分のSAM膜を除去して親水性とした(エッチング工程)。   Then, in FIG. 11, the portion of the piezoelectric film pattern 111 is irradiated with oxygen plasma from the upper surface side of the silicon substrate to remove the SAM film of the portion forming the piezoelectric film pattern. It was made hydrophilic (etching process).

図3(D)に示すようにフォトレジスト34を剥離した。ここまでの工程により形成されたSAM膜の純水に対する接触角は110度となり疎水性を示し、SAM膜を除去した基板上の第1の電極32(白金)表面の接触角は10度以下となり親水性を示した。   As shown in FIG. 3D, the photoresist 34 was peeled off. The contact angle of the SAM film formed by the steps so far with respect to pure water is 110 degrees, indicating hydrophobicity, and the contact angle of the surface of the first electrode 32 (platinum) on the substrate from which the SAM film has been removed is 10 degrees or less. It showed hydrophilicity.

図6(D)に示すように、圧電体膜のパターンが形成される領域、すなわちゾル−ゲル液が塗布される領域50は、塗布前に前記フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程にてSAM膜が除去され、表面を親水性の状態とした。一方、前記ゾル−ゲル液が塗布されない領域51は、フォトリソグラフィー工程においてパターニングされず、フォトレジスト34を除去した後でも、疎水性のあるSAM膜が保持されている状態である。   As shown in FIG. 6D, in the region where the piezoelectric film pattern is formed, that is, the region 50 where the sol-gel liquid is applied, the SAM film is removed by the photolithography process and the etching process before the application. The surface was made hydrophilic. On the other hand, the region 51 where the sol-gel liquid is not applied is not patterned in the photolithography process, and is still in a state where a hydrophobic SAM film is held even after the photoresist 34 is removed.

次に図6(E)には、PZT前駆体であるゾル−ゲル液を、インクジェット法により、上記工程で形成したシリコン基板上に形成された第1の電極32(白金)の親水部50に塗布する工程を示す。インクジェット法では、図4で示す一般的な産業用インクジェット描画装置40を用いた。   Next, in FIG. 6E, a sol-gel solution that is a PZT precursor is applied to the hydrophilic portion 50 of the first electrode 32 (platinum) formed on the silicon substrate formed in the above process by an ink jet method. The process of apply | coating is shown. In the inkjet method, the general industrial inkjet drawing apparatus 40 shown in FIG. 4 was used.

用いたゾル−ゲル液について説明する。本実施例においては、PZT膜となるゾル−ゲル液を用いた。ゾル−ゲル液は出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水は主溶媒である2−メトキシエタノール(沸点:124℃)に溶解後、脱水した。そして、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解した2−メトキシエタノール溶液と混合することでゾル−ゲル液を合成した。この際、上記各溶液を、ゾル−ゲル液中に含まれる金属種のモル比がPb:Zr:Ti=115:53:47になるように混合してある。なお、上記金属種のモル比において、鉛添加量は、目的とする化学両論組成に対して15mol%過剰としてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。また、合成されたゾル−ゲル液には、メトキシエタノールより高沸点であるジエチレングリコールモノメチルエーテル(沸点:194.1℃)および1−ノナノール(沸点:213℃)を添加した。なお、1回の成膜で得られる圧電体の膜厚が80nm〜90nm程度になるように、ゾル−ゲル液中のPZT濃度を0.2mol/Lに調整した。   The used sol-gel solution will be described. In this example, a sol-gel solution that becomes a PZT film was used. The sol-gel solution used lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium as starting materials. Crystallized lead acetate was dissolved in 2-methoxyethanol (boiling point: 124 ° C.), which is the main solvent, and then dehydrated. And sol-gel solution is prepared by dissolving isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with 2-methoxyethanol solution in which lead acetate is dissolved. Was synthesized. At this time, the above solutions are mixed so that the molar ratio of the metal species contained in the sol-gel solution is Pb: Zr: Ti = 115: 53: 47. In addition, in the molar ratio of the above metal species, the lead addition amount is 15 mol% excess with respect to the target stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. Further, diethylene glycol monomethyl ether (boiling point: 194.1 ° C.) and 1-nonanol (boiling point: 213 ° C.) having a boiling point higher than that of methoxyethanol were added to the synthesized sol-gel solution. The PZT concentration in the sol-gel solution was adjusted to 0.2 mol / L so that the film thickness of the piezoelectric body obtained by one film formation was about 80 nm to 90 nm.

