JP6460450B2 - Electromechanical conversion element, droplet discharge head, image forming apparatus, and droplet discharge device - Google Patents

Electromechanical conversion element, droplet discharge head, image forming apparatus, and droplet discharge device Download PDF

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本発明は、圧電体からなる電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子、その電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド画像形成装置および液滴吐出装置に関するものである。 The present invention relates to an electromechanical conversion element including an electromechanical conversion film made of a piezoelectric body, a droplet discharge head including the electromechanical conversion element , an image forming apparatus, and a droplet discharge apparatus .

従来、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置として、画像形成用の液体であるインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置が知られている。上記液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、このノズルに連通する液室と、液室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備える。この圧力発生手段としては、例えば液室の壁面の一部を構成する振動板に、圧電体からなる電気機械変換膜を有するピエゾ方式の電気機械変換素子を設けたものが知られている。この電気機械変換素子が電圧の印加によって変形することにより、電気機械変換素子が設けられた振動板の液室側の表面が変位し、液室内の液体に圧力を発生させることができる。   2. Description of the Related Art Conventionally, as an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus, a liquid droplet ejecting apparatus including a liquid droplet ejecting head that ejects ink droplets that are liquids for image formation is known. The droplet discharge head includes a nozzle that discharges a droplet, a liquid chamber that communicates with the nozzle, and a pressure generation unit that generates pressure in the liquid in the liquid chamber. As this pressure generating means, for example, there is known one in which a piezo-type electromechanical conversion element having an electromechanical conversion film made of a piezoelectric body is provided on a diaphragm constituting a part of a wall surface of a liquid chamber. When the electromechanical conversion element is deformed by application of a voltage, the surface of the diaphragm provided with the electromechanical conversion element on the liquid chamber side is displaced, and pressure can be generated in the liquid in the liquid chamber.

上記電気機械変換素子としては、下部電極、電気機械変換膜及び上部電極などを積層させた構成が知られている。この電気機械変換膜の材料として、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などのペロブスカイト結晶構造を有するものが一般的に用いられている。ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜は自発分極性を有する強誘電体である。強磁性体では、自発分極軸方向と電界方向とを一致させると自発分極軸方向に伸びる歪変位(圧電効果による歪変位)が得られる。   As the electromechanical conversion element, a configuration in which a lower electrode, an electromechanical conversion film, an upper electrode, and the like are stacked is known. As a material for this electromechanical conversion film, a material having a perovskite crystal structure such as lead zirconate titanate (PZT) is generally used. An electromechanical conversion film having a perovskite crystal structure is a ferroelectric material having spontaneous polarization. In a ferromagnetic material, when the direction of the spontaneous polarization axis coincides with the direction of the electric field, strain displacement (strain displacement due to the piezoelectric effect) extending in the direction of the spontaneous polarization axis is obtained.

特許文献1には、係るペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜において、(100)面の結晶配向性を高く(結晶配向率80[%]以上)して自発分極軸方向を揃え、その方向に電界を形成させることで上記電気機械変換素子の圧電効果による歪変位を大きくできることが記載されている。また、この電気機械変換膜において、分極ドメインを回転させる、ドメイン回転の効果を利用することで、上記電気機械変換素子の歪変位をさらに大きくできることが記載されている。分極ドメインとは、電気機械変換膜において、自発分極軸方向が揃った領域のことである。   In Patent Document 1, in an electromechanical conversion film having such a perovskite crystal structure, the crystallographic orientation of the (100) plane is made high (crystal orientation ratio of 80 [%] or more) to align the spontaneous polarization axis direction, and in that direction It is described that the strain displacement due to the piezoelectric effect of the electromechanical transducer can be increased by forming an electric field. Further, it is described that in this electromechanical conversion film, the strain displacement of the electromechanical conversion element can be further increased by utilizing the effect of domain rotation that rotates the polarization domain. The polarization domain is a region in the electromechanical conversion film where the spontaneous polarization axis directions are aligned.

さらに、上記歪変位を大きくするために、上記ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜において、θ−2θ法による測定により優先配向させた面に平行な面で得られた回折強度のピークの形状を非対称にすると有効であることが経験的に分かっている。なお、回折強度のピークとは、測定で得られた回折強度曲線の凸部をいう。   Further, in order to increase the strain displacement, in the electromechanical conversion film having the perovskite crystal structure, the peak shape of the diffraction intensity obtained on the plane parallel to the plane preferentially oriented by the measurement by the θ-2θ method is expressed. Experience has shown that making it asymmetric is effective. In addition, the peak of diffraction intensity means the convex part of the diffraction intensity curve obtained by measurement.

しかしながら、上記ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜において、θ−2θ法による測定により優先配向させた面に平行な面で得られた回折強度のピークの形状を非対称な形状としても、歪変位を十分に大きくできないことが分かった。
上記ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜の結晶構造の分析において、基板面に対し結晶面がどの程度傾斜しているか評価するために、回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角を振った測定が行われることがある。本発明者らは、このあおり角(χ)を振った測定をして得られた回折強度のピークの形状が、歪変位を大きくする上で重要な判断基準になることを見出した。
However, in the electromechanical conversion film having the perovskite crystal structure, even if the peak shape of the diffraction intensity obtained on the plane parallel to the plane preferentially measured by the θ-2θ method is an asymmetric shape, the strain displacement is reduced. It turns out that it cannot be large enough.
In the analysis of the crystal structure of the electromechanical conversion film having the perovskite crystal structure, in order to evaluate how much the crystal plane is inclined with respect to the substrate surface, the position where the diffraction intensity is maximum at the peak of the diffraction intensity (2θ) In some cases, the tilt angle is measured. The present inventors have found that the shape of the peak of the diffraction intensity obtained by measuring with the tilt angle (χ) is an important criterion for increasing the strain displacement.

本発明は以上の背景に鑑みなされたものであり、その目的は、ペロブスカイト型結晶構造を有する電気機械変換膜により十分な歪変位が得られる電気機械変換素子画像形成装置および液滴吐出装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide an electromechanical conversion element , an image forming apparatus, and a droplet discharge apparatus that can obtain sufficient strain displacement by an electromechanical conversion film having a perovskite crystal structure. Is to provide.

本発明は、基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され{100}面に優先配向されたペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に形成された上部電極とを備える電気機械変換素子において、前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二箇所の屈曲した点を有する形状になっていて、前記屈曲した点のうち、回折強度が大きい方の点の位置をχ_max、他方の点の位置をχ_2ndとしたときに、|χ_max−χ_2nd|が2[°]以上10[°]以下になっているものであることを特徴とするものである。 The present invention relates to an electromechanical conversion comprising a lower electrode formed directly or indirectly on a substrate or a base film, and a piezoelectric body formed on the lower electrode and having a perovskite crystal structure preferentially oriented in a {100} plane. In the electromechanical conversion element including a film and an upper electrode formed on the electromechanical conversion film, the electromechanical conversion film corresponds to a {100} plane as measured by a θ-2θ method of X-ray diffraction. The diffraction intensity peak shape obtained when the tilt angle (χ) is swung in the range of ± 15 [°] at the position (2θ) at which the diffraction intensity is maximum in the diffraction intensity peak is bent at two locations. Of the bent points, | χ_max−χ_2nd | is 2 [°] or more when the position of the point with the higher diffraction intensity is χ_max and the position of the other point is χ_2nd 10 [°] or less It is characterized by being.

本発明によれば、ペロブスカイト型結晶構造を有する電気機械変換膜により十分な歪変位を得ることができる。   According to the present invention, sufficient strain displacement can be obtained by the electromechanical conversion film having a perovskite crystal structure.

本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a droplet discharge head according to the present embodiment. {100}面に優先配向させたPZT膜における、X線回折のθ-2θ法による測定で得られた{200}面における回折強度のピークの一例。An example of a peak of diffraction intensity on the {200} plane obtained by measurement by X-ray diffraction θ-2θ method in a PZT film preferentially oriented on the {100} plane. {100}面に優先配向させたPZT膜において、X線回折のθ-2θ法による測定で得られた回折強度のピークの形状の非対称性の度合いについて説明するグラフ。The graph explaining the degree of asymmetry of the peak shape of the diffraction intensity obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method in the PZT film preferentially oriented in the {100} plane. 90[°]ドメイン回転についての説明図。Explanatory drawing about 90 [degree] domain rotation. {100}面に優先配向させたPZT膜において、あおり角を振った測定をして得られた回折強度曲線の例。An example of a diffraction intensity curve obtained by measuring the tilt angle of a PZT film preferentially oriented in the {100} plane. 第1酸化物層にPbTiO3を用いた場合のPZT膜の結晶構造の模式図。The schematic diagram of the crystal structure of the PZT film | membrane at the time of using PbTiO3 for a 1st oxide layer. 同液滴吐出ヘッドの電気機械変換素子の概略構成の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of schematic structure of the electromechanical conversion element of the droplet discharge head. 分極処理装置の概略構成の一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of schematic structure of a polarization processing apparatus. P−Eヒステリシス曲線を示すグラフ。The graph which shows a PE hysteresis curve. 分極処理の原理の説明図。Explanatory drawing of the principle of polarization processing. 同液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example in which a plurality of the liquid discharge heads are arranged. 同液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置の一例を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing an example of an ink jet recording apparatus using the droplet discharge head. 同インクジェット記録装置の機構部を側面から見た説明図。Explanatory drawing which looked at the mechanism part of the same inkjet recording device from the side.

以下、本発明を画像形成装置(液滴吐出装置)としてのインクジェット記録装置に使用される液滴吐出ヘッドの一構成要素である電気機械変換素子に適用した実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an electromechanical transducer that is a constituent element of a droplet discharge head used in an inkjet recording apparatus as an image forming apparatus (droplet discharge apparatus) will be described.

なお、以下の説明において、{hkl}面は、圧電体の結晶における自発分極の方向は考慮しない対称性から(hkl)面及びその(hkl)面に等価な複数の結晶面を代表するものとして表している。また、{hkl}面は、(hkl)面及びその(hkl)面に等価な複数の結晶面のいずれか一つの結晶面であってもよいし、(hkl)面及びその(hkl)面に等価な複数の結晶面から選択された複数の結晶面であってもよい。例えば、上記ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜において、{100}面は、(100)面とその(100)面に等価な他の5つの結晶面とを含む複数の結晶面のいずれか一つ又は複数を表している。また、本明細書において、回折強度のピークとは、X線回折の測定によって得られた回折強度曲線の凸部を指し、回折強度の最大値を指すものではない。   In the following description, the {hkl} plane represents the (hkl) plane and a plurality of crystal planes equivalent to the (hkl) plane from the symmetry that does not consider the direction of spontaneous polarization in the piezoelectric crystal. Represents. The {hkl} plane may be any one of the (hkl) plane and a plurality of crystal planes equivalent to the (hkl) plane, or the (hkl) plane and the (hkl) plane. It may be a plurality of crystal planes selected from a plurality of equivalent crystal planes. For example, in the electromechanical conversion film having the perovskite crystal structure, the {100} plane is any one of a plurality of crystal planes including a (100) plane and other five crystal planes equivalent to the (100) plane. One or more. In the present specification, the peak of diffraction intensity refers to a convex portion of a diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement and does not indicate the maximum value of diffraction intensity.

インクジェット記録装置は、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更には画像形成用の液体であるインクの自由度があり、安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのために、インクジェット記録装置は、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置として広く展開されている。   The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise and high-speed printing, and further, the degree of freedom of ink as a liquid for image formation, and the use of inexpensive plain paper. For this reason, the ink jet recording apparatus is widely deployed as an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus.

インクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドは、画像形成用の液滴(インク滴)を吐出するノズルと、ノズルに連通する加圧液室と、加圧液室内のインクを吐出するための圧力を発生する圧力発生手段とを備えている。本実施形態における圧力発生手段は、加圧液室の壁面の一部を構成する振動板と、その振動板を変形させる圧電体からなる薄膜の電気機械変換膜を有する電気機械変換素子と、を備えたピエゾ方式の圧力発生手段である。この電気機械変換素子は、所定の電圧が印加されることにより自らが変形し、加圧液室に対して振動板の表面を変位させることで加圧液室内の液体に圧力を発生させる。この圧力により、加圧液室に連通したノズルから液滴(インク滴)を吐出させることができる。   A droplet discharge head used in an inkjet recording apparatus includes a nozzle for discharging a droplet (ink droplet) for image formation, a pressure liquid chamber communicating with the nozzle, and a pressure for discharging ink in the pressure liquid chamber. Pressure generating means for generating The pressure generating means in the present embodiment includes a vibration plate that forms part of the wall surface of the pressurized liquid chamber, and an electromechanical conversion element having a thin film electromechanical conversion film made of a piezoelectric body that deforms the vibration plate. A piezo-type pressure generating means provided. The electromechanical conversion element deforms itself when a predetermined voltage is applied, and generates pressure on the liquid in the pressurized liquid chamber by displacing the surface of the diaphragm with respect to the pressurized liquid chamber. With this pressure, it is possible to eject droplets (ink droplets) from a nozzle communicating with the pressurized liquid chamber.

上記電気機械変換膜を構成する圧電体は、電圧の印加によって変形する圧電特性を有する材料である。この圧電体として、本実施形態では、ペロブスカイト結晶構造を有する三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti1−x)O)を用いている。このPZTからなる電気機械変換膜(以下「PZT膜」という。)を有する電気機械変換素子に駆動電圧を印加したときの振動モードとしては、前述のように複数種類の振動モードがある。例えば、圧電定数d33による膜厚方向の変形を伴う縦振動モード(プッシュモード)や、圧電定数d31によるたわみ変形を伴う横振動モード(ベンドモード)がある。更には、膜の剪断変形を利用したシェアモード等もある。 The piezoelectric body constituting the electromechanical conversion film is a material having a piezoelectric characteristic that is deformed by application of a voltage. In this embodiment, lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ), which is a ternary metal oxide having a perovskite crystal structure, is used as the piezoelectric body. As described above, there are a plurality of types of vibration modes when a drive voltage is applied to an electromechanical conversion element having an electromechanical conversion film (hereinafter referred to as “PZT film”) made of PZT. For example, there are a longitudinal vibration mode (push mode) accompanied by deformation in the film thickness direction by the piezoelectric constant d33 and a transverse vibration mode (bend mode) accompanied by deflection deformation by the piezoelectric constant d31. Furthermore, there is a shear mode using the shear deformation of the film.

上記PZT膜を有する電気機械変換素子は、後述のように、半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術を利用し、Si基板に加圧液室及び電気機械変換素子を直接作り込むことができる。これにより、電気機械変換素子を、加圧液室内に圧力を発生させる薄膜の圧電アクチュエータとして形成することができる。   As will be described later, the electromechanical transducer having the PZT film can directly form a pressurized liquid chamber and an electromechanical transducer in a Si substrate by using a semiconductor process or a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technique. it can. Thus, the electromechanical transducer can be formed as a thin film piezoelectric actuator that generates pressure in the pressurized liquid chamber.

次に、本発明の一実施形態に係る電気機械変換素子としての圧電アクチュエータ400を備えた液滴吐出ヘッドの構造の一例を説明する。
図1は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成の一例を示す断面図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドは、基板401、振動板402、ノズル板403、加圧液室(圧力室)404、下部電極としての第1電極405、電気機械変換膜としてのPZT膜406、上部電極としての第2電極407などを備える。加圧液室404は、基板401に形成された隔壁部401aと、振動板402と、ノズル板403とで囲まれるように形成され、ノズル板403のノズル403aに連通している。
Next, an example of the structure of a droplet discharge head including a piezoelectric actuator 400 as an electromechanical transducer according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a droplet discharge head according to the present embodiment. The droplet discharge head of this embodiment includes a substrate 401, a vibration plate 402, a nozzle plate 403, a pressurized liquid chamber (pressure chamber) 404, a first electrode 405 as a lower electrode, a PZT film 406 as an electromechanical conversion film, A second electrode 407 as an upper electrode is provided. The pressurized liquid chamber 404 is formed so as to be surrounded by a partition wall 401 a formed on the substrate 401, the vibration plate 402, and the nozzle plate 403, and communicates with the nozzle 403 a of the nozzle plate 403.

基板401の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100[μm]以上600[μm]以下の範囲の厚みを持つことが好ましい。基板401の表面としては、{100}面、{110}面、{111}面と3種あるが、半導体産業では一般的に{100}面、{111}面が広く使用されており、本実施形態においては、表面が主に{100}面である単結晶基板を主に使用した。   As a material of the substrate 401, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is preferable to have a thickness in the range of 100 [μm] to 600 [μm]. There are three types of surfaces of the substrate 401, {100} plane, {110} plane, and {111} plane, but the {100} plane and {111} plane are generally widely used in the semiconductor industry. In the embodiment, a single crystal substrate whose surface is mainly a {100} plane is mainly used.

図1に示すような加圧液室404を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは、結晶構造の複数種類の面に対してエッチング速度が互いに異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、{100}面に比べて{111}面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、{100}面では約54[°]の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、{110}面では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。本実施形態では、表面が{110}面である単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この点も留意して利用している。 When the pressurized liquid chamber 404 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. In this case, anisotropic etching is used as an etching method. It is common. Anisotropic etching utilizes the property that etching rates are different from each other for a plurality of types of surfaces of a crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the {111} plane has an etching rate of about 1/400 compared to the {100} plane. Accordingly, a structure having an inclination of about 54 [°] can be produced on the {100} plane, whereas a deep groove can be removed on the {110} plane, so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. I know you can. In this embodiment, it is also possible to use a single crystal substrate whose surface is a {110} plane. However, in this case, SiO 2 that is a mask material is also etched, and this point is also used with attention.

振動板402は、PZT膜406によって発生した力を受けて変形して表面が変位することにより、加圧液室404の液体に圧力を発生させてノズル403aから液滴を吐出させるため、所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板402の材料としては、Si、SiO、SiをCVD(Chemical Vapor Deposition)法により作製したものが挙げられる。 The diaphragm 402 receives the force generated by the PZT film 406 and is deformed to displace the surface, thereby generating pressure on the liquid in the pressurized liquid chamber 404 and discharging droplets from the nozzle 403a. It is preferable that it has strength. Examples of the material of the diaphragm 402 include those made of Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

更に、振動板402の材料としては、第1電極405及びPZT膜406の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、PZT膜406は一般的に材料としてPZTが使用される。そのため、振動板402は、線膨張係数8×10−6[1/K]に近い線膨張係数すなわち5×10−6[1/K]以上10×10−6[1/K]以下の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには、振動板402は、7×10−6[1/K]以上9×10−6[1/K]以下の線膨張係数を有した材料がより好ましい。 Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the first electrode 405 and the PZT film 406 as the material of the diaphragm 402. In particular, the PZT film 406 generally uses PZT as a material. Therefore, the diaphragm 402 has a linear expansion coefficient close to a linear expansion coefficient of 8 × 10 −6 [1 / K], that is, a line of 5 × 10 −6 [1 / K] to 10 × 10 −6 [1 / K]. A material having an expansion coefficient is preferred. Further, the diaphragm 402 is more preferably a material having a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 [1 / K] or more and 9 × 10 −6 [1 / K] or less.

振動板402の具体的な材料は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等である。これらをスパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては0.1[μm]以上10[μm]以下が好ましく、0.5[μm]以上3[μm]以下がさらに好ましい。この範囲より小さいと加圧液室404の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。   Specific materials for the diaphragm 402 include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. These can be produced by a spin coater using a sputtering method or a sol-gel method. The film thickness is preferably from 0.1 [μm] to 10 [μm], and more preferably from 0.5 [μm] to 3 [μm]. If it is smaller than this range, it will be difficult to process the pressurized liquid chamber 404, and if it is larger than this range, the base will be difficult to deform and displace, and ink droplet ejection will become unstable.

また、振動板402は引張応力あるいは圧縮応力を持つ複数の膜を減圧(LP:Low Pressure)CVDにより積層させることで構築されていることが望ましい。その理由は、次のとおりである。単層膜の振動板402の場合、材料として例えばSOIウェハが挙げられる。この場合、ウェハのコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとしたときに任意の膜応力に設定できない。一方、積層の振動板402の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板402の剛性と膜応力とを所望の値に設定する自由度を得ることができる。そのため、振動板402の全体の剛性と応力の制御とを、積層化と膜厚及び積層構成との組み合わせで実現できる。   In addition, the diaphragm 402 is preferably constructed by laminating a plurality of films having tensile stress or compressive stress by low pressure (LP) CVD. The reason is as follows. In the case of the single-layer film diaphragm 402, an example of the material is an SOI wafer. In this case, the cost of the wafer is very high, and it is not possible to set an arbitrary film stress when trying to make the bending rigidity uniform. On the other hand, in the case of the laminated diaphragm 402, the degree of freedom of setting the rigidity and film stress of the diaphragm 402 to desired values can be obtained by optimizing the laminated configuration. Therefore, overall rigidity and stress control of the diaphragm 402 can be realized by a combination of lamination, film thickness, and lamination configuration.

従って、圧電アクチュエータ(圧電素子)を構成する電極層及び強誘電体層の材料及び膜厚に適時対応できる。そして、圧電アクチュエータ(圧電素子)の焼成温度による振動板402の剛性及び応力の変動が少なく安定した振動板402が得られることから、液滴吐出特性を高精度にでき、かつ安定した液滴吐出ヘッドを実現できる。   Therefore, the material and film thickness of the electrode layer and the ferroelectric layer constituting the piezoelectric actuator (piezoelectric element) can be dealt with in a timely manner. Further, since the diaphragm 402 can be obtained with a stable vibration plate 402 with less variation in rigidity and stress due to the firing temperature of the piezoelectric actuator (piezoelectric element), the droplet ejection characteristics can be made highly accurate and stable droplet ejection. A head can be realized.

下部電極としての第1電極405は、金属材料の層である。金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金(Pt)が用いられているが、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。白金(Pt)を使用する場合には、その下地(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。第1電極405の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。第1電極405の膜厚としては、0.02[μm]以上0.1[μm]以下が好ましく、0.05[μm]以上0.1[μm]以下がさらに好ましい。また、PZT膜406の変形の経時的な疲労特性に対する懸念から、第1電極405とPZT膜406との間にルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物からなる第1酸化物層408を積層することが好ましい。 The first electrode 405 as a lower electrode is a layer of a metal material. Conventionally, platinum (Pt) having high heat resistance and low reactivity has been used as a metal material, but it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead, and iridium or platinum-rhodium. Platinum group elements such as these, and these alloy films are also included. When platinum (Pt) is used, Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5, etc. should be laminated first because of poor adhesion to the base (particularly SiO 2 ). Is preferred. As a manufacturing method of the first electrode 405, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. The film thickness of the first electrode 405 is preferably 0.02 [μm] or more and 0.1 [μm] or less, and more preferably 0.05 [μm] or more and 0.1 [μm] or less. Further, in consideration of the fatigue characteristics over time of deformation of the PZT film 406, a first oxide layer 408 made of a conductive oxide such as strontium ruthenate is stacked between the first electrode 405 and the PZT film 406. Is preferred.

第1酸化物層408は、その上に作製するPZT膜406の配向にも影響する。このため、PZT膜406の優先配向させたい面方位に応じて、第1酸化物層408の材料を適宜選択する必要がある。本実施形態においては、PZT膜406の{100}面に優先配向させたいため、第1酸化物層408の材料にはLaNiO、TiO、チタン酸鉛(PbTiO)などを選択する。第1酸化物層408の膜厚は、20[nm]以上80[nm]以下が好ましく、30[nm]以上50[nm]以下がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄くなると初期変位や変位劣化において十分な特性が得られない。また、この範囲を超えると、その後で成膜するPZT膜406の絶縁耐圧が非常に悪くなりリークが起きやすくなる。 The first oxide layer 408 also affects the orientation of the PZT film 406 formed thereon. For this reason, it is necessary to appropriately select the material of the first oxide layer 408 in accordance with the plane orientation of the PZT film 406 to be preferentially oriented. In this embodiment, LaNiO 3 , TiO 2 , lead titanate (PbTiO 3 ), or the like is selected as the material of the first oxide layer 408 in order to preferentially align the {100} plane of the PZT film 406. The film thickness of the first oxide layer 408 is preferably 20 [nm] or more and 80 [nm] or less, and more preferably 30 [nm] or more and 50 [nm] or less. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained in the initial displacement and displacement deterioration. In addition, if it exceeds this range, the withstand voltage of the PZT film 406 to be formed after that becomes very bad, and leakage tends to occur.

上部電極としての第2電極407も、上記第1電極405と同様に白金(Pt)などの金属材料を用い、白金の膜とPZT膜406との間に、密着性確保の目的で第2酸化物層409を設けてもよい。第2酸化物層409は、例えばルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を積層して構成される。   Similarly to the first electrode 405, the second electrode 407 as the upper electrode is made of a metal material such as platinum (Pt). The second oxide 407 is used for the purpose of ensuring adhesion between the platinum film and the PZT film 406. A physical layer 409 may be provided. The second oxide layer 409 is formed by stacking a conductive oxide such as strontium ruthenate.

PZT膜406は、ペロブスカイト結晶構造を有する圧電体であり、ジルコン酸鉛(PbZrO)とPbTiOの固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53Ti0.47)O、一般PZT(53/47)と示される。PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。 The PZT film 406 is a piezoelectric body having a perovskite crystal structure, and is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and PbTiO 3 , and has different characteristics depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. When expressed by a chemical formula, Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 , general PZT (53/47 ). Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there.

これら材料は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr、B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x,Ba)(Zr,Ti)O、(Pb)(Zr,Ti,Nb1−x−y)O、これはAサイトのPbを一部Baで置換した場合およびBサイトのZr、Tiを一部Nbで置換した場合である。このような置換は、2価の元素であれば可能であり、PZTの変形特性(変位特性)の応用に向けた材料改質で行なわれる。その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコータにて作製することができる。この場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。 These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. Specifically, (Pb 1-x , Ba x ) (Zr, Ti) O 3 , (Pb) (Zr x , Ti y , Nb 1-xy ) O 3 , which is the Pb of the A site This is a case where a part of Ba is substituted and a case where Zr and Ti of the B site are partly substituted by Nb. Such substitution is possible with a divalent element, and is performed by material modification for application of deformation characteristics (displacement characteristics) of PZT. The effect is to reduce the characteristic deterioration due to the evaporation of lead during the heat treatment. As a manufacturing method, it can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a sol-gel method. In this case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

PZT膜406をゾルゲル法により作製した場合、例えば出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。下地基板の全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100[nm]以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。   When the PZT film 406 is produced by the sol-gel method, for example, lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound are used as starting materials, and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution, thereby producing a PZT precursor solution. it can. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added to the precursor solution as a stabilizer. When a PZT film is obtained on the entire surface of the base substrate, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating, and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film. Become.

PZT膜406の膜厚としては、0.5[μm]以上5[μm]以下が好ましく、さらに好ましくは1[μm]以上2[μm]以下がよい。PZT膜406の膜厚が好適な範囲より小さいと、図1に示すような加圧液室404の加工が難しくなる。また、PZT膜406の膜厚が上記好適な範囲より大きいと、下地の振動板402が変形変位しにくくなり液滴の吐出が不安定になるほか、十分な変位を発生することができなくなる。また、PZT膜406の膜厚が上記好適な範囲より大きいと、何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。   The thickness of the PZT film 406 is preferably 0.5 [μm] or more and 5 [μm] or less, and more preferably 1 [μm] or more and 2 [μm] or less. If the thickness of the PZT film 406 is smaller than the preferred range, it becomes difficult to process the pressurized liquid chamber 404 as shown in FIG. On the other hand, if the thickness of the PZT film 406 is larger than the preferable range, the underlying diaphragm 402 is difficult to be deformed and displaced, and the ejection of droplets becomes unstable and sufficient displacement cannot be generated. On the other hand, if the thickness of the PZT film 406 is larger than the above preferred range, many layers are stacked, so that the number of steps increases and the process time becomes longer.

ABO型のペロブスカイト構造を採るPZTの結晶の単位格子の形は、Bサイトに入る原子であるTiとZrとの比率によって変化する。Tiの比率を大きくするとPZTの結晶格子は正方晶となり、Zrの比率を大きくするとPZTの結晶格子は菱面体晶となる。また、ZrとTiとの組成比率を調整すると、X線回折のθ-2θ法による測定で得られる回折強度のピークのうち、PZT膜406の{200}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)が変わってくる。 The shape of the unit cell of the PZT crystal having the ABO 3 type perovskite structure varies depending on the ratio of Ti and Zr as atoms entering the B site. When the Ti ratio is increased, the PZT crystal lattice becomes tetragonal, and when the Zr ratio is increased, the PZT crystal lattice becomes rhombohedral. When the composition ratio of Zr and Ti is adjusted, diffraction is performed at the diffraction intensity peak corresponding to the {200} plane of the PZT film 406 among the diffraction intensity peaks obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method. The position (2θ) where the intensity is maximum changes.

θ-2θ法は、X線回折としてよく用いられる測定法の1つである。θ-2θ法では、測定する試料基板面に対しθの角度でX線を入射させ、試料から反射してくるX線のうち、入射X線方向に対して2θの角度のX線を検出し、θを変化させたときの回折強度の変化を調べる。X線による回折では、ブラッグの条件(2dsinθ=nλ(λ:X線の波長、d:結晶面間隔、n:整数))を満足するときに回折強度が高くなるが、そのときの結晶面間隔(格子定数)と上記の2θとは対応関係にある。したがって、回折強度が高くなる2θの値に基づいて、X線が入射したサンプルの結晶構造を把握することができる。   The θ-2θ method is one of measurement methods often used as X-ray diffraction. In the θ-2θ method, X-rays are incident on the sample substrate surface to be measured at an angle of θ, and X-rays having an angle of 2θ with respect to the incident X-ray direction are detected among the X-rays reflected from the sample. , Θ is examined for changes in diffraction intensity when θ is changed. In X-ray diffraction, the diffraction intensity increases when the Bragg condition (2 dsin θ = nλ (λ: wavelength of X-ray, d: crystal plane spacing, n: integer)) is satisfied. (Lattice constant) and the above 2θ are in a correspondence relationship. Therefore, based on the value of 2θ at which the diffraction intensity increases, the crystal structure of the sample on which the X-rays are incident can be grasped.

図2は、X線回折のθ-2θ法による測定で得られる回折強度のピークのうち、PZT膜406の{200}面に対応する回折強度のピークの一例を示すグラフである。基板401の裏面をエッチング等により掘り加工する場合、堀加工した箇所に拘束物がない状態において、2θの範囲が44.45[°]以上44.75[°]以下になるようにすることが好ましい。PZT膜406において、{100}面に優先配向させる場合、2θをこの範囲内にするためには、Ti/(Zr+Ti)で表されるZrとTiとの組成比率を0.45以上0.55以下にすることが好ましい。また、ZrとTiとの組成比率を0.48以上0.52以下にすることがさらに好ましい。   FIG. 2 is a graph showing an example of a diffraction intensity peak corresponding to the {200} plane of the PZT film 406 among the diffraction intensity peaks obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method. When the back surface of the substrate 401 is dug by etching or the like, the range of 2θ should be 44.45 [°] or more and 44.75 [°] or less in a state where there is no restraint in the excavated portion. preferable. In the PZT film 406, when preferentially orienting the {100} plane, in order to make 2θ within this range, the composition ratio of Zr and Ti represented by Ti / (Zr + Ti) is 0.45 or more and 0.55. The following is preferable. More preferably, the composition ratio of Zr and Ti is 0.48 or more and 0.52 or less.