インクジェット方式により形成する圧電体膜パターン111は図11に示すように、幅50μm、長さ1000μmの長尺パターンとし、幅方向に1:1ピッチ(パターン幅とパターン間のスペース幅を同じ50μmとした)で配列させた。なお、幅方向とは図11中、矢印112で表わされる方向のことを意味している。   As shown in FIG. 11, the piezoelectric film pattern 111 formed by the inkjet method is a long pattern having a width of 50 μm and a length of 1000 μm, and 1: 1 pitch in the width direction (the pattern width and the space width between the patterns are the same 50 μm). ). Note that the width direction means a direction represented by an arrow 112 in FIG.

そして、図6(E)に示すように、例えば産業用インクジェット描画装置のインクジェットヘッド52によりゾル−ゲル液を第1の電極32表面に塗布した。この際、第1の電極32表面の接触角のコントラストのためゾル−ゲル液は親水部50のみに広がり圧電体膜パターン111に対応したゾル−ゲル膜を形成する。   Then, as shown in FIG. 6E, for example, a sol-gel solution was applied to the surface of the first electrode 32 by an inkjet head 52 of an industrial inkjet drawing apparatus. At this time, because of the contrast of the contact angle on the surface of the first electrode 32, the sol-gel liquid spreads only to the hydrophilic portion 50 and forms a sol-gel film corresponding to the piezoelectric film pattern 111.

そして、得られたゾル−ゲル膜について第一の加熱工程、すなわち乾燥工程を行った。乾燥工程は、ホットプレートによる基板下面加熱により、まず第1の昇温工程として室温から変更点温度である124℃まで温度上昇させて行った。この場合、変更点温度はゾル−ゲル液の主溶媒である2−メトキシエタノールの沸点と同じ温度に設定した。使用した第1の昇温レートは表1に示すように、実施例1では30℃/min、実施例2では56℃/minとした。第1の昇温レートの1分あたりの昇温レート(昇温速度)は、主溶媒である2−メトキシエタノールの沸点(124℃)に対して、実施例1では24%、実施例2では45%であった。   And the 1st heating process, ie, the drying process, was performed about the obtained sol-gel film. The drying process was performed by first raising the temperature from room temperature to 124 ° C., which is the changing point temperature, as the first temperature raising process by heating the lower surface of the substrate with a hot plate. In this case, the change point temperature was set to the same temperature as the boiling point of 2-methoxyethanol which is the main solvent of the sol-gel solution. As shown in Table 1, the first heating rate used was 30 ° C./min in Example 1 and 56 ° C./min in Example 2. The heating rate (heating rate) per minute of the first heating rate is 24% in Example 1 and 24% in Example 2 with respect to the boiling point (124 ° C.) of 2-methoxyethanol which is the main solvent. 45%.

変更点温度である124℃に到達した後は1分間保持し、続いて第2の昇温レートとして、表1に示すように実施例1は60℃/min、実施例2は90℃/minでゾル−ゲル膜の乾燥温度である300℃まで温度上昇させる第2の昇温工程を実施した。   After reaching the change point temperature of 124 ° C., hold for 1 minute, and then, as shown in Table 1, Example 1 is 60 ° C./min, and Example 2 is 90 ° C./min. Then, a second temperature raising step for raising the temperature to 300 ° C., which is the drying temperature of the sol-gel film, was performed.

乾燥工程でゾル−ゲル膜を乾燥させた後は第二の加熱工程、すなわち有機物の熱分解処理を行う熱分解工程を温度500℃で実施し、図6(F)に示すような1層目の圧電体膜54(PZT圧電体膜パターン)を得た。得られた1層目の圧電体膜54の膜厚をパターン長手方向の端部/中央部で測定し、圧電体膜54の端部、中央部で測定した膜厚から、膜厚比を算出した。膜厚の測定結果と膜厚比の計算結果を表1に1層目圧電体膜として示す。   After drying the sol-gel film in the drying step, the second heating step, that is, the thermal decomposition step for performing the thermal decomposition treatment of the organic matter is performed at a temperature of 500 ° C., and the first layer as shown in FIG. The piezoelectric film 54 (PZT piezoelectric film pattern) was obtained. The film thickness of the obtained piezoelectric film 54 of the first layer is measured at the end / center of the pattern longitudinal direction, and the film thickness ratio is calculated from the film thickness measured at the end and center of the piezoelectric film 54 did. Table 1 shows the film thickness measurement results and the film thickness ratio calculation results as the first piezoelectric film.