ZrとTiとの組成比率が上記下限値(0.45)より小さくなると、後述するドメイン回転の効果が十分でなくなるため、電気機械変換素子の歪変位を十分確保できなくなる。また、ZrとTiとの組成比率が上記上限値(0.55)より大きくなると、圧電効果が十分でなくなるため、やはり電気機械変換素子の歪変位を十分確保できなくなる。   If the composition ratio of Zr and Ti is smaller than the lower limit (0.45), the effect of domain rotation described later is not sufficient, so that sufficient strain displacement of the electromechanical transducer cannot be ensured. In addition, when the composition ratio of Zr and Ti is larger than the upper limit (0.55), the piezoelectric effect is not sufficient, so that sufficient strain displacement of the electromechanical transducer cannot be ensured.

また、ZrとTiとの組成比率により、X線回折のθ-2θ法による測定で得られる回折強度のピークの形状において、非対称が大きくなったり小さくなったりする。図3は、{100}面に優先配向させたPZT膜において、X線回折のθ-2θ法による測定で得られた回折強度のピークの形状の非対称性の度合いについて説明するグラフである。   Further, depending on the composition ratio of Zr and Ti, the asymmetry increases or decreases in the shape of the diffraction intensity peak obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method. FIG. 3 is a graph illustrating the degree of asymmetry of the peak shape of the diffraction intensity obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method in the PZT film preferentially oriented in the {100} plane.

図3(a)は、回折強度のピークの形状(図中G)の非対称性が大きい場合の一例である。この場合、PZT膜の結晶構造は、正方晶のa軸ドメイン構造と、c軸ドメイン構造と、菱面体晶、斜方晶、擬似立方晶のいずれかの構造との3つに帰属する。図中Gに示す回折強度のピークは、図中Hに示す正方晶のa軸ドメイン構造のものと、図中Jに示す正方晶のc軸ドメイン構造のものと、図中Iに示す菱面体晶、斜方晶、擬似立方晶のいずれかの構造のものを合わせたものである。正方晶のa軸ドメイン構造の回折強度のピーク位置と、正方晶のc軸ドメイン構造の回折強度のピーク位置とが大きく離れているのは、a軸とc軸の長さの差が大きいためである。また、正方晶のa軸ドメイン構造の回折強度のピークの最大値に対し、正方晶のc軸ドメイン構造の回折強度のピークの最大値が小さくなっているのは、PZT膜の膜厚方向において正方晶のa軸ドメイン構造の割合が多いからである。   FIG. 3A is an example in which the asymmetry of the diffraction intensity peak shape (G in the figure) is large. In this case, the crystal structure of the PZT film belongs to three structures: a tetragonal a-axis domain structure, a c-axis domain structure, and a rhombohedral, orthorhombic, or pseudocubic structure. The diffraction intensity peak indicated by G in the figure has a tetragonal a-axis domain structure indicated by H in the figure, a tetragonal c-axis domain structure indicated by J in the figure, and a rhombohedral shown by I in the figure. It is a combination of crystals, orthorhombic crystals, or pseudocubic structures. The reason why the peak position of the diffraction intensity of the tetragonal a-axis domain structure is far away from the peak position of the diffraction intensity of the tetragonal c-axis domain structure is that the difference in length between the a-axis and the c-axis is large. It is. The maximum value of the diffraction intensity peak of the tetragonal c-axis domain structure is smaller than the maximum value of the diffraction intensity peak of the tetragonal a-axis domain structure in the film thickness direction of the PZT film. This is because the ratio of the tetragonal a-axis domain structure is large.

一方、図3(b)は、回折強度のピークの形状(図中K)の非対称性が小さい場合の一例である。この場合、PZT膜の結晶構造は、正方晶のaドメインと、c軸ドメイン構造との2つに帰属する。図中Gに示す回折強度のピークは、図中Kに示す正方晶のa軸ドメイン構造のものと、図中Lに示す正方晶のc軸ドメイン構造のものを合わせたものである。正方晶のa軸ドメイン構造の回折強度のピーク位置と、正方晶のc軸ドメイン構造の回折強度のピーク位置とが近くなっているのは、a軸とc軸の長さの差が小さいためである。また、正方晶のa軸ドメイン構造の回折強度のピークの最大値と正方晶のc軸ドメイン構造の回折強度のピークの最大値とがほぼ同じになっているのは、PZT膜の膜厚方向において正方晶のa軸ドメイン構造と正方晶のc軸ドメイン構造との比率がほぼ同じためである。   On the other hand, FIG. 3B is an example when the asymmetry of the diffraction peak shape (K in the figure) is small. In this case, the crystal structure of the PZT film belongs to two of a tetragonal a domain and a c-axis domain structure. The peak of diffraction intensity indicated by G in the figure is a combination of the tetragonal a-axis domain structure indicated by K and the tetragonal c-axis domain structure indicated by L in the figure. The reason why the peak position of the diffraction intensity of the tetragonal a-axis domain structure is close to the peak position of the diffraction intensity of the tetragonal c-axis domain structure is that the difference in length between the a-axis and the c-axis is small. It is. The maximum value of the diffraction intensity peak of the tetragonal a-axis domain structure and the maximum value of the diffraction intensity peak of the tetragonal c-axis domain structure are substantially the same. This is because the ratio of the tetragonal a-axis domain structure to the tetragonal c-axis domain structure is substantially the same.

図4は、PZT膜の結晶構造の一例を模式的に表した図である。図中矢印は分極の向きを示している。図4(a)に示すように、実際の結晶は、方位の異なる分極を持つ領域からなる。図中において、図中の垂直方向に電界が形成されるとすると、分極方向が、図中の垂直方向である領域が正方晶のa軸ドメイン、水平方向である領域が正方晶のc軸ドメインである。なお、正方晶は、a軸とb軸の長さが等しくc軸のみ異なる。正方晶においては、a軸方向とb軸方向とは等価なので[100]方向および[010]方向とその逆方向の自発分極からなるドメインをa軸ドメインと呼び、[001]方向とその逆方向の自発分極からなるドメインをc軸ドメインと呼ぶ。   FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the crystal structure of the PZT film. The arrow in the figure indicates the direction of polarization. As shown in FIG. 4A, an actual crystal is composed of regions having different polarizations. In the figure, if an electric field is formed in the vertical direction in the figure, the region in which the polarization direction is the vertical direction in the figure is a tetragonal a-axis domain, and the region in the horizontal direction is a tetragonal c-axis domain. It is. In tetragonal crystals, the lengths of the a-axis and b-axis are equal and only the c-axis is different. In a tetragonal crystal, the a-axis direction and the b-axis direction are equivalent, and the domain composed of the spontaneous polarization in the [100] direction and the [010] direction and its opposite direction is called the a-axis domain, and the [001] direction and its opposite direction. A domain consisting of the spontaneous polarization is called a c-axis domain.

ドメインとドメインとの境界は、ドメイン壁と呼ばれる。このドメイン壁には、c軸ドメイン同士がドメイン壁によって隔てられた境界を有する180[°]ドメイン壁と、a軸ドメインとc軸ドメインとがドメイン壁によって隔てられた境界を有する90[°]ドメイン壁が存在する。図4(a)において、図中点線Sで示す領域は、180[°]ドメイン壁構造である。また、図中点線Rで示す領域は、90[°]ドメイン壁構造である。180[°]ドメイン壁構造の領域では、電圧を印加して電界を形成したときに、a軸ドメインの分極の向きが反転(180[°]ドメイン回転)する。   The boundary between domains is called a domain wall. The domain wall includes a 180 [°] domain wall having a boundary in which c-axis domains are separated from each other by a domain wall, and a 90 [°] having a boundary in which the a-axis domain and the c-axis domain are separated by a domain wall. There is a domain wall. In FIG. 4A, a region indicated by a dotted line S in the drawing has a 180 [°] domain wall structure. In addition, the region indicated by the dotted line R in the figure has a 90 [°] domain wall structure. In the region of the 180 [°] domain wall structure, when a voltage is applied to form an electric field, the polarization direction of the a-axis domain is reversed (180 [°] domain rotation).

図4(b)は、図4(a)の図中点線Rで示す領域を拡大したものである。90[°]ドメイン壁構造の領域では、正方晶のc軸ドメインに対してa軸方向に電界を形成すると、c軸ドメインの分極方向がa軸方向に変化し、ドメイン方向が90°回転する(90[°]ドメイン回転)という現象が生じる。c軸ドメインが90°回転してa軸ドメインになるので、a軸ドメインとc軸ドメインとの境界であるドメイン壁が移動する。   FIG. 4B is an enlarged view of the region indicated by the dotted line R in FIG. 4A. In the region of 90 [°] domain wall structure, when an electric field is formed in the a-axis direction with respect to the tetragonal c-axis domain, the polarization direction of the c-axis domain changes to the a-axis direction, and the domain direction rotates by 90 °. The phenomenon (90 [°] domain rotation) occurs. Since the c-axis domain rotates 90 ° to become the a-axis domain, the domain wall that is the boundary between the a-axis domain and the c-axis domain moves.

c軸方向からa軸方向への90[°]ドメイン回転は、c軸ドメインがa軸ドメインに接している90[°]ドメイン壁構造の領域でないと起こらない。つまり、c軸ドメイン同士が接している領域に対し、a軸方向に電界を形成しても90[°]ドメイン回転は起こらない。これは、電圧を印加して電界を形成した時には、まず、a軸ドメインが圧電効果による歪を生じ、この歪が90[°]ドメイン壁を介して隣接するc軸ドメインに伝わることでc軸ドメインの分極方向が電界形成方向に回転するからである。   The 90 [°] domain rotation from the c-axis direction to the a-axis direction does not occur unless the c-axis domain is a region of a 90 [°] domain wall structure in contact with the a-axis domain. That is, even if an electric field is formed in the a-axis direction with respect to a region where the c-axis domains are in contact with each other, 90 [°] domain rotation does not occur. This is because, when an electric field is formed by applying a voltage, first, the a-axis domain is distorted by the piezoelectric effect, and this distortion is transmitted to the adjacent c-axis domain via the 90 [°] domain wall. This is because the domain polarization direction rotates in the direction of electric field formation.

圧電効果による歪に比べて、90°ドメイン回転などの非180[°]ドメイン回転による歪は大きくなる。つまり、電気機械変換素子において非180[°]ドメイン回転を効率よく生じさせることができれば、電気機械変換素子の歪変位を向上させることができる。なお、本明細書において、単に「ドメイン回転の効果」という場合は、非180[°]ドメイン回転の効果のことを指す。   Compared with the distortion caused by the piezoelectric effect, the distortion caused by non-180 [°] domain rotation such as 90 ° domain rotation becomes larger. That is, if the non-180 [°] domain rotation can be efficiently generated in the electromechanical transducer, the strain displacement of the electromechanical transducer can be improved. In this specification, the term “domain rotation effect” simply refers to a non-180 [°] domain rotation effect.

図3(a)に示すような回折強度のピークの形状の非対称性が大きいPZT膜を用いた場合には、図3(b)に示すような非対称性が小さいPZT膜を用いた場合と比べて、電気機械変換素子の歪変位が大きくなることが分かっている。これは、正方晶と菱面体晶との異なる結晶構造を混在させることで、非180[°]ドメイン壁の密度を高くし、非180[°]ドメイン回転を効率よく生じさせることができるためと考えられている。   When a PZT film having a large asymmetry of the diffraction intensity peak shape as shown in FIG. 3A is used, compared with a case where a PZT film having a small asymmetry as shown in FIG. Thus, it is known that the strain displacement of the electromechanical transducer is increased. This is because by mixing different crystal structures of tetragonal and rhombohedral crystals, the density of non-180 [°] domain walls can be increased and non-180 [°] domain rotation can be efficiently generated. It is considered.

θ-2θ法は、測定する膜の基板面上のある点での膜厚方向において、結晶面の間隔がどのように分布しているかを判断するために用いる。このため、上記基板面上のある点から基板面水平方向に微小に移動した点では、膜厚方向において結晶面の間隔がどのように分布しているか判断することはできない。これを判断するためには、さらにロッキングカーブ法による測定を行う必要がある。なお、ロッキングカーブ法は、X線の入射角度と検出器の角度(2θ)はθ-2θ法による測定で回折強度が最大となる位置に固定し、試料基板面と入射X線の角度(ω)のみをθ付近で微小に変化させて回折強度を測定するものである。   The θ-2θ method is used to determine how the crystal plane spacing is distributed in the film thickness direction at a certain point on the substrate surface of the film to be measured. For this reason, it is impossible to determine how the crystal plane intervals are distributed in the film thickness direction at a point that is slightly moved in the horizontal direction of the substrate surface from a certain point on the substrate surface. In order to judge this, it is necessary to further perform measurement by the rocking curve method. In the rocking curve method, the incident angle of the X-ray and the detector angle (2θ) are fixed at a position where the diffraction intensity is maximum as measured by the θ-2θ method, and the angle between the sample substrate surface and the incident X-ray (ω ) Is slightly changed in the vicinity of θ to measure the diffraction intensity.

また、測定する膜の結晶成長方向は、膜の基板面に対し垂直になっているとは限らない。膜の結晶成長方向が膜の基板面に対し垂直ではない場合、結晶面は基板面に対して傾く。この傾きの程度を判断するためには、θ-2θ法による測定で回折強度が最大となる位置(2θ)において、さらにあおり角(χ)を振った測定を行う必要がある。なお、「あおり角」とは、電気機械変換膜に含まれる結晶の(lmn)(l、m、nは、0又は1)面が、(lmn)面と平行な面に対して傾きを有する際、(lmn)面と傾きを有する面との間でなす角度を指すものとする。   Further, the crystal growth direction of the film to be measured is not necessarily perpendicular to the substrate surface of the film. When the crystal growth direction of the film is not perpendicular to the substrate surface of the film, the crystal surface is inclined with respect to the substrate surface. In order to determine the degree of this inclination, it is necessary to perform measurement with a further tilt angle (χ) at a position (2θ) where the diffraction intensity is maximized in the measurement by the θ-2θ method. The “tilt angle” means that the (lmn) (l, m, n is 0 or 1) plane of the crystal contained in the electromechanical conversion film is inclined with respect to a plane parallel to the (lmn) plane. In this case, the angle formed between the (lmn) plane and the inclined plane is assumed.

{100}面に優先配向させたPZT膜において、図3(a)に示すようにX線回折のθ-2θ法による測定で得られた回折強度のピークの形状の非対称性が大きくなったものについて、さらにあおり角を振った測定を行った。図5は、このようなPZT膜において、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で連続的に変化させたときの回折強度曲線の例である。θ-2θ法による測定で得られた回折強度のピークのうち、{100}面に対応する回折強度のピークの回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角を振った。図中、あおり角(χ)を横軸に、測定面から反射されてくる回折X線の回折強度を縦軸にしている。   In a PZT film preferentially oriented in the {100} plane, asymmetry of the peak shape of the diffraction intensity obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method is increased as shown in FIG. Further, the measurement was performed with the tilt angle changed. FIG. 5 is an example of a diffraction intensity curve when the tilt angle (χ) is continuously changed in a range of ± 15 [°] in such a PZT film. Of the diffraction intensity peaks obtained by the measurement by the θ-2θ method, the tilt angle was swung at the position (2θ) where the diffraction intensity peak corresponding to the {100} plane was maximum. In the figure, the tilt angle (χ) is on the horizontal axis and the diffraction intensity of the diffracted X-rays reflected from the measurement surface is on the vertical axis.

図5(a)に示す回折強度曲線は、回折強度のピークの形状が「正規分布」のような形状をしているものの例である。図5(b)に示す回折強度曲線は、回折強度のピークの形状が2以上の屈曲点を有する形状をしているものの例である。図5(b)に示すように、回折強度のピークの形状が、点Aおよび点Bにおいて屈曲した形状になっている。また、図5(c)に示す回折強度曲線は、回折強度のピークの形状が2以上の極大点を有する形状をしているものの例である。図5(c)に示すように、回折強度のピークの形状が、点Cおよび点Dにおいて極大になり、点CとDに挟まれた点Eにおいて極小となっている。   The diffraction intensity curve shown in FIG. 5A is an example in which the peak shape of the diffraction intensity has a shape like a “normal distribution”. The diffraction intensity curve shown in FIG. 5B is an example in which the peak shape of the diffraction intensity has a shape having two or more bending points. As shown in FIG. 5B, the peak shape of the diffraction intensity is bent at points A and B. Further, the diffraction intensity curve shown in FIG. 5C is an example in which the shape of the peak of the diffraction intensity has a shape having a maximum point of 2 or more. As shown in FIG. 5 (c), the peak shape of the diffraction intensity is maximized at points C and D, and is minimized at point E sandwiched between points C and D.

さらに、図5(a)〜(c)の特性を有するPZT膜を用いた電気機械変換素子において、それぞれ歪変位を測定した。その結果、図5(b)、(c)に示す特性を有するPZT膜を用いた場合、図5(a)に示す特性を有するPZT膜を用いた場合と比べて歪変位が大きくなることが分かった。   Furthermore, in the electromechanical transducer using the PZT film having the characteristics shown in FIGS. 5A to 5C, strain displacement was measured. As a result, when the PZT film having the characteristics shown in FIGS. 5B and 5C is used, the strain displacement is larger than when the PZT film having the characteristics shown in FIG. 5A is used. I understood.

図6は、PZT膜406の結晶構造を模式的に示す図である。図6(a)は、PZT膜406の基板面に対し結晶面の傾きが小さい場合を示す。また、図6(b)は、PZT膜406の基板面に対し結晶面の傾きが大きい場合を示す。図5(a)の特性を有するPZT膜では、図6(a)に示すように、PZT膜406の基板面に対する結晶面の傾きは小さいと考えられる。一方、図5(b)、(c)に示す特性を有するPZT膜では、図6(b)に示すように、PZT膜406の基板面に対する結晶面の傾きは大きいと考えられる。   FIG. 6 is a diagram schematically showing the crystal structure of the PZT film 406. FIG. 6A shows a case where the tilt of the crystal plane is small with respect to the substrate surface of the PZT film 406. FIG. 6B shows a case where the crystal plane has a large inclination with respect to the substrate surface of the PZT film 406. In the PZT film having the characteristics shown in FIG. 5A, the tilt of the crystal plane with respect to the substrate surface of the PZT film 406 is considered to be small as shown in FIG. On the other hand, in the PZT film having the characteristics shown in FIGS. 5B and 5C, the inclination of the crystal plane with respect to the substrate surface of the PZT film 406 is considered to be large as shown in FIG. 6B.

PZT膜406の基板面に対する結晶面の傾きが大きくなると、結晶格子にゆがみが発生すると考えられる。理由の詳細はよく分かっていないが、結晶格子にこのようなゆがみが発生すると、非180[°]ドメイン壁の密度が高くなり、ドメイン回転の効果を高めることができると考えられている。図5(b)、(c)に示す特性を有するPZT膜を用いた場合に、図5(a)に示す特性を有するものを用いた場合と比べて電気機械変換素子の歪変位が大きくなるのは、ドメイン回転の効果によるものと考えられる。   When the inclination of the crystal plane with respect to the substrate surface of the PZT film 406 increases, it is considered that the crystal lattice is distorted. Although the details of the reason are not well understood, it is considered that when such distortion occurs in the crystal lattice, the density of non-180 [°] domain walls increases and the effect of domain rotation can be enhanced. When a PZT film having the characteristics shown in FIGS. 5B and 5C is used, the strain displacement of the electromechanical transducer becomes larger than when a film having the characteristics shown in FIG. 5A is used. This is probably due to the effect of domain rotation.

図5(b)において、2つの屈曲点のうち、回折強度が大きい方の点(図中点A)での膜表面と入射X線の角度をχ_max、他方の点(図中点B)での膜表面と入射X線の角度をχ_2ndとしたときに、|χ_max−χ_2nd|が2[°]以上10[°]以下であることが好ましく、4[°]以上8[°]以下であることがさらに好ましい。   In FIG. 5B, the angle between the film surface and the incident X-ray at the point where the diffraction intensity is larger (point A in the figure) of the two bending points is χ_max, and the other point (point B in the figure). | Χ_max−χ_2nd | is preferably 2 [°] or more and 10 [°] or less, preferably 4 [°] or more and 8 [°] or less, where χ_2nd is the angle between the film surface and incident X-ray. More preferably.

図5(c)において、2つの極大点のうち、回折強度が大きい方の点(図中点C)での回折強度をI{100}_max_2、2つの極大点に挟まれた極小点(図中点E)での回折強度をI{100}_min_2としたときに、I{100}_min_2/I{100}_max_2が0.5以上であることが好ましく、0.7以上であることがさらに好ましい。
また、2つの極大点のうち、回折強度が大きい方の点での試料基板面と入射X線の角度をχ_max、他方の点での試料基板面と入射X線の角度をχ_2ndとしたときに、|χ_max_2−χ_2nd_2|が2[°]以上8[°]以下であることが好ましく、4[°]以上6[°]以下であることがさらに好ましい。
In FIG. 5 (c), the diffraction intensity at the point where the diffraction intensity is larger (point C in the figure) out of the two local maximum points is I {100} _max_2, and the local minimum point (see FIG. When the diffraction intensity at the middle point E) is I {100} _min_2, I {100} _min_2 / I {100} _max_2 is preferably 0.5 or more, and more preferably 0.7 or more. preferable.
Also, when the angle between the sample substrate surface and the incident X-ray at the point where the diffraction intensity is larger among the two maximum points is χ_max, and the angle between the sample substrate surface and the incident X-ray at the other point is χ_2nd. , | Χ_max_2−χ_2nd_2 | is preferably 2 [°] or more and 8 [°] or less, and more preferably 4 [°] or more and 6 [°] or less.

I{100}_min_2/I{100}_max_2を、上で規定した下限値(0.5)よりも小さくなると、局所的に歪変位が大きくなる。このため、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、PZT膜406にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなる。連続駆動によってこのような欠陥が発生すると、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。   When I {100} _min_2 / I {100} _max_2 is smaller than the lower limit value (0.5) defined above, strain displacement locally increases. For this reason, when the electromechanical conversion element is continuously driven as a piezoelectric actuator, there is a high possibility that defects such as cracks occur in the PZT film 406. When such a defect occurs due to continuous driving, the strain displacement after driving decreases with respect to the initial strain displacement.

また、|χ_max−χ_2nd|および|χ_max_2−χ_2nd_2|を、上で規定した下限値(いずれも2[°])よりも小さくなると、PZT膜の結晶構造のゆがみが小さくなるので、ドメイン回転の効果が小さくなり電気機械変換素子において十分な歪変位が得られない。|ω_max−ω_2nd|および|ω_max_2−ω_2nd_2|が上で規定した上限値(それぞれ10[°]、8[°])よりも大きくなると、PZT膜の結晶構造のゆがみが大きくなるので、ドメイン回転による歪変位を大きくできる。しかし、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、PZT膜406にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなり、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。   Also, if | χ_max−χ_2nd | and | χ_max_2−χ_2nd_2 | are smaller than the lower limit values defined above (both 2 [°]), the distortion of the crystal structure of the PZT film is reduced, so that the effect of domain rotation is reduced. Becomes small and sufficient strain displacement cannot be obtained in the electromechanical transducer. When | ω_max−ω_2nd | and | ω_max_2−ω_2nd_2 | are larger than the upper limit values defined above (10 [°] and 8 [°], respectively), the distortion of the crystal structure of the PZT film increases. The strain displacement can be increased. However, when the electromechanical transducer is continuously driven as a piezoelectric actuator, there is a high possibility that a defect such as a crack occurs in the PZT film 406, and the strain displacement after driving is reduced with respect to the initial strain displacement.

図5(b)、(c)に示す特性を有する場合は、半値幅(FWHM)は、6[°]以上16[°]以下にあることが好ましく、さらに好ましくは8°以上12°以下になる。半値幅が下限値(6[°])より小さくなると、PZT膜の結晶構造のゆがみが小さくなるので、ドメイン回転の効果が小さくなり電気機械変換素子において十分な歪変位が得られない。また、半値幅が上限値(16[°])よりも大きくなると、PZT膜の結晶構造のゆがみが大きくなるので、ドメイン回転による歪変位を大きくできる。しかし、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、PZT膜406にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなり、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。ここで、半値幅とは、あおり角(χ)を振ったときに得られた回折強度のピークにおいて、回折強度が最大値の半分の値になるχの幅をいう。   When having the characteristics shown in FIGS. 5B and 5C, the full width at half maximum (FWHM) is preferably 6 [°] or more and 16 [°] or less, and more preferably 8 ° or more and 12 ° or less. Become. When the full width at half maximum is smaller than the lower limit (6 [°]), the distortion of the crystal structure of the PZT film is reduced, so that the effect of domain rotation is reduced and sufficient strain displacement cannot be obtained in the electromechanical transducer. Further, when the half width is larger than the upper limit value (16 [°]), the distortion of the crystal structure of the PZT film increases, so that the strain displacement due to the domain rotation can be increased. However, when the electromechanical transducer is continuously driven as a piezoelectric actuator, there is a high possibility that a defect such as a crack occurs in the PZT film 406, and the strain displacement after driving is reduced with respect to the initial strain displacement. Here, the half width refers to the width of χ at which the diffraction intensity is half the maximum value at the peak of the diffraction intensity obtained when the tilt angle (χ) is swung.

I{hkl}を、h、k、lを任意の正の整数とし、ある{hkl}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度を積分した値とする。また、ΣI{hkl}を、I{hkl}の総和とする。ΣI{hkl}に対するI{hkl}の比率ρ{hkl}(=I{hkl}/ΣI{hkl})は、{hkl}面における配向度を示している。ρ{hkl}は、0.75以上であることが好ましく、0.85以上であることがさらに好ましい。ρ{hkl}が0.75よりも小さくなると、圧電効果による歪変位が十分得られないので電気機械変換素子の変位量が十分に確保できなくなる。   Let I {hkl} be a value obtained by integrating the diffraction intensity at the peak of the diffraction intensity corresponding to a certain {hkl} plane, where h, k, and l are arbitrary positive integers. Also, ΣI {hkl} is the sum of I {hkl}. The ratio ρ {hkl} (= I {hkl} / ΣI {hkl}) of I {hkl} to ΣI {hkl} indicates the degree of orientation in the {hkl} plane. ρ {hkl} is preferably 0.75 or more, and more preferably 0.85 or more. If ρ {hkl} is smaller than 0.75, a sufficient strain displacement due to the piezoelectric effect cannot be obtained, so that a sufficient amount of displacement of the electromechanical transducer cannot be secured.

ここで、絶縁保護膜や引き出し配線を含めた電気機械変換素子の詳細構造について説明する。
図7は、絶縁保護膜や引き出し配線を含めた素子構成の概略構成を示す図である。第1絶縁保護膜500は図中点線Fで示す領域にコンタクトホールを有しており、第1電極405および第1酸化物層408が第5電極(共通電極配線)501と、第2電極407および第2酸化物層409が第6電極(個別電極配線)502とそれぞれ導通した構成となっている。また、第5電極501および第6電極502を保護する第2絶縁保護膜503が形成されている。第2絶縁保護膜503の一部は開口していて、開口には電極パッドが設けられている。第5電極用に作製された電極パッドを第5電極パッド504、第6電極用に作製された電極パッドを第6電極パッド505としている。
Here, the detailed structure of the electromechanical conversion element including the insulating protective film and the lead wiring will be described.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of an element configuration including an insulating protective film and a lead wiring. The first insulating protective film 500 has a contact hole in a region indicated by a dotted line F in the figure, and the first electrode 405 and the first oxide layer 408 include a fifth electrode (common electrode wiring) 501 and a second electrode 407. The second oxide layer 409 is electrically connected to the sixth electrode (individual electrode wiring) 502. A second insulating protective film 503 that protects the fifth electrode 501 and the sixth electrode 502 is formed. A part of the second insulating protective film 503 is opened, and an electrode pad is provided in the opening. An electrode pad manufactured for the fifth electrode is referred to as a fifth electrode pad 504, and an electrode pad manufactured for the sixth electrode is referred to as a sixth electrode pad 505.

第1絶縁保護膜500は、成膜・エッチング工程による電気機械変換素子へのダメージを防ぐ保護膜としての役割があるとともに、大気中の水分が透過するのを防ぐ役割もある。第1絶縁保護膜500の膜厚は薄くする必要があるが、これは膜厚を厚くすると振動板の振動変位を著しく阻害され、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになるからである。このため、第1絶縁保護膜500には、酸化物,窒化物,炭化物など緻密な無機材料を選定するのが好ましい。なお、有機材料は、膜厚を厚くしないと十分な保護性能が得られないので第1絶縁保護膜500の材料としては適さない。   The first insulating protective film 500 serves as a protective film for preventing damage to the electromechanical conversion element due to the film formation / etching process, and also serves to prevent moisture in the atmosphere from permeating. The film thickness of the first insulating protective film 500 needs to be reduced, but this is because if the film thickness is increased, the vibration displacement of the diaphragm is significantly hindered, resulting in a droplet discharge head having a low discharge performance. For this reason, it is preferable to select a dense inorganic material such as oxide, nitride, or carbide for the first insulating protective film 500. An organic material is not suitable as a material for the first insulating protective film 500 because sufficient protection performance cannot be obtained unless the film thickness is increased.

また、第1絶縁保護膜500の材料としては、下地となる電極材料、電気機械変換膜材料および振動板材料との密着性が高いものを選定する必要がある。第1絶縁保護膜500の成膜法としては、プラズマCVD法やスパッタ法は電気機械変換素子を損傷する可能性があるので好ましくなく、蒸着や原子層堆積法(ALD法)などが好ましい。ALD法は、使用できる材料の選択肢が広がる点についてものでより好ましい。例えば、セラミックス材料に用いられるAl,ZrO,Y,Ta,TiOなどが使用できる。これらの材料を用いてALD法により成膜を行うことで、膜密度が非常に高く、成膜・エッチング工程中のダメージを良好に抑制できる薄膜の作製が可能となる。 In addition, as the material of the first insulating protective film 500, it is necessary to select a material having high adhesion to the electrode material, the electromechanical conversion film material, and the diaphragm material as a base. As the film formation method of the first insulating protective film 500, the plasma CVD method and the sputtering method are not preferable because they may damage the electromechanical conversion element, and vapor deposition, atomic layer deposition method (ALD method), and the like are preferable. The ALD method is more preferable because of the wide range of materials that can be used. For example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , TiO 2 and the like used for ceramic materials can be used. By using these materials to form a film by the ALD method, it is possible to produce a thin film having a very high film density and capable of satisfactorily suppressing damage during the film formation / etching process.