表1に示すように膜厚比(端部/中央部)が実施例1では0.96、実施例2では1.21となっており、ほぼ均一な膜厚の圧電体膜が得られていることが確認できた。   As shown in Table 1, the film thickness ratio (end / center) was 0.96 in Example 1 and 1.21 in Example 2, and a piezoelectric film having a substantially uniform film thickness was obtained. It was confirmed that

その後、引き続き、繰返し工程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。2回目以降のSAM処理において、SAM膜は酸化膜である圧電体膜54上には形成されないので、フォトリソグラフィー工程を実施せずに図6(D´)に示すようなSAM膜のパターンが得られた。なお、この時の接触角は純水に対して疎水性の部分51であるSAM膜上は105度、親水性の部分50である圧電体膜(PZT膜)54上は25度であった。   Subsequently, after repeating isopropyl alcohol washing as a repeating process, a SAM film was formed by the same dipping treatment. In the second and subsequent SAM treatments, the SAM film is not formed on the piezoelectric film 54 that is an oxide film, so that the SAM film pattern as shown in FIG. 6D ′ is obtained without performing the photolithography process. It was. The contact angle at this time was 105 degrees on the SAM film, which is the hydrophobic portion 51 with respect to pure water, and 25 degrees on the piezoelectric film (PZT film) 54, which is the hydrophilic portion 50.

そして、図6(E´)に示すように、この状態で1度目に形成した圧電体膜54のパターンに位置合わせを行い、再度、産業用インクジェット描画装置のインクジェットヘッド52によりゾル−ゲル液を塗布した。   Then, as shown in FIG. 6E ′, alignment is performed on the pattern of the piezoelectric film 54 formed for the first time in this state, and the sol-gel solution is again applied by the ink jet head 52 of the industrial ink jet drawing apparatus. Applied.

図6(F´)に示すように、さらに1回目と同様に、第1の昇温工程、第2の昇温工程を有する二段階の乾燥工程、熱分解工程を実施し、重ね塗りされた圧電体膜(PZT圧電体膜)54´が得られた。なお、乾燥工程の際には、2種類の昇温レート、および第1の昇温レートと第2の昇温レートとの変更点温度について、各実施例共に1回目の塗布後の乾燥工程時と同様とした。   As shown in FIG. 6 (F ′), similarly to the first time, a two-step drying process having a first temperature raising process and a second temperature raising process, and a thermal decomposition process were carried out and overcoated. A piezoelectric film (PZT piezoelectric film) 54 'was obtained. In the case of the drying process, two types of temperature rising rates and the temperature at which the first temperature rising rate and the second temperature rising rate are changed are as follows. And the same.

以後もさらに上記繰り返し工程を4回、すなわち既述した2回の工程(1層目と、1回の繰り返し工程)を含めて上記工程を計6回繰り返し、合計6層の圧電体膜を形成した(1回目)。一連のゾル−ゲル液塗布から第二の加熱工程を繰り返すことにより得た6層の圧電体膜について、結晶化処理(温度750℃)をRTA(急速熱処理)装置にて実施した。   Thereafter, the above-described steps are further repeated 6 times in total, including the above-mentioned 2 steps (the first layer and the 1-time repeat step), to form a total of 6 layers of piezoelectric films. (First time). Crystallization treatment (temperature 750 ° C.) was performed with an RTA (rapid heat treatment) apparatus on the six layers of the piezoelectric film obtained by repeating the second heating step from the series of sol-gel solution coating.

なお、後述する比較例1での説明の都合上、この時点を「繰り返し6回塗布(1回目)」と表記する。この時、いずれの実施例でも圧電体膜にクラックなどの不良は生じなかった。   For convenience of explanation in Comparative Example 1 described later, this point is referred to as “repeatedly applied 6 times (first time)”. At this time, no defects such as cracks occurred in the piezoelectric film in any of the examples.

続いて、さらに同様にして上記圧電体膜上に繰り返し6回、圧電体膜の形成を行った(2回目)。すなわち、SAM膜処理→ゾル−ゲル液の塗布→二種類の昇温レートでの乾燥工程(300℃)→500℃での熱分解工程を6回繰り返し行い、7層目から12層目の圧電体膜を形成した。その後1回目の場合と同様に、さらに750℃で結晶化処理をした。結晶化処理後、得られた圧電体膜を確認したがクラックなどの不良は生じなかった。なお、この場合も乾燥工程の際には、2種類の昇温レート、および第1の昇温レートと第2の昇温レートとの変更点温度について、各実施例の1層目のゾル−ゲル液塗布後の乾燥工程時と同様とした。   Subsequently, the piezoelectric film was repeatedly formed on the piezoelectric film in the same manner 6 times (second time). That is, the SAM film treatment → sol-gel solution application → drying process at two temperature rising rates (300 ° C.) → thermal decomposition process at 500 ° C. is repeated 6 times, and the 7th to 12th piezoelectric layers A body membrane was formed. Thereafter, in the same manner as in the first case, crystallization was further performed at 750 ° C. After the crystallization treatment, the obtained piezoelectric film was confirmed, but defects such as cracks did not occur. In this case as well, during the drying step, the two types of temperature rising rates and the temperature at which the first temperature rising rate and the second temperature rising rate are changed are described as follows. It was the same as that in the drying step after the gel solution application.