第1絶縁保護膜500の膜厚は20[nm]以上100[nm]以下の範囲とするのが好ましい。第1絶縁保護膜500の膜厚を100[nm]よりも厚くした場合には、上述したように吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになる。一方、第1絶縁保護膜500の膜厚を20[nm]より薄くした場合には、保護層としての機能が不足し電気機械変換素子の性能が低下してしまう。   The thickness of the first insulating protective film 500 is preferably in the range of 20 [nm] to 100 [nm]. When the film thickness of the first insulating protective film 500 is greater than 100 [nm], as described above, a droplet discharge head with low discharge performance is obtained. On the other hand, when the thickness of the first insulating protective film 500 is made thinner than 20 [nm], the function as the protective layer is insufficient and the performance of the electromechanical conversion element is degraded.

第1絶縁保護膜500を二層にする構成も可能である。例えば、一層目の絶縁保護膜を薄くし、二層目の絶縁保護膜を厚くした場合、振動板402の振動変位が阻害されないようにするために、第1酸化物層408付近において、二層目の絶縁保護膜を開口にする。このとき二層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物,窒化物,炭化物またはこれらの複合化合物を用いることができるので、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることができる。成膜には、CVD法,スパッタ法など任意の成膜法の使用が可能だが、電極形成部などパターン形成部での段差被覆が必要であることを考慮すると、等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。 A configuration in which the first insulating protective film 500 has two layers is also possible. For example, when the first insulating protective film is made thinner and the second insulating protective film is made thicker, two layers are formed in the vicinity of the first oxide layer 408 so that the vibration displacement of the diaphragm 402 is not hindered. Open the insulating protective film of the eye. At this time, any oxide, nitride, carbide, or a composite compound thereof can be used as the second insulating protective film, and therefore, SiO 2 generally used in semiconductor devices can be used. For film formation, any film formation method such as CVD or sputtering can be used. However, in consideration of the necessity of step coverage at the pattern formation part such as the electrode formation part, CVD that can be formed isotropically is possible. The method is preferably used.

二層目の絶縁保護膜の膜厚は、第5電極501と第6電極502に印加される電圧により形成される電界によって絶縁破壊されない範囲にする必要がある。第1絶縁保護膜500の下地における表面の状態やピンホール等を考慮すると、膜厚は200[nm]以上は必要であり、さらに500[nm]以上にするのが好ましい。   The film thickness of the second insulating protective film needs to be in a range that does not cause dielectric breakdown by an electric field formed by the voltage applied to the fifth electrode 501 and the sixth electrode 502. In consideration of the surface state of the base of the first insulating protective film 500, pinholes, and the like, the film thickness needs to be 200 [nm] or more, and more preferably 500 [nm] or more.

第5電極501および第6電極502には、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかから成る金属電極材料を用いるのが好ましい。作製方法としては、例えば、スパッタ法、スピンコート法を用いて成膜した後、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、0.1[μm]以上20[μm]以下が好ましく、0.2[μm]以上10[μm]以下がさらに好ましい。膜厚が0.2[μm]より小さいと、膜の抵抗が大きくなって電極に十分な電流を流すことができなくなることから、液滴吐出ヘッドの吐出が不安定になる。一方、膜厚が10[μm]より大きいと電極を作成するためのプロセス時間が長くなる。   For the fifth electrode 501 and the sixth electrode 502, it is preferable to use a metal electrode material made of any one of an Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, and Ir. As a manufacturing method, for example, after forming a film using a sputtering method or a spin coating method, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like. The film thickness is preferably from 0.1 [μm] to 20 [μm], and more preferably from 0.2 [μm] to 10 [μm]. When the film thickness is smaller than 0.2 [μm], the resistance of the film increases, and a sufficient current cannot flow through the electrode, so that the discharge of the droplet discharge head becomes unstable. On the other hand, when the film thickness is larger than 10 [μm], the process time for producing the electrode becomes long.

第5電極501および第6電極502の、コンタクトホール部(10[μm]×10[μm])での接触抵抗は、第5電極501では10[Ω]以下、第6電極502では1[Ω]以下が好ましい。また、第5電極501では5[Ω]以下、第6電極502では0.5[Ω]以下とすることがさらに好ましい。第5電極501および第6電極502の接触抵抗が上述した上限値(それぞれ、10[Ω]、1[Ω])を超えると、電極に十分な電流を供給することが出来なくなり、液滴吐出ヘッドの吐出性能が低下する。   The contact resistance of the fifth electrode 501 and the sixth electrode 502 at the contact hole portion (10 [μm] × 10 [μm]) is 10 [Ω] or less for the fifth electrode 501 and 1 [Ω for the sixth electrode 502. The following is preferable. Further, it is more preferable that the fifth electrode 501 is 5 [Ω] or less, and the sixth electrode 502 is 0.5 [Ω] or less. When the contact resistance between the fifth electrode 501 and the sixth electrode 502 exceeds the above-described upper limit values (10 [Ω] and 1 [Ω], respectively), it becomes impossible to supply sufficient current to the electrodes, and droplet discharge The ejection performance of the head decreases.

第2絶縁保護膜503には、第6電極502や第5電極501を保護する保護層としての役割がある。第2絶縁保護膜503の材料としては、任意の無機材料、有機材料の使用が可能であるが、透湿性の低い材料を選定するようにしたほうがよい。例えば、無機材料であれば、酸化物、窒化物または炭化物、有機材料であればポリイミド、アクリル樹脂またはウレタン樹脂などが挙げられる。ただし、有機材料は膜厚を厚くする必要があり後述するパターニングには適さないので、無機材料を選定するのが好ましい。無機材料の中でも特に、半導体デバイスにおいてAl配線上に形成させる実績の多いSiを用いることが好ましい。また、第2絶縁保護膜503の膜厚は200[nm]以上とすることが好ましく、500[nm]以上にするのがさらに好ましい。膜厚を薄くすると、十分なパシベーション機能を発揮できなくなり、第6電極502や第5電極501の腐食による断線が発生しやすくなるなど液滴吐出ヘッドの信頼性の低下につながる。 The second insulating protective film 503 serves as a protective layer for protecting the sixth electrode 502 and the fifth electrode 501. As the material of the second insulating protective film 503, any inorganic material or organic material can be used. However, it is better to select a material having low moisture permeability. For example, in the case of an inorganic material, an oxide, a nitride, or a carbide, and in the case of an organic material, polyimide, an acrylic resin, or a urethane resin can be used. However, it is preferable to select an inorganic material because the organic material needs to be thick and is not suitable for patterning described later. Among inorganic materials, it is preferable to use Si 3 N 4, which has a proven track record for forming on Al wiring in semiconductor devices. The thickness of the second insulating protective film 503 is preferably 200 [nm] or more, and more preferably 500 [nm] or more. When the film thickness is reduced, a sufficient passivation function cannot be exhibited, and disconnection due to corrosion of the sixth electrode 502 and the fifth electrode 501 is likely to occur, leading to a decrease in the reliability of the droplet discharge head.

電気機械変換素子上およびその周囲の振動板402上には、開口部を設けるようにすることが好ましい。これは、上述の第1絶縁保護膜500において、個別液室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、液滴吐出ヘッドの吐出性能および信頼性を高めることが可能になる。第1絶縁保護膜500、第2絶縁保護膜503で圧電素子が保護されているため、開口部の形成にはフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いることが可能である。   It is preferable to provide an opening on the electromechanical transducer and on the surrounding diaphragm 402. This is the same reason that the individual liquid chamber region is thinned in the first insulating protective film 500 described above. Thereby, it becomes possible to improve the discharge performance and reliability of the droplet discharge head. Since the piezoelectric element is protected by the first insulating protective film 500 and the second insulating protective film 503, photolithography and dry etching can be used to form the opening.

第5電極パッド504および第6電極パッド505の面積は、50×50[μm]以上になっていることが好ましく、100×300[μm]以上になっていることがさらに好ましい。第5電極パッド504および第6電極パッド505の面積が50×50[μm]よりも小さい場合、十分な分極処理ができなくなることから、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、初期の歪変位に対して駆動後の歪変位が徐々に低下してしまうなど、耐久性の点での問題がある。 The area of the fifth electrode pad 504 and the sixth electrode pad 505 is preferably 50 × 50 [μm 2 ] or more, and more preferably 100 × 300 [μm 2 ] or more. When the area of the fifth electrode pad 504 and the sixth electrode pad 505 is smaller than 50 × 50 [μm 2 ], sufficient polarization processing cannot be performed. Therefore, when the electromechanical transducer is continuously driven as a piezoelectric actuator. There is a problem in durability, such as the strain displacement after driving gradually decreases with respect to the initial strain displacement.

作製された圧電素子に対し分極処理装置を用いて分極処理を行った。図8は、分極処理装置の概略構成を示す図である。分極処理装置は、コロナ電極600とグリッド電極601、およびサンプルをセットするステージ602などを具備している。コロナ電極600にはコロナ電源603、グリッド電極601にはグリッド電極電源604が接続されている。ステージ602には温調機能が付加されている。この温調機能によって、最大350[℃]くらいまで温度をかけながら分極処理を行うことが出来る。また、ステージ602は接地されている。コロナ電極600に高い電圧を印加したときに、コロナ放電600により発生するイオンや電荷等が下部に設置されたサンプルに効率よく降り注ぐように、グリッド電極601にはメッシュ加工が施されている。コロナ電極600やグリッド電極601に印加される電圧や、サンプルと各電極との間の距離を変えることによって、コロナ放電の強弱を調整することが可能である。   Polarization processing was performed on the manufactured piezoelectric element using a polarization processing apparatus. FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the polarization processing apparatus. The polarization processing apparatus includes a corona electrode 600, a grid electrode 601, a stage 602 for setting a sample, and the like. A corona power source 603 is connected to the corona electrode 600, and a grid electrode power source 604 is connected to the grid electrode 601. A temperature control function is added to the stage 602. By this temperature control function, polarization treatment can be performed while applying a temperature up to about 350 [° C.]. The stage 602 is grounded. The grid electrode 601 is meshed so that, when a high voltage is applied to the corona electrode 600, ions, charges, and the like generated by the corona discharge 600 are efficiently poured onto the sample placed below. By changing the voltage applied to the corona electrode 600 and the grid electrode 601 and the distance between the sample and each electrode, it is possible to adjust the strength of the corona discharge.

分極処理による分極の状態については、図9に示すP−Eヒステリシスループから判断している。電気機械変換膜に±150[kV/cm]の電界強度かけてヒステリシスループを測定する。図9において、最初の0[kV/cm]時の分極をPindとし、+150[kV/cm]の電圧印加後0[kV/cm]まで戻したときの0[kV/cm]時の分極をPrとする。PrからPindを引いた値(Pr−Pind)を分極率と定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断している。   The state of polarization by the polarization process is determined from the PE hysteresis loop shown in FIG. A hysteresis loop is measured by applying an electric field strength of ± 150 [kV / cm] to the electromechanical conversion film. In FIG. 9, the first polarization at 0 [kV / cm] is defined as Pind, and the polarization at 0 [kV / cm] when the voltage is returned to 0 [kV / cm] after applying a voltage of +150 [kV / cm]. Let it be Pr. A value obtained by subtracting Pin from Pr (Pr−Pind) is defined as a polarizability, and whether the polarization state is good or bad is determined from this polarizability.

図9(a)に示すように、分極処理を行う前は、分極率が約15[μC/cm]であるが、図9(b)に示すように、分極処理を行った後は、分極率が約2[μC/cm]となっている。分極率が10[μC/cm]以下となっていることが好ましく、5[μC/cm]以下となっていることがさらに好ましい。分極率が10[μC/cm]以上であると、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、初期の歪変位に対して駆動後の歪変位が徐々に低下してしまうなど、耐久性の点での問題がある。上述した方法でコロナ放電の強弱を調整することにより、所望の分極率を得ることができる。 As shown in FIG. 9 (a), the polarization rate is about 15 [μC / cm 2 ] before the polarization process is performed, but after the polarization process is performed as shown in FIG. 9 (b), The polarizability is about 2 [μC / cm 2 ]. The polarizability is preferably 10 [μC / cm 2 ] or less, and more preferably 5 [μC / cm 2 ] or less. When the polarizability is 10 [μC / cm 2 ] or more, when the electromechanical transducer is continuously driven as a piezoelectric actuator, the strain displacement after driving gradually decreases with respect to the initial strain displacement. There is a problem in terms of durability. A desired polarizability can be obtained by adjusting the intensity of corona discharge by the method described above.

図10に示すように、コロナ電極600を用いてコロナ放電させる場合、大気中の分子がイオン化されて陽イオンが発生する。この陽イオンが電極の第5電極パッド504(図7参照)を介して電気機械変換素子400に流れ込み電荷を蓄積させる。図7に示す電気機械変換素子400において、上部電極である第2電極407と下部電極である第1電極405に蓄積された電荷量の差により電気機械変換素子の上下に電位差が生じることで、分極処理が行われると考えられている。分極処理に必要な電荷量Qは、1E−8[C]以上であることが好ましく、4E−8[C]以上とするのがさらに好ましい。電荷量Qが1E−8[C]に満たないと分極処理が十分に行われないので、電気機械変換素子をアクチュエータとして連続駆動させたときに、十分な歪変位特性が得られなくなる。   As shown in FIG. 10, when corona discharge is performed using the corona electrode 600, molecules in the atmosphere are ionized to generate cations. This cation flows into the electromechanical transducer 400 through the fifth electrode pad 504 (see FIG. 7) of the electrode, and charges are accumulated. In the electromechanical transducer 400 shown in FIG. 7, a potential difference is generated above and below the electromechanical transducer due to the difference in the amount of charge accumulated in the second electrode 407 that is the upper electrode and the first electrode 405 that is the lower electrode. It is believed that polarization processing is performed. The amount of charge Q required for the polarization treatment is preferably 1E-8 [C] or more, and more preferably 4E-8 [C] or more. If the charge amount Q is less than 1E-8 [C], the polarization process is not sufficiently performed. Therefore, when the electromechanical transducer is continuously driven as an actuator, sufficient strain displacement characteristics cannot be obtained.

次に、本発明に係る実施形態におけるより具体的な実施例について、比較例とともに説明する。   Next, more specific examples in the embodiment according to the present invention will be described together with comparative examples.

[実施例1]
基板としての6インチシリコンウェハ上に、振動板としてSiO膜(膜厚:約1.0[μm])を形成した。このSiO膜上に、スパッタ法により350[℃]でTi膜(膜厚:約20[nm])成膜し、RTA(急速熱処理)により750[℃]で熱酸化した。引き続き、第1電極(下部電極)としてPt膜(膜厚:約160[nm])をスパッタ法により約300[℃]で成膜した。Ti膜を熱酸化したTiO膜は、SiO膜とPt膜との間の密着層としての役割を持つ。
[Example 1]
An SiO 2 film (film thickness: about 1.0 [μm]) was formed as a vibration plate on a 6-inch silicon wafer as a substrate. On this SiO 2 film, a Ti film (film thickness: about 20 [nm]) was formed at 350 [° C.] by sputtering, and thermally oxidized at 750 [° C.] by RTA (rapid heat treatment). Subsequently, a Pt film (film thickness: about 160 [nm]) was formed as a first electrode (lower electrode) at about 300 [° C.] by sputtering. The TiO 2 film obtained by thermally oxidizing the Ti film serves as an adhesion layer between the SiO 2 film and the Pt film.

次に、PZT膜の下地層となる第1酸化物層であるPbTiO(PT)層の材料としてPb:Ti=1:1の組成比で調合したPT塗布液を準備した。また、PZT膜の材料としてPb:Zr:Ti=115:49:51の組成比で調合した溶液であるPZT前駆体塗布液を準備した。具体的なPZT前駆体塗布液の合成は次のように行った。まず、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。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、上記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することで、PZT前駆体塗布液を合成した。このPZT濃度は0.5[mol/l]にした。PT塗布液に関してもPZT前駆体塗布液と同様に合成した。 Next, a PT coating solution prepared at a composition ratio of Pb: Ti = 1: 1 was prepared as a material for the PbTiO 3 (PT) layer, which is the first oxide layer serving as the underlayer of the PZT film. Further, a PZT precursor coating solution, which was a solution prepared at a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 115: 49: 51, was prepared as a material for the PZT film. A specific PZT precursor coating solution was synthesized as follows. First, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. PZT precursor coating solution was synthesized by dissolving isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with the above methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved. . The PZT concentration was 0.5 [mol / l]. The PT coating solution was synthesized in the same manner as the PZT precursor coating solution.

これらの塗布液を用いて、最初にPT層をスピンコートにより成膜し、その後、ホットプレートにより120[℃]で乾燥を行った。そして、PZT膜をスピンコートにより成膜し、ホットプレートにより乾燥(120[℃])と熱分解(400[℃])を行った。このPZT前駆体溶液の塗布、乾燥及び熱分解の処理を3回繰り返して3層形成した。3層目の熱分解処理の後に、結晶化のための熱処理(温度730[℃])をRTA(急速熱処理)にて行った。この結晶化の熱処理が終わったときのPZT膜の膜厚は240[nm]であった。このPZT前駆体溶液の塗布、乾燥、熱分解及び結晶化の熱処理の工程を合計8回(24層)実施し、約2.0[μm]の膜厚のPZT膜を得た。   Using these coating solutions, a PT layer was first formed by spin coating, and then dried at 120 [° C.] by a hot plate. Then, a PZT film was formed by spin coating, and dried (120 [° C.]) and pyrolyzed (400 [° C.]) using a hot plate. The coating, drying and thermal decomposition treatment of this PZT precursor solution was repeated three times to form three layers. After the thermal decomposition treatment of the third layer, heat treatment for crystallization (temperature 730 [° C.]) was performed by RTA (rapid heat treatment). The thickness of the PZT film when the heat treatment for crystallization was completed was 240 [nm]. The PZT precursor solution coating, drying, thermal decomposition and crystallization heat treatment steps were carried out a total of 8 times (24 layers) to obtain a PZT film having a thickness of about 2.0 [μm].

次に、上記PZT膜上に、第2酸化物層としてSrRuO膜(膜厚:40[nm])、第2電極(上部電極)としてPt膜(膜厚:125[nm])をそれぞれスパッタ法により成膜した。そして、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、その後、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって図10に示すようなパターン形成をした。なお、エッチングには、サムコ製のICPエッチング装置を用いた。 Next, an SrRuO 3 film (film thickness: 40 [nm]) as a second oxide layer and a Pt film (film thickness: 125 [nm]) as a second electrode (upper electrode) are sputtered on the PZT film, respectively. The film was formed by the method. Then, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by a spin coat method, and then a pattern as shown in FIG. 10 was formed by photolithography and etching. Note that an ICP etching apparatus manufactured by Samco was used for the etching.

パターン作成に続き、ALD法により第1絶縁保護膜としてのAL膜(膜厚:50[nm])に成膜した。AL膜の原材料として、ALにはシグマアルドリッチ社のTMAを、Oにはオゾンジェネレーターによって発生させたものを用いた。そして、AL、Oを交互に積層させることによりAL膜の成膜を進めた。第1絶縁保護膜には、エッチングによってコンタクトホール部を形成した。そして、スパッタ法により第5電極、第6電極としてのAL層をそれぞれ成膜し、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターン形成をした後、プラズマCVDにより第2絶縁保護膜としてのSi層(膜厚:500[nm])を成膜した。最後に、アルカリ溶液(KOH溶液あるいはTMHA溶液)による異方性ウェットエッチングにより基板に加圧液室を形成した。以上より、電気機械圧電素子としての圧電アクチュエータ(薄膜PZTアクチュエータ)を備えた液滴吐出ヘッドを作製した。 Following pattern formation, an AL 2 O 3 film (film thickness: 50 [nm]) as a first insulating protective film was formed by ALD. As raw materials of the AL 2 O 3 film, TMA produced by Sigma Aldrich was used for AL, and O 3 generated by an ozone generator was used for O 3 . Then, AL 2 O 3 films were formed by alternately laminating AL and O 3 . A contact hole was formed in the first insulating protective film by etching. Then, an AL layer as a fifth electrode and a sixth electrode is formed by sputtering, and a pattern is formed by photolithography and etching, and then an Si 3 N 4 layer (film) as a second insulating protective film is formed by plasma CVD. Thickness: 500 [nm]) was formed. Finally, a pressurized liquid chamber was formed on the substrate by anisotropic wet etching using an alkaline solution (KOH solution or TMHA solution). From the above, a droplet discharge head provided with a piezoelectric actuator (thin film PZT actuator) as an electromechanical piezoelectric element was produced.

この後、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ50[μm]のタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度80[℃]、コロナ電圧9[kV]、グリッド電圧2.5[kV]、処理時間30[s]、コロナ電極とグリッド電極との間の距離4[mm]、グリッド電極とステージとの間の距離4[mm]として行った。また、2つある第6電極パッド間の距離は80[μm]とした。   Thereafter, polarization treatment was performed by corona charging treatment. For corona charging treatment, a tungsten wire of φ50 [μm] is used. The polarization treatment conditions include a treatment temperature of 80 [° C.], a corona voltage of 9 [kV], a grid voltage of 2.5 [kV], a treatment time of 30 [s], and a distance of 4 [mm] between the corona electrode and the grid electrode. The distance between the grid electrode and the stage was 4 [mm]. The distance between the two sixth electrode pads was 80 [μm].

[実施例2]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の膜厚を約50[nm]にしたこと、PZT膜の成膜後の熱分解温度を350℃にしたこと以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[Example 2]
The same as Example 1 except that the thickness of the Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate was about 50 [nm], and the thermal decomposition temperature after the formation of the PZT film was 350 ° C. A droplet discharge head was produced by this method.

[実施例3]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の、膜厚を約50[nm]、成膜温度を500℃にしたこと、PZT膜の成膜後の熱分解温度を350℃にしたこと以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[Example 3]
The Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate had a thickness of about 50 [nm], the film formation temperature was 500 ° C., and the thermal decomposition temperature after the formation of the PZT film was 350 ° C. A droplet discharge head was manufactured in the same manner as in Example 1 except that.

[実施例4]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の成膜温度を500[℃]、PZT膜の成膜後における、乾燥温度を140[℃]、熱分解温度を350℃にしたこと以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[Example 4]
Except that the Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate has a film forming temperature of 500 [° C.], the drying temperature after the PZT film is 140 [° C.], and the thermal decomposition temperature is 350 ° C. Prepared a droplet discharge head by the same method as in Example 1.

[実施例5]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の、膜厚を約50[nm]、成膜温度を500℃にしたこと以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[実施例6]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の成膜温度を500[℃]、PZT膜の成膜後における乾燥温度を140[℃]とした以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[Example 5]
A droplet discharge head was produced in the same manner as in Example 1 except that the Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate had a film thickness of about 50 [nm] and the film formation temperature was 500 ° C. .
[Example 6]
The liquid was formed in the same manner as in Example 1 except that the Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate had a film forming temperature of 500 [° C.] and the drying temperature after forming the PZT film was 140 [° C.]. A droplet discharge head was produced.

[比較例1]
振動板としてSiO膜の上に成膜したTi膜の成膜後、第1酸化物層としてのPbTiO層の代わりに、下地層となるTiO層をスパッタ法により5[nm]成膜した以外は実施例1と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
[Comparative Example 1]
After the formation of the Ti film formed on the SiO 2 film as the vibration plate, a TiO 2 layer serving as an underlayer is formed by sputtering to a thickness of 5 [nm] instead of the PbTiO 3 layer as the first oxide layer. A droplet discharge head was produced in the same manner as in Example 1 except that.

実施例1〜6及び比較例1の液滴吐出ヘッドに対し、基板の裏面側を掘加工した状態で、電気機械変換素子の初期状態および耐久性試験直後の状態における歪変位(圧電定数)について評価を行った。耐久性試験は、初期の圧電定数の評価後に、1010回電圧の印加を繰り返すものである。圧電定数は、電圧の印加によって150[kV/cm]の電界を形成させたときの電気機械変換素子の歪変形量を、基板の裏面側からレーザードップラー振動計によって計測し、シミュレーションによる合わせ込みを行うことにより算出した。さらに、基板の裏面側を掘加工した状態で、X線回折を用いて実施例1〜6及び比較例1のPZT膜についての結晶性評価を行った。   Strain displacement (piezoelectric constant) in the initial state of the electromechanical transducer and the state immediately after the durability test in the state where the back side of the substrate was dug into the droplet discharge heads of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 Evaluation was performed. In the durability test, voltage application is repeated 1010 times after evaluation of the initial piezoelectric constant. The piezoelectric constant is measured by a laser Doppler vibrometer from the back side of the substrate when an electric field of 150 [kV / cm] is formed by applying a voltage, and is adjusted by simulation. Calculated by performing. Further, the PZT films of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were evaluated for crystallinity using X-ray diffraction in a state where the back surface side of the substrate was dug.

実施例1〜6及び比較例1において、X線回折のθ-2θ法による測定により、{100}面における配向率はいずれも80[%]以上であった。つまり、実施例1〜6及び比較例1のいずれのPZT膜も、{100}面に優先配向した膜であることを確認した。   In Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, all of the orientation ratios in the {100} plane were 80 [%] or more as measured by the θ-2θ method of X-ray diffraction. That is, it was confirmed that any of the PZT films of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were preferentially oriented in the {100} plane.

実施例1〜6及び比較例1の電気機械変換素子のPZT膜について、あおり角を振った測定をして得られた回折強度の分析結果について表1に示す。回折強度のピークの形状については、図5(a)〜(c)に示す形状のいずれに該当するかで示した。さらに、実施例1〜6及び比較例1の電気機械変換素子について、圧電定数の測定も行ったが、これについても表1に示す。   Table 1 shows the analysis results of the diffraction intensities obtained by measuring the tilt angles of the PZT films of the electromechanical transducers of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. The shape of the peak of the diffraction intensity is shown as to which of the shapes shown in FIGS. Further, the piezoelectric constants of the electromechanical transducers of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were also measured and are shown in Table 1.

Figure 0006460450
Figure 0006460450

あおり角を振った測定をして得られた回折強度のピークの形状は、実施例1〜3については図5(b)、実施例4〜6については図5(c)に示すものになった。実施例1〜3について、|χ_max−χ_2nd|が2[°]以上10[°]以下になった。実施例4〜6について、|χ_max_2−χ_2nd_2|が2[°]以上8[°]以下、I{100}_min_2/I{100}_max_2が0.5以上になった。また、実施例1〜6における初期および耐久性試験後の圧電定数は、いずれも−120〜−160[pm/V]の範囲で、一般的なセラミックス焼結体と同等の圧電定数が得られることを確認した。   The shape of the peak of the diffraction intensity obtained by measuring the tilt angle is as shown in FIG. 5 (b) for Examples 1-3 and FIG. 5 (c) for Examples 4-6. It was. In Examples 1 to 3, | χ_max−χ_2nd | was 2 [°] or more and 10 [°] or less. In Examples 4 to 6, | χ_max_2−χ_2nd_2 | was 2 [°] or more and 8 [°] or less, and I {100} _min_2 / I {100} _max_2 was 0.5 or more. Moreover, the piezoelectric constant after the initial stage and durability test in Examples 1-6 is in the range of -120 to -160 [pm / V], respectively, and a piezoelectric constant equivalent to a general ceramic sintered body is obtained. It was confirmed.

一方、比較例1については、あおり角を振った測定をして得られた回折強度のピークの形状は、図5(a)に示すものになった。また、比較例1の初期の圧電定数は、実施例1〜6と比べて低くなっている。回折強度のピークの形状が図5(a)に示す形状のPZT膜を用いた電気機械変換素子では、前述したようにドメイン回転の効果が十分に得られないため、歪変位が低くなったと考えられる。   On the other hand, with respect to Comparative Example 1, the shape of the peak of the diffraction intensity obtained by measuring the tilt angle was as shown in FIG. The initial piezoelectric constant of Comparative Example 1 is lower than that of Examples 1-6. In the electromechanical transducer using the PZT film having the diffraction intensity peak shape shown in FIG. 5A, the effect of domain rotation cannot be sufficiently obtained as described above, so that the strain displacement is considered to be low. It is done.

実施例3では、実施例1,2に対し、|χ_max−χ_2nd|が大きくなっている。また、実施例4では、実施例5,6に対し、|χ_max_2−χ_2nd_2|が大きくなっている。圧電定数については、実施例3、4では、初期の圧電定数が他の実施例と比べて大きくなっている。一方、実施例3、4では、初期の圧電定数に対する耐久性試験直後の圧電定数の低下の比率((初期の圧電定数−耐久性試験直後の圧電定数)/初期の圧電定数)は、他の実施例と比べて若干高くなっている。|χ_max−χ_2nd|や|χ_max_2−χ_2nd_2|を大きくしていくと、電気機械変換素子の耐久性が徐々に低下することが確認できた。   In the third embodiment, | χ_max−χ_2nd | is larger than the first and second embodiments. In the fourth embodiment, | χ_max_2−χ_2nd_2 | is larger than the fifth and sixth embodiments. Regarding the piezoelectric constant, in Examples 3 and 4, the initial piezoelectric constant is larger than that in the other examples. On the other hand, in Examples 3 and 4, the ratio of the decrease in the piezoelectric constant immediately after the durability test with respect to the initial piezoelectric constant ((initial piezoelectric constant−piezoelectric constant immediately after the durability test) / initial piezoelectric constant) It is slightly higher than in the example. It was confirmed that the durability of the electromechanical conversion element gradually decreased as | χ_max−χ_2nd | and | χ_max_2−χ_2nd_2 | were increased.

ただし、実施例3、4では、耐久性試験直後の圧電定数は実施例1〜6でほぼ同じ値になっている。つまり、PZT膜の|χ_max−χ_2nd|が2[°]〜10[°]、|χ_max_2−χ_2nd_2|が2[°]〜8[°]の範囲であれば、初期の圧電定数を十分に大きくできるとともに、電気機械変換素子をアクチュエータとして連続動作させた後も良好な圧電定数を維持できることが確認できた。   However, in Examples 3 and 4, the piezoelectric constant immediately after the durability test is almost the same value in Examples 1 to 6. That is, if | χ_max−χ_2nd | of the PZT film is in the range of 2 [°] to 10 [°] and | χ_max_2−χ_2nd_2 | is in the range of 2 [°] to 8 [°], the initial piezoelectric constant is sufficiently large. It was confirmed that a good piezoelectric constant could be maintained even after the electromechanical transducer was operated continuously as an actuator.