また、さらに得られた圧電体膜上に繰り返し6回、圧電体膜の形成を行った(3回目)。すなわち、SAM膜処理→ゾル−ゲル液の塗布→二種類の昇温レートでの乾燥工程(300℃)→500℃での熱分解工程を6回繰り返し行い、13層目から18層目の圧電体膜を形成した。その後1、2回目の場合と同様に、さらに750℃で結晶化処理をした。なお、比較例1での説明の都合上、この時点を「繰り返し6回塗布(3回目)」と表記する。また、この場合も乾燥工程の際には、2種類の昇温レート、および第1の昇温レートと第2の昇温レートとの変更点温度について、各実施例の1層目のゾルーゲル液塗布後の乾燥工程時と同様にした。   Further, the piezoelectric film was repeatedly formed 6 times on the obtained piezoelectric film (third time). That is, the SAM film treatment → sol-gel liquid application → drying process at two temperature rising rates (300 ° C.) → thermal decomposition process at 500 ° C. is repeated 6 times, and the 13th to 18th piezoelectric layers A body membrane was formed. Thereafter, in the same manner as in the first and second times, crystallization was further performed at 750 ° C. For convenience of explanation in Comparative Example 1, this time point is expressed as “repeated 6 times (third time)”. Also in this case, in the drying step, the first layer sol-gel solution of each example is used for two types of temperature increase rates and the temperature at which the first temperature increase rate and the second temperature increase rate are changed. The same as in the drying step after coating.

結晶化完了後、圧電体膜パターン長手方向の端部/中央部で膜厚を測定し、圧電体膜の端部、中央部で測定した膜厚から、膜厚比を算出した。膜厚の測定結果と膜厚比の計算結果を表1に「繰り返し6回塗布(3回目)圧電体膜」として示す。   After completion of crystallization, the film thickness was measured at the end / center of the piezoelectric film pattern longitudinal direction, and the film thickness ratio was calculated from the film thickness measured at the end and center of the piezoelectric film. The measurement results of the film thickness and the calculation results of the film thickness ratio are shown in Table 1 as “repeated 6 times (third time) piezoelectric film”.

表1に示した結果から分かるように、パターン長手方向での膜厚差(端部−中央部)は実施例1が−0.1μm、実施例2が+0.3μmであり、膜厚比は実施例1が0.94、実施例2が1.23であった。すなわち、実施例1、2共にパターン内での膜厚ムラがほとんどない良好な圧電体膜が得られることが確認できた。   As can be seen from the results shown in Table 1, the film thickness difference (edge portion-center portion) in the pattern longitudinal direction is −0.1 μm in Example 1 and +0.3 μm in Example 2, and the film thickness ratio is Example 1 was 0.94 and Example 2 was 1.23. That is, it was confirmed that a good piezoelectric film with almost no film thickness unevenness in the pattern was obtained in both Examples 1 and 2.

次に、形成された圧電体膜上に、第2の電極(Pt)をスパッタ法にて成膜しパターニングすることで電気−機械変換素子の形態を成し、電気特性、電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。電気特性の評価結果を表1に、比誘電率、誘電損失、耐圧として示す。表1によると、実施例1、2で作製した圧電体膜はいずれも、比誘電率、誘電損失、および耐圧共に優れた電気特性を示し、圧電体膜としての機能を持つのに充分な特性を得られた。   Next, a second electrode (Pt) is formed on the formed piezoelectric film by sputtering and patterned to form an electro-mechanical conversion element, which has electrical characteristics and electro-mechanical conversion capability. (Piezoelectric constant) was evaluated. The evaluation results of electrical characteristics are shown in Table 1 as relative permittivity, dielectric loss, and breakdown voltage. According to Table 1, all of the piezoelectric films produced in Examples 1 and 2 exhibited excellent electrical characteristics in terms of relative dielectric constant, dielectric loss, and breakdown voltage, and characteristics sufficient to have a function as a piezoelectric film. Was obtained.