ここで、PZT膜を有する圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例について説明する。図11は、上記図1で示したPZT膜406を有する圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例を示す断面図である。図11の構成例によれば、電気機械変換素子としての圧電アクチュエータを簡便な製造工程でバルクセラミックスと同等の性能を持つように形成できる。更に、その後の加圧液室の形成のための裏面からのエッチング除去と、ノズル孔を有するノズル板の接合とを行うことで、複数の液体吐出ヘッドが一括形成することができる。なお、図11中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての図示を省略した。   Here, a configuration example in which a plurality of liquid ejection heads each including a piezoelectric actuator having a PZT film are arranged will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example in which a plurality of liquid discharge heads including a piezoelectric actuator having the PZT film 406 shown in FIG. 1 are arranged. According to the configuration example of FIG. 11, a piezoelectric actuator as an electromechanical transducer can be formed with a performance equivalent to that of bulk ceramics by a simple manufacturing process. Furthermore, a plurality of liquid discharge heads can be collectively formed by performing etching removal from the back surface for forming a pressurized liquid chamber and joining a nozzle plate having nozzle holes. In FIG. 11, the liquid supply means, the flow path, and the fluid resistance are not shown.

実施例1〜6で作製した電気機械変換素子を用いて図11に示す構成の液体吐出ヘッドを作製し、インクの吐出評価を行った。この評価では、粘度を5[cp]に調整したインクを用い、単純Push波形により−10〜−30[V]の印加電圧を加えて、ノズル孔からのインクの吐出状況を確認した。その結果、実施例1〜6のいずれにおいても、全てのノズル孔から良好にインクの吐出ができていることが確認できた。   A liquid discharge head having the configuration shown in FIG. 11 was prepared using the electromechanical transducers prepared in Examples 1 to 6, and ink discharge was evaluated. In this evaluation, ink whose viscosity was adjusted to 5 [cp] was used, and an applied voltage of −10 to −30 [V] was applied with a simple Push waveform, and the state of ink ejection from the nozzle holes was confirmed. As a result, in any of Examples 1 to 6, it was confirmed that ink was successfully discharged from all the nozzle holes.

次に、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置(液滴吐出装置)としてのインクジェット記録装置について説明する。   Next, an ink jet recording apparatus as an image forming apparatus (droplet discharge apparatus) equipped with a droplet discharge head according to an embodiment of the present invention will be described.

図12は、本実施形態に係るインクジェット記録装置の一例を示す斜視図であり、図13は、同インクジェット記録装置の機構部を側面から見た説明図である。本実施形態のインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に印字機構部82等を収納している。印字機構部82は、主走査方向に移動可能なキャリッジと、キャリッジに搭載した液滴吐出ヘッド94へ画像形成用の液体であるインクを供給する液体カートリッジとしてのインクカートリッジ95等で構成されている。また、装置本体81の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体としての用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができる。そして、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。   FIG. 12 is a perspective view showing an example of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment, and FIG. 13 is an explanatory view of the mechanism portion of the ink jet recording apparatus as viewed from the side. The ink jet recording apparatus of this embodiment houses a printing mechanism 82 and the like inside a recording apparatus main body 81. The print mechanism unit 82 includes a carriage movable in the main scanning direction, an ink cartridge 95 as a liquid cartridge for supplying ink, which is a liquid for image formation, to a droplet discharge head 94 mounted on the carriage, and the like. . Further, a paper feed cassette (or a paper feed tray) 84 on which a large number of sheets 83 as recording media can be loaded from the front side can be detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. Further, the manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be turned over. Then, the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 82, the paper is discharged to a paper discharge tray 86 mounted on the rear side.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ93には、複数のインク吐出口としてのノズルを主走査方向と交差する方向に配列し液滴吐出方向を下方に向けるように、複数の液滴吐出ヘッド94が装着されている。複数の液滴吐出ヘッド94は、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)及びブラック(Bk)の各色の液滴を吐出するヘッド(インクジェットヘッド)である。また、キャリッジ93には、液滴吐出ヘッド94に各色の液体(インク)を供給するための各インクカートリッジ95が交換可能に装着されている。   The printing mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). A plurality of droplet discharge heads 94 are mounted on the carriage 93 such that a plurality of nozzles as ink discharge ports are arranged in a direction crossing the main scanning direction and the droplet discharge direction is directed downward. The plurality of droplet discharge heads 94 are heads (inkjet heads) that discharge droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). In addition, each ink cartridge 95 for supplying liquid (ink) of each color to the droplet discharge head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.

インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。この多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド94へ供給される液体(インク)をわずかな負圧に維持している。また、本実施形態では各色に対応させて4個の液滴吐出ヘッド94を用いているが、各色の液滴を吐出する複数のノズルを有する1個の液滴吐出ヘッドを用いてもよい。   The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside. The liquid (ink) supplied to the droplet discharge head 94 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, in this embodiment, four droplet discharge heads 94 are used corresponding to each color, but one droplet discharge head having a plurality of nozzles that discharge droplets of each color may be used.

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

一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、ガイド部材103と、搬送ローラ104と、先端コロ106とを備えている。給紙ローラ101及びフリクションパッド102は、給紙カセット84から用紙83を分離給装し、ガイド部材103は用紙83を案内する。また、搬送ローラ104は、給紙された用紙83を反転させて搬送する。先端コロ106は、搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to convey the sheet 83 set in the sheet feeding cassette 84 to the lower side of the head 94, a sheet feeding roller 101, a friction pad 102, a guide member 103, a conveying roller 104, and a leading end roller 106 are provided. Yes. The paper feed roller 101 and the friction pad 102 separate and feed the paper 83 from the paper feed cassette 84, and the guide member 103 guides the paper 83. Further, the conveyance roller 104 inverts and conveys the fed paper 83. The leading end roller 106 defines the feeding roller 105 pressed against the circumferential surface of the conveying roller 104 and the feed angle of the sheet 83 from the conveying roller 104. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液滴吐出ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109が設けられている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112が設けられている。さらに、用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とが配設されている。   A printing receiving member 109, which is a paper guide member for guiding the paper 83 sent out from the transport roller 104 corresponding to the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction, is provided below the droplet discharge head 94. Yes. On the downstream side of the printing receiving member 109 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the sheet 83 in the sheet discharge direction are provided. Further, a paper discharge roller 113 and a spur 114 for sending the paper 83 to the paper discharge tray 86, and guide members 115 and 116 for forming a paper discharge path are provided.

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

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド94がキャッピングされ、吐出口であるノズルを湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. While waiting for printing, the carriage 93 is moved to the recovery device 117 side, and the droplet discharge head 94 is capped by the capping means, and the nozzle as the discharge port is kept in a wet state to prevent discharge failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。これにより、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 is sealed by the capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port by the suction unit through the tube. As a result, the ink, dust, etc. adhering to the ejection port surface are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、このインクジェット記録装置においては本発明の前述の実施形態及び実施例1〜6で作製した液滴吐出ヘッドを搭載している。従って、振動板の駆動不良によるインク滴の吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, this ink jet recording apparatus is equipped with the droplet discharge head manufactured in the above-described embodiment and Examples 1 to 6 of the present invention. Therefore, there is no ink droplet ejection failure due to the diaphragm drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved.

本実施形態では、{100}面に優先配向させたPZT膜において、θ-2θ法による測定で得られた回折強度のピークのうち、{100}面に対応する回折強度のピークの回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角を振った測定を行った。これにより得られた回折強度曲線を例に、ピークの形状が上述した特徴を有するとき電気機械変換素子の歪変位を大きくできることを述べた。しかし、このことはこの例に限るものではない。{n00}面(nはある正の整数)に優先配向させたペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜においても同様のことが言える。つまり、この膜の{n00}面と平行な{N00}面(Nはある正の整数)に対応する回折強度のピークの回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角を振った測定で得られた回折強度のピークの形状に上述した特徴があれば、電気機械変換素子の歪変位を大きくできる。   In the present embodiment, in the PZT film preferentially oriented on the {100} plane, the diffraction intensity peak corresponding to the {100} plane out of the diffraction intensity peaks obtained by measurement by the θ-2θ method is The measurement was performed by swinging the tilt angle at the maximum position (2θ). Using the diffraction intensity curve obtained as an example, it has been described that the strain displacement of the electromechanical transducer element can be increased when the peak shape has the above-described characteristics. However, this is not limited to this example. The same applies to an electromechanical conversion film having a perovskite crystal structure preferentially oriented in the {n00} plane (n is a positive integer). In other words, the tilt angle is measured at a position (2θ) at which the diffraction intensity peak corresponding to the {N00} plane (N is a positive integer) parallel to the {n00} plane of this film is maximum. If the peak shape of the diffraction intensity obtained in step 1 has the above-described characteristics, the strain displacement of the electromechanical transducer can be increased.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された第1電極405などの下部電極と、前記下部電極上に形成されnをある正の整数として{n00}面に優先配向されたPZT膜406などのペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に形成された第2電極407などの上部電極とを備える電気機械変換素子において、前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で得られた回折強度のピークのうちNをある正の整数として{N00}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振った測定により得られる回折強度のピークの形状が二以上の屈曲した点を有する形状になっているものである。
上記電気機械変換膜の基板面に対し結晶面の傾きが大きくなっている場合、上記回折強度のピークの形状が二以上の屈曲した点を有する形状が得られた。一方、上記電気機械変換膜の基板面に対し結晶面の傾きが小さくなっている場合、上記回折強度のピークの形状が二以上の屈曲した点を有する形状が得られなかった。したがって、上記回折強度のピークの形状が二以上の屈曲した点を有している上記電気機械変換膜では、この膜の基板面に対し結晶面の傾きが大きくなっていると考えられる。上記電気機械変換膜の基板面に対し結晶面の傾きが大きくなっていると、上記電気機械変換膜の結晶構造にわずかなゆがみが生じる。このゆがみが生じると、上記電気機械変換膜においてドメイン回転の効果が高められることが経験的に分かっている。このドメイン回転に効果が高められることにより、上記電気機械変換膜を用いた電気機械変換素子の歪変位を大きくすることができる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has a specific effect for each of the following modes.
(Aspect A)
A lower electrode such as the first electrode 405 formed directly or indirectly on the substrate or the base film, and a PZT film 406 formed on the lower electrode and preferentially oriented on the {n00} plane, where n is a positive integer. In an electromechanical conversion element comprising an electromechanical conversion film made of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure, such as a second electrode 407 formed on the electromechanical conversion film, the electromechanical conversion film comprises: The position where the diffraction intensity is maximum at the diffraction intensity peak corresponding to the {N00} plane, where N is a positive integer among the diffraction intensity peaks obtained by the X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method (2θ) Thus, the peak shape of the diffraction intensity obtained by the measurement by swinging the tilt angle (χ) in the range of ± 15 [°] is a shape having two or more bent points.
When the inclination of the crystal plane was large with respect to the substrate surface of the electromechanical conversion film, a shape having a peak of the diffraction intensity having two or more bent points was obtained. On the other hand, when the inclination of the crystal plane is small with respect to the substrate surface of the electromechanical conversion film, a shape having two or more bent points in the diffraction intensity peak was not obtained. Therefore, in the electromechanical conversion film in which the shape of the peak of the diffraction intensity has two or more bent points, it is considered that the inclination of the crystal plane is large with respect to the substrate surface of the film. When the inclination of the crystal plane with respect to the substrate surface of the electromechanical conversion film is large, slight distortion occurs in the crystal structure of the electromechanical conversion film. It has been empirically known that when this distortion occurs, the effect of domain rotation is enhanced in the electromechanical conversion film. By enhancing the effect on the domain rotation, the strain displacement of the electromechanical transducer using the electromechanical transducer film can be increased.

(態様B)
基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された第1電極405などの下部電極と、前記下部電極上に形成され{100}面に優先配向されたPZT膜406などのペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に形成された第2電極407などの上部電極とを備える電気機械変換素子において、前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二箇所の屈曲した点を有する形状になっていて、前記屈曲した点のうち、回折強度が大きい方の点の位置をχ_max、他方の点の位置をχ_2ndとしたときに、|χ_max−χ_2nd|が2[°]以上10[°]以下になっているものである
|χ_max−χ_2nd|を、上で規定した下限値(2[°])よりも小さくなると、上記電気機械変換膜における結晶構造のゆがみが小さくなる。このため、ドメイン回転の効果が小さくなり、上記電気機械変換素子において十分な歪変位が得られない。また、|χ_max−χ_2nd|が上で規定した上限値(10[°])よりも大きくなると、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが大きくなり、ドメイン回転による歪変位を非常に大きくできる。しかし、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが非常に大きくなると、上記電気機械変換膜にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなり、上記電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。|χ_max−χ_2nd|を上記範囲とすることで、上記電気機械変換素子の初期の歪変位を十分に大きくできるとともに、連続駆動させた後も歪変位が大きく低下しないようにすることができる。
(Aspect B)
A lower electrode such as a first electrode 405 formed directly or indirectly on a substrate or a base film, and a perovskite crystal structure such as a PZT film 406 formed on the lower electrode and preferentially oriented in the {100} plane In an electromechanical conversion element comprising an electromechanical conversion film made of a piezoelectric body and an upper electrode such as the second electrode 407 formed on the electromechanical conversion film, the electromechanical conversion film has an X-ray diffraction θ−. Obtained when the tilt angle (χ) is swung in the range of ± 15 [°] at the position (2θ) where the diffraction intensity is maximum at the diffraction intensity peak corresponding to the {100} plane in the measurement by the 2θ method. When the peak shape of the diffraction intensity is a shape having two bent points, of the bent points, the position of the point with the higher diffraction intensity is χ_max and the position of the other point is χ_2nd , | Χ_m x-χ_2nd | is 2 [°] or more and 10 [°] or less When | χ_max-χ_2nd | is smaller than the lower limit value (2 [°]) defined above, the electromechanical conversion is performed. The distortion of the crystal structure in the film is reduced. For this reason, the effect of domain rotation becomes small, and sufficient strain displacement cannot be obtained in the electromechanical transducer. Further, when | χ_max−χ_2nd | is larger than the upper limit value (10 [°]) defined above, distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film is increased, and strain displacement due to domain rotation can be greatly increased. However, if the distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film becomes very large, there is a high possibility that defects such as cracks will occur in the electromechanical conversion film, and the electromechanical conversion element is continuously driven as a piezoelectric actuator. Sometimes, the strain displacement after driving decreases with respect to the initial strain displacement. By setting | χ_max−χ_2nd | within the above range, the initial strain displacement of the electromechanical transducer can be sufficiently increased, and the strain displacement can be prevented from greatly decreasing even after continuous driving.

(態様C)
基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された第1電極405などの下部電極と、前記下部電極上に形成されたPZT膜406などのペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜上に形成された第2電極407などの上部電極とを備える電気機械変換素子において、前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二以上の極大点を有する形状になっているものである。
上記回折強度のピークの形状が二以上の極大点を有している上記電気機械変換膜では、この膜の基板面に対し結晶面の傾きが大きくなっていると考えられる。上記電気機械変換膜の基板面に対し結晶面の傾きが大きくなっていると、上記電気機械変換膜の結晶構造にわずかなゆがみが生じる。このゆがみが生じると、上記電気機械変換膜においてドメイン回転の効果が高められることが経験的に分かっている。このドメイン回転に効果が高められることにより、上記電気機械変換膜を用いた電気機械変換素子の歪変位を大きくすることができる。
(Aspect C)
An electromechanical conversion film comprising a lower electrode such as a first electrode 405 formed directly or indirectly on a substrate or a base film, and a piezoelectric material having a perovskite crystal structure such as a PZT film 406 formed on the lower electrode. And an upper electrode such as the second electrode 407 formed on the electromechanical conversion film, in which the electromechanical conversion film is measured by {100 The shape of the diffraction intensity peak obtained when the tilt angle (χ) is swung in the range of ± 15 [°] at the position (2θ) where the diffraction intensity is maximum at the diffraction intensity peak corresponding to the plane is two. The shape has the above maximum points.
In the electromechanical conversion film in which the peak shape of the diffraction intensity has two or more maximum points, it is considered that the inclination of the crystal plane is large with respect to the substrate surface of the film. When the inclination of the crystal plane with respect to the substrate surface of the electromechanical conversion film is large, slight distortion occurs in the crystal structure of the electromechanical conversion film. It has been empirically known that when this distortion occurs, the effect of domain rotation is enhanced in the electromechanical conversion film. By enhancing the effect on the domain rotation, the strain displacement of the electromechanical transducer using the electromechanical transducer film can be increased.

(態様D)
態様Cにおいて、前記電気機械変換膜が、前記極大点が二箇所であり、二箇所の前記極大点のうち、回折強度が大きい方の点でのあおり角をχ_max、他方の点でのあおり角をχ_2ndとしたときに、|χ_max_2−χ_2nd_2|が2[°]以上8[°]以下になっているものである。
|χ_max_2−χ_2nd_2|を、上で規定した下限値(2[°])よりも小さくなると、上記電気機械変換膜における結晶構造のゆがみが小さくなる。このため、ドメイン回転の効果が小さくなり、上記電気機械変換素子において十分な歪変位が得られない。また、|χ_max_2−χ_2nd_2|が上で規定した上限値(20[°])よりも大きくなると、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが大きくなり、ドメイン回転による歪変位を非常に大きくできる。しかし、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが非常に大きくなると、上記電気機械変換膜にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなり、上記電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。|χ_max_2−χ_2nd_2|を上記範囲とすることで、上記電気機械変換素子の初期の歪変位を十分に大きくできるとともに、連続駆動させた後も歪変位が大きく低下しないようにすることができる。
(Aspect D)
In aspect C, the electromechanical conversion film has two local maximum points, and the tilt angle at the point where the diffraction intensity is larger among the two local maximum points is χ_max, and the tilt angle at the other point Is χ_2nd, | χ_max_2−χ_2nd_2 | is 2 [°] or more and 8 [°] or less.
When | χ_max_2−χ_2nd_2 | is smaller than the lower limit value (2 [°]) defined above, the distortion of the crystal structure in the electromechanical conversion film is reduced. For this reason, the effect of domain rotation becomes small, and sufficient strain displacement cannot be obtained in the electromechanical transducer. Further, when | χ_max_2−χ_2nd_2 | is larger than the upper limit value (20 [°]) defined above, the distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film is increased, and the strain displacement due to domain rotation can be greatly increased. However, if the distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film becomes very large, there is a high possibility that defects such as cracks will occur in the electromechanical conversion film, and the electromechanical conversion element is continuously driven as a piezoelectric actuator. Sometimes, the strain displacement after driving decreases with respect to the initial strain displacement. By setting | χ_max_2−χ_2nd_2 | within the above range, the initial strain displacement of the electromechanical transducer can be sufficiently increased, and the strain displacement can be prevented from greatly decreasing even after continuous driving.

(態様E)
態様Eにおいて、前記電気機械変換膜が、二箇所の前記極大点のうち、回折強度が大きい方の点での回折強度をI{100}_max_2、二箇所の前記極大点に挟まれた極小点での回折強度をI{100}_min_2としたときに、I{100}_min_2/I{100}_max_2が0.5以上になっているものである
I{100}_min_2/I{100}_max_2が上で規定した下限値(0.3)よりも小さくなると、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが局所的に生じる。局所的に結晶格子のゆがみが生じると、ドメイン回転の効果により上記電気機械変換膜を用いた電気機械変換素子の歪変位が局所的に大きくなる。このため、上記電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、上記電気機械変換膜にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなる。連続駆動によってこのような欠陥が発生すると、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。I{100}_min_2/I{100}_max_2を上記範囲とすることで、連続駆動させた後も歪変位が大きく低下しないようにすることができる。
(Aspect E)
In aspect E, the electromechanical conversion film has I {100} _max_2, a local minimum point sandwiched between the local maximum points at the point where the diffraction intensity is larger among the local maximum points at two locations. I {100} _min_2 / I {100} _max_2 is 0.5 or more, where I {100} _min_2 / I {100} _max_2 is I {100} _min_2 / I {100} _max_2 When the value is smaller than the lower limit (0.3) defined above, the crystal structure of the electromechanical conversion film is locally distorted. When the crystal lattice is locally distorted, the strain displacement of the electromechanical transducer using the electromechanical transducer film is locally increased due to the effect of domain rotation. For this reason, when the electromechanical conversion element is continuously driven as a piezoelectric actuator, there is a high possibility that defects such as cracks occur in the electromechanical conversion film. When such a defect occurs due to continuous driving, the strain displacement after driving decreases with respect to the initial strain displacement. By setting I {100} _min_2 / I {100} _max_2 in the above range, it is possible to prevent the strain displacement from greatly decreasing even after continuous driving.

(態様F)
態様B〜Eのいずれか一において、前記電気機械変換膜が、前記あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの半値幅が6[°]以上16[°]以下になっているものである。
半値幅が下限値(6[°])より小さくなると、PZT膜の結晶構造のゆがみが小さくなるので、90[°]ドメイン回転の効果が小さくなり上記電気機械変換素子において十分な歪変位が得られない。また、半値幅が上限値(16[°])よりも大きくなると、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが非常に大きくなるので、ドメイン回転による効果により、上記電気機械変換素子の初期の歪変位が非常に大きくなる。しかし、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、上記電気機械変換膜の結晶構造のゆがみが非常に大きいとクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなり、上記電気機械変換素子において、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。半値幅を上記範囲とすることで、上記電気機械変換素子の初期の歪変位を十分に大きくできるとともに、連続駆動させた後も歪変位が大きく低下しないようにすることができる。
(Aspect F)
In any one of the aspects B to E, the half width of the peak of diffraction intensity obtained when the electromechanical conversion film swings the tilt angle (χ) in a range of ± 15 [°] is 6 [°]. The angle is 16 [°] or less.
When the full width at half maximum is smaller than the lower limit (6 [°]), the distortion of the crystal structure of the PZT film is reduced, so that the effect of 90 [°] domain rotation is reduced and sufficient strain displacement is obtained in the electromechanical transducer. I can't. Further, when the half width is larger than the upper limit (16 [°]), the distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film becomes very large. Therefore, the initial distortion of the electromechanical conversion element is caused by the effect of domain rotation. The displacement becomes very large. However, when the electromechanical conversion element is continuously driven as a piezoelectric actuator, if the distortion of the crystal structure of the electromechanical conversion film is very large, a defect such as a crack is likely to occur. In this case, the strain displacement after driving is reduced with respect to the initial strain displacement. By setting the full width at half maximum in the above range, the initial strain displacement of the electromechanical transducer can be sufficiently increased, and the strain displacement can be prevented from greatly decreasing even after continuous driving.

(態様G)
態様A〜Fのいずれか一において、前記電気機械変換膜がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなり、前記電気機械変換膜における亜鉛(Zr)に対するチタン(Ti)の組成比(Ti/(Zr+Ti))が0.45以上0.55以下である。
ZrとTiとの組成比率が上記下限値(0.45)より小さくなると、後述するドメイン回転の効果が十分でなくなるため、電気機械変換素子の歪変位を十分確保できなくなる。また、ZrとTiとの組成比率が上記上限値(0.55)より大きくなると、圧電効果が十分でなくなるため、やはり電気機械変換素子の歪変位を十分確保できなくなる。ZrとTiとの組成比率を上記範囲とすることで、上記電気機械変換素子の初期の歪変位を十分に大きくできる。
(Aspect G)
In any one of the aspects A to F, the electromechanical conversion film is made of lead zirconate titanate (PZT), and the composition ratio of titanium (Ti) to zinc (Zr) in the electromechanical conversion film (Ti / (Zr + Ti )) Is 0.45 or more and 0.55 or less.
If the composition ratio of Zr and Ti is smaller than the lower limit (0.45), the effect of domain rotation described later is not sufficient, so that sufficient strain displacement of the electromechanical transducer cannot be ensured. In addition, when the composition ratio of Zr and Ti is larger than the upper limit (0.55), the piezoelectric effect is not sufficient, so that sufficient strain displacement of the electromechanical transducer cannot be ensured. By setting the composition ratio of Zr and Ti within the above range, the initial strain displacement of the electromechanical transducer can be sufficiently increased.

(態様H)
液滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧室と、該加圧室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段として、態様A〜Gのいずれかの電気機械変換素子を備えた。
(Aspect H)
In a droplet discharge head comprising a nozzle that discharges a droplet, a pressure chamber that communicates with the nozzle, and a pressure generation means that generates a pressure in the liquid in the pressure chamber, the pressure generation means may include an aspect A The electromechanical transducer of any one of -G was provided.

(態様I)
態様Hの液滴吐出ヘッドを備えた。
(Aspect I)
A droplet discharge head of aspect H was provided.

94 液滴吐出ヘッド
401 基板
402 振動板
403 ノズル版
404 加圧液室
405 第1電極
406 PZT膜
407 第2電極
408 第1酸化物層
409 第2酸化物層
94 Liquid droplet ejection head 401 Substrate 402 Vibration plate 403 Nozzle plate 404 Pressurized liquid chamber 405 First electrode 406 PZT film 407 Second electrode 408 First oxide layer 409 Second oxide layer

特開2008−192868号公報JP 2008-192868 A

Claims (9)

板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成され{100}面に優先配向されたペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、
前記電気機械変換膜上に形成された上部電極とを備える電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二箇所の屈曲した点を有する形状になっていて、前記屈曲した点のうち、回折強度が大きい方の点の位置をχ_max、他方の点の位置をχ_2ndとしたときに、|χ_max−χ_2nd|が2[°]以上10[°]以下になっているものであることを特徴とする電気機械変換素子。
A lower electrode directly or indirectly formed on the base plate or base film,
An electromechanical conversion film made of a piezoelectric material formed on the lower electrode and having a perovskite crystal structure preferentially oriented in the {100} plane;
In an electromechanical conversion element comprising an upper electrode formed on the electromechanical conversion film,
When the electromechanical conversion film is measured by the X-ray diffraction θ-2θ method, the tilt angle (χ) is ±± at the position (2θ) where the diffraction intensity is maximum at the peak of the diffraction intensity corresponding to the {100} plane. The position of the peak of the diffraction intensity obtained when shaken in the range of 15 [°] has a shape having two bent points, and the position of the point having the larger diffraction intensity among the bent points. Χ_max, and the position of the other point is χ_2nd, | χ_max−χ_2nd | is 2 [°] or more and 10 [°] or less.
基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成されたペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、
前記電気機械変換膜上に形成された上部電極とを備える電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二箇所の極大点を有する形状になっているものであり、
二箇所の前記極大点のうち、回折強度が大きい方の点でのあおり角をχ_max、他方の点でのあおり角をχ_2ndとしたときに、|χ_max_2−χ_2nd_2|が2[°]以上8[°]以下になっているものであることを特徴とする電気機械変換素子。
A lower electrode formed directly or indirectly on a substrate or a base film;
An electromechanical conversion film made of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure formed on the lower electrode;
In an electromechanical conversion element comprising an upper electrode formed on the electromechanical conversion film,
When the electromechanical conversion film is measured by the X-ray diffraction θ-2θ method, the tilt angle (χ) is ±± at the position (2θ) where the diffraction intensity is maximum at the peak of the diffraction intensity corresponding to the {100} plane. 15 [°] der a peak shape of the diffraction intensity obtained is in the shape having a local maximum point of the two positions when shaken in the range is,
Of the two local maximum points, when the tilt angle at the point with the higher diffraction intensity is χ_max and the tilt angle at the other point is χ_2nd, | χ_max_2−χ_2nd_2 | is 2 [°] or more and 8 [ °] An electromechanical transducer having the following characteristics.
請求項に記載の電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜が、二箇所の前記極大点のうち、回折強度が大きい方の点での回折強度をI{100}_max_2、二箇所の前記極大点に挟まれた極小点での回折強度をI{100}_min_2としたときに、I{100}_min_2/I{100}_max_2が0.5以上になっているものであることを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical transducer according to claim 2 ,
The electromechanical conversion film has I {100} _max_2 as the diffraction intensity at the point where the diffraction intensity is larger among the two maximum points, and the diffraction intensity at the minimum point sandwiched between the two maximum points. I {100} _min_2 / I {100} _max_2 is 0.5 or more, where I {100} _min_2 is an electromechanical conversion element.
請求項1乃至3のいずれか一の電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜が、前記あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの半値幅が6[°]以上16[°]以下になっているものであることを特徴とする電気機械変換素子。
In the electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 3 ,
In the electromechanical conversion film, the half width of the peak of diffraction intensity obtained when the tilt angle (χ) is swung in the range of ± 15 [°] is 6 [°] or more and 16 [°] or less. An electromechanical conversion element characterized by being a thing.
基板又は下地膜上に直接又は間接的に形成された下部電極と、  A lower electrode formed directly or indirectly on a substrate or a base film;
前記下部電極上に形成されたペロブスカイト結晶構造を有する圧電体からなる電気機械変換膜と、An electromechanical conversion film made of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure formed on the lower electrode;
前記電気機械変換膜上に形成された上部電極とを備える電気機械変換素子において、In an electromechanical conversion element comprising an upper electrode formed on the electromechanical conversion film,
前記電気機械変換膜が、X線回折のθ−2θ法による測定で、{100}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で、あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの形状が二箇所の極大点を有する形状になっているものであり、When the electromechanical conversion film is measured by the X-ray diffraction θ-2θ method, the tilt angle (χ) is ±± at the position (2θ) where the diffraction intensity is maximum at the peak of the diffraction intensity corresponding to the {100} plane. The peak shape of the diffraction intensity obtained when shaken in the range of 15 [°] is a shape having two local maximum points,
前記電気機械変換膜が、前記あおり角(χ)を±15[°]の範囲で振ったときに得られる回折強度のピークの半値幅が6[°]以上16[°]以下になっているものであることを特徴とする電気機械変換素子。In the electromechanical conversion film, the half width of the peak of diffraction intensity obtained when the tilt angle (χ) is swung in the range of ± 15 [°] is 6 [°] or more and 16 [°] or less. An electromechanical conversion element characterized by being a thing.
請求項1乃至5のいずれか一の電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなり、前記電気機械変換膜における亜鉛(Zr)に対するチタン(Ti)の組成比(Ti/(Zr+Ti))が0.45以上0.55以下であることを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 5 ,
The electromechanical conversion film is made of lead zirconate titanate (PZT), and the composition ratio (Ti / (Zr + Ti)) of titanium (Ti) to zinc (Zr) in the electromechanical conversion film is 0.45 or more and 0.55. An electromechanical transducer having the following characteristics.
液滴を吐出するノズルと、
該ノズルに連通する加圧室と、
該加圧室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
前記圧力発生手段として、請求項1乃至6のいずれかの電気機械変換素子を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets;
A pressurizing chamber communicating with the nozzle;
In a droplet discharge head comprising pressure generating means for generating pressure in the liquid in the pressurizing chamber,
Wherein the pressure generating means, the droplet discharge head is characterized by comprising any one of the electromechanical transducer of claims 1 to 6.
請求項の液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置。 An image forming apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 7 . 請求項7の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。  A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 7.
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