また、実施例1、2において得られた圧電体膜はいずれも、残留分極は19.5μC/cm、抗電界は36.5kV/cmであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を持っていることが確認できた。実施例1の電気−機械変換素子のP−Eヒステリシス曲線を図12に示す。 In addition, the piezoelectric films obtained in Examples 1 and 2 each have a remanent polarization of 19.5 μC / cm 2 and a coercive electric field of 36.5 kV / cm, and have characteristics equivalent to those of an ordinary ceramic sintered body. I confirmed that I have it. The PE hysteresis curve of the electromechanical conversion element of Example 1 is shown in FIG.

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。評価結果によれば、実施例1、2の圧電定数d31は110〜125pm/Vとなり、こちらもセラミック焼結体と同等の値であった。これは液体吐出ヘッドとして十分設計できうる特性値であった。 The electro-mechanical conversion ability was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting it through simulation. According to the evaluation results, the piezoelectric constant d 31 of Examples 1 and 2 was 110 to 125 pm / V, which was also the same value as the ceramic sintered body. This is a characteristic value that can be sufficiently designed as a liquid discharge head.

また、第2の電極(上部電極)を配置せずに、更なる厚膜化も試みた。
すなわち、SAM膜処理→ゾル−ゲル液の塗布→二種類の昇温レートでの乾燥工程(300℃)→500℃での熱分解工程を6回繰り返した後750℃での結晶化処理を行う操作を合計10回行い、合計60層、厚さが5μmの圧電体膜を形成した。得られた圧電体膜にはクラックなどの欠陥を伴わずに得られることが確認できた。
[実施例3]
乾燥工程において、第1の昇温レートと、第2の昇温レートとの変更点温度を、145℃とした点以外は実施例1と同様にして圧電体膜を作製、評価した。評価結果を表1に示す。
Further, an attempt was made to further increase the film thickness without arranging the second electrode (upper electrode).
That is, SAM film treatment → sol-gel solution coating → drying step at two temperature rising rates (300 ° C.) → thermal decomposition step at 500 ° C. is repeated 6 times, and then crystallization treatment is performed at 750 ° C. The operation was performed 10 times in total to form a piezoelectric film having a total of 60 layers and a thickness of 5 μm. It was confirmed that the obtained piezoelectric film was obtained without defects such as cracks.
[Example 3]
In the drying step, a piezoelectric film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the temperature at which the first temperature rising rate and the second temperature rising rate were changed to 145 ° C. The evaluation results are shown in Table 1.

表1によると、1層目の圧電体膜の膜厚比は0.96であり、繰り返し6回塗布(3回目)、すなわち18層の圧電体膜を形成した時点での膜厚比は0.94であった。本比較例では圧電体膜の膜厚ムラはほとんど発生せず、膜厚の構成および電気特性は実施例1と同等となった。   According to Table 1, the film thickness ratio of the first piezoelectric film is 0.96, and the film thickness ratio at the time of repeated application six times (third time), that is, when the 18-layer piezoelectric film is formed is 0. .94. In this comparative example, the film thickness unevenness of the piezoelectric film hardly occurred, and the film thickness configuration and electrical characteristics were the same as in Example 1.

乾燥工程における熱処理時間は実施例1と比較して、1回のゾル−ゲル液の塗布あたりで0.5分長くなり、一連の18回のゾル−ゲル液塗布では、工程全体のタクトタイムが実施例1より9分長くなった。しかし、圧電体膜の製造に要する時間は実施例1の場合と概ね同じであり、十分な生産性を有していることが確認できた。
[比較例1]
乾燥工程において昇温レートを30℃/minとして室温から乾燥温度である300℃まで単一の昇温レートにて温度上昇させて熱処理を実施した以外は実施例1と同様にして実験を行った。
The heat treatment time in the drying process is longer by 0.5 minutes per sol-gel liquid application than in Example 1, and in the series of 18 sol-gel liquid applications, the tact time of the entire process is It was 9 minutes longer than Example 1. However, the time required for manufacturing the piezoelectric film was substantially the same as that in Example 1, and it was confirmed that the piezoelectric film had sufficient productivity.
[Comparative Example 1]
The experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was carried out at a single temperature rise rate from room temperature to the drying temperature of 300 ° C. with a temperature rise rate of 30 ° C./min in the drying step. .

表1に評価結果を示す。表1によると、1層目の圧電体膜の膜厚比は0.96、繰り返し6回塗布(3回目)の圧電体膜、すなわち、合計18層の圧電体膜が積層された圧電体膜でも膜厚比が0.94であった。圧電体膜の膜厚ムラはほとんど発生せず、膜厚の構成および電気特性は実施例1と同等となった。   Table 1 shows the evaluation results. According to Table 1, the film thickness ratio of the first piezoelectric film is 0.96, and the piezoelectric film is repeatedly applied six times (third time), that is, a piezoelectric film in which a total of 18 piezoelectric films are stacked. However, the film thickness ratio was 0.94. The film thickness unevenness of the piezoelectric film hardly occurred, and the film thickness configuration and electrical characteristics were the same as in Example 1.

しかし、乾燥工程における熱処理時間が実施例1と比較して、1回のゾル−ゲル液の塗布あたりで3分長くなった。実施例1と同様の1.5μm程度の膜厚の圧電体膜を作製する場合、繰り返し6回塗布を3回繰り返すため、ゾル−ゲル液の塗布を18回実施することとなる。従って、表1に示すように工程全体のタクトタイムが実施例1よりも54分長くなった。よって実施例1との比較により、生産性が劣る結果となった。
[比較例2]
乾燥工程において、第1の昇温レートと、第2の昇温レートとの変更点温度を100℃とした点以外は実施例1と同様にして圧電体膜を作製、評価した。評価結果を表1に示す。
However, the heat treatment time in the drying step was 3 minutes longer per application of the sol-gel solution than in Example 1. When a piezoelectric film having a film thickness of about 1.5 μm as in Example 1 is manufactured, the application is repeated 6 times 3 times, so that the application of the sol-gel solution is performed 18 times. Therefore, as shown in Table 1, the tact time of the entire process was 54 minutes longer than that of Example 1. Therefore, the productivity was inferior in comparison with Example 1.
[Comparative Example 2]
In the drying process, a piezoelectric film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the temperature at which the first temperature rising rate and the second temperature rising rate were changed to 100 ° C. The evaluation results are shown in Table 1.

表1によると比較例2では、1層目の圧電体膜について膜厚比が1.88と実施例1の場合の約2倍弱と大きくなり、コーヒーステイン現象が見られた。   According to Table 1, in Comparative Example 2, the film thickness ratio of the first piezoelectric film was 1.88, which was about twice as large as that in Example 1, and a coffee stain phenomenon was observed.

同様にゾル−ゲル液の塗布、乾燥、熱分解を6回繰り返した後、RTA装置にて結晶化処理まで行った時点、すなわち、6層の圧電体膜を形成した時点(繰り返し6回塗布(1回目))で圧電体膜を観察した。すると、本比較例では、コーヒーステイン現象により膜厚が極端に厚くなった圧電体膜の端部にクラックの発生が確認された。   Similarly, after the application of sol-gel solution, drying, and thermal decomposition was repeated 6 times, the crystallization process was performed with the RTA apparatus, that is, when the 6-layer piezoelectric film was formed (repeatedly applied 6 times ( The piezoelectric film was observed in the first time)). Then, in this comparative example, generation | occurrence | production of the crack was confirmed in the edge part of the piezoelectric material film | membrane whose film thickness became extremely thick by the coffee stain phenomenon.

さらに、同様の条件でゾル−ゲル液の塗布、乾燥、熱分解を6回繰り返した後、結晶化工程までを計3回行った時点、すなわち、上記実施例1の繰り返し6回塗布(3回目)に対応する18層の圧電体膜を形成した。得られた圧電体膜について、実施例1の場合と同様に、パターン長手方向の端部/中央部で測定したところ、表1に示すように(端部/中央部)膜厚比が2.0となった。すなわち、コーヒーステイン現象がより強調された圧電体膜となり、これより得られた圧電体膜の電気特性も実施例1、2と比べて劣ることが確認された。
[比較例3]
乾燥工程において、第2の昇温レートを15℃/minとした点以外は実施例1と同様にして圧電体膜を作製、評価した。評価結果を表1に示す。
Furthermore, after repeating the application of the sol-gel solution, drying and thermal decomposition under the same conditions 6 times, the time until the crystallization process was performed 3 times in total, that is, the application of the above Example 1 repeatedly 6 times (the third time) 18 layers of piezoelectric films corresponding to the above were formed. The obtained piezoelectric film was measured at the end / center in the pattern longitudinal direction in the same manner as in Example 1. As shown in Table 1, the film thickness ratio was 2. 0. That is, it was confirmed that the piezoelectric film with more emphasized coffee stain phenomenon was obtained, and the electric characteristics of the obtained piezoelectric film were also inferior to those of Examples 1 and 2.
[Comparative Example 3]
In the drying step, a piezoelectric film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the second temperature rising rate was 15 ° C./min. The evaluation results are shown in Table 1.

表1によると、1層目の圧電体膜の膜厚比は0.96であり、繰り返し6回塗布(3回目)、すなわち18層の圧電体膜を形成した時点での膜厚比は0.94であった。本比較例では圧電体膜の膜厚ムラはほとんど発生せず、膜厚の構成および電気特性は実施例1と同等となった。   According to Table 1, the film thickness ratio of the first piezoelectric film is 0.96, and the film thickness ratio at the time of repeated application six times (third time), that is, when the 18-layer piezoelectric film is formed is 0. .94. In this comparative example, the film thickness unevenness of the piezoelectric film hardly occurred, and the film thickness configuration and electrical characteristics were the same as in Example 1.

しかし、乾燥工程における熱処理時間が実施例1と比較して、1回のゾル−ゲル液の塗布あたりで約9分、一連の18回のゾル−ゲル液塗布では、工程全体のタクトタイムが実施例1より2時間半程度も長くなり、実施例と比べて生産性が著しく劣る結果となった。
[比較例4]
乾燥工程において、第1の昇温レートを60℃/min、第2の昇温レートを90℃/minとした以外は実施例1と同様にして圧電体膜を作製、評価した。評価結果を表1に示す。
However, the heat treatment time in the drying process is about 9 minutes per application of the sol-gel solution compared to Example 1, and the tact time of the entire process is performed in a series of 18 sol-gel solution applications. It was about two and a half hours longer than Example 1, and the productivity was significantly inferior to that of Example.
[Comparative Example 4]
A piezoelectric film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that, in the drying step, the first temperature rising rate was 60 ° C./min and the second temperature rising rate was 90 ° C./min. The evaluation results are shown in Table 1.

表1によると、1層目の圧電体膜の膜厚は、端部/中央部で80nm/30nmであり、膜厚比が2.5以上と大きくなっており、コーヒーステイン現象が見られた。   According to Table 1, the film thickness of the first piezoelectric film was 80 nm / 30 nm at the edge / center, the film thickness ratio was as large as 2.5 or more, and a coffee stain phenomenon was observed. .

同様にゾル−ゲル液の塗布、乾燥、熱分解を6回繰り返した後、RTA装置にて結晶化処理まで行った時点、すなわち、6層の圧電体膜を形成した時点(繰り返し6回塗布(1回目))で圧電体膜を観察した。すると、本比較例では、コーヒーステイン現象により膜厚が極端に厚くなった圧電体膜パターンの端部にてクラックの発生が確認された。   Similarly, after the application of sol-gel solution, drying, and thermal decomposition was repeated 6 times, the crystallization process was performed with the RTA apparatus, that is, when the 6-layer piezoelectric film was formed (repeatedly applied 6 times ( The piezoelectric film was observed in the first time)). Then, in this comparative example, generation | occurrence | production of the crack was confirmed in the edge part of the piezoelectric material film pattern in which the film thickness became extremely thick by the coffee stain phenomenon.

さらに、同様にゾル−ゲル液の塗布、乾燥、熱分解を6回繰り返した後、結晶化処理を行う工程を計3回行った時点、すなわち、上記実施例1の繰り返し6回塗布(3回目)に対応する18層の圧電体膜を形成した。   Furthermore, after repeating the application of the sol-gel solution, drying, and thermal decomposition 6 times in the same manner, the step of performing the crystallization treatment was performed 3 times in total, that is, the application of the above Example 1 repeatedly 6 times (the third time 18 layers of piezoelectric films corresponding to the above were formed.

得られた圧電体膜について、実施例1の場合と同様に、パターン長手方向の端部/中央部で膜厚を測定したところ、膜厚が1.8/0.6μm(端部/中央部)、膜厚比が3.0となった。すなわち、コーヒーステイン現象がより強調された圧電体膜が得られており、膜厚比が0.94(実施例1)、1.23(実施例2)である実施例1、2と比較して膜厚比が非常に大きくなっていることが確認できた。   The film thickness of the obtained piezoelectric film was measured at the end / center of the pattern longitudinal direction in the same manner as in Example 1. The film thickness was 1.8 / 0.6 μm (end / center). ), The film thickness ratio was 3.0. That is, a piezoelectric film in which the coffee stain phenomenon is more emphasized is obtained, and compared with Examples 1 and 2 in which the film thickness ratio is 0.94 (Example 1) and 1.23 (Example 2). It was confirmed that the film thickness ratio was very large.

さらに、実施例1の場合と同様に、形成されたパターン化圧電体膜上に、第2の電極(上部電極)(Pt)をスパッタ法にて成膜しパターニングすることで電気−機械変換素子の形態をなした。そして、得られた電気−機械変換素子について評価を行ったところ、圧電体膜の比誘電率1100、誘電損失27、耐圧2Vとなり、圧電体膜としての機能を成さないことが確認できた。   Further, as in the case of Example 1, the second electrode (upper electrode) (Pt) is formed by sputtering on the formed patterned piezoelectric film, and is patterned, so that the electro-mechanical conversion element It took the form of When the obtained electro-mechanical conversion element was evaluated, it was confirmed that the piezoelectric film had a dielectric constant of 1100, a dielectric loss of 27, and a withstand voltage of 2 V, and did not function as a piezoelectric film.

31、64 基板
32、661 第1の電極
54、54´、662 圧電体膜
663 第2の電極
66 電気−機械変換素子
60、67 液体吐出ヘッド
70 インクジェットプリンタ
31, 64 Substrate 32, 661 First electrode 54, 54 ', 662 Piezoelectric film 663 Second electrode 66 Electro-mechanical conversion element 60, 67 Liquid discharge head 70 Inkjet printer

国際公開第03/098714International Publication No. 03/098714

Claims (4)

基板上に設けられた第1の電極表面にインクジェット方式によりゾル−ゲル液を部分的に塗布しパターン化されたゾル−ゲル膜を形成する工程と、
前記ゾル−ゲル膜を加熱処理することでゾル−ゲル膜を乾燥する工程と、を有しており、
前記ゾル−ゲル膜を乾燥する工程は、ゾル−ゲル膜の加熱温度を、室温から予め規定した変更点温度Tまで、第1の昇温レートにより昇温する第1の昇温工程と、
前記変更点温度Tに到達後、昇温レートを第2の昇温レートに変更し、ゾル−ゲル膜の加熱温度をゾル−ゲル膜の乾燥温度まで昇温する第2の昇温工程と、を有し、
前記変更点温度Tは、前記ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点Tbpとの間で、Tbp−23≦T≦Tbp+23の関係を満たし、
前記第1の昇温レートの1分当たりの昇温レートは、前記ゾル−ゲル液の主溶媒の沸点の45%以下であり、
前記第1の昇温レートは、前記第2の昇温レートよりも遅いことを特徴とする圧電体膜の製造方法。
Forming a patterned sol-gel film by partially applying a sol-gel liquid to the first electrode surface provided on the substrate by an inkjet method;
Drying the sol-gel film by heat-treating the sol-gel film,
The step of drying the sol-gel film includes a first temperature raising step of raising the heating temperature of the sol-gel film from room temperature to a predetermined change point temperature Tc at a first temperature raising rate;
A second temperature raising step of changing the temperature rising rate to the second temperature rising rate after reaching the change point temperature Tc and raising the heating temperature of the sol-gel film to the drying temperature of the sol-gel film; Have
The change point temperature T c satisfies the relationship of T bp −23 ≦ T c ≦ T bp +23 with the boiling point T bp of the main solvent of the sol-gel solution,
The heating rate per minute of the first heating rate is 45% or less of the boiling point of the main solvent of the sol-gel liquid,
The method for manufacturing a piezoelectric film, wherein the first temperature rise rate is slower than the second temperature rise rate.
前記ゾル−ゲル膜を乾燥する工程の後に、前記ゾル−ゲル膜を熱分解する工程および/または前記ゾル−ゲル液を結晶化する工程を有することを特徴とする、請求項1に記載の圧電体膜の製造方法。   2. The piezoelectric device according to claim 1, further comprising a step of thermally decomposing the sol-gel film and / or a step of crystallizing the sol-gel liquid after the step of drying the sol-gel film. Manufacturing method of body membrane. 請求項1または2に記載の圧電体膜の製造方法を繰り返し行うことにより、所望の膜厚の圧電体膜とすることを特徴とする圧電体膜の製造方法。   A method for manufacturing a piezoelectric film, wherein the piezoelectric film having a desired film thickness is obtained by repeatedly performing the method for manufacturing a piezoelectric film according to claim 1. 請求項1乃至3いずれか一項に記載された圧電体膜の製造方法により製造された圧電体膜上に、第2の電極を配置する工程を有することを特徴とする電気―機械変換素子の製造方法。   An electro-mechanical conversion element comprising a step of disposing a second electrode on a piezoelectric film manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric film according to claim 1. Production method.
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