JP6658296B2 - Discharge drive device, liquid discharge head, liquid discharge unit, device for discharging liquid - Google Patents
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Description
本発明は、吐出駆動装置、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。 The present invention relates to an ejection driving device, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and an apparatus for ejecting liquid.
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用される液体吐出ヘッドに関して、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子とを有するものが知られている。又、液体吐出ヘッドには、縦振動モードのアクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものと2種類が実用化されている。 2. Description of the Related Art For a liquid ejection head used as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile, a copying machine, etc., a nozzle for ejecting ink droplets, a pressure chamber communicating with the nozzle, a piezoelectric element for pressurizing ink in the pressure chamber, and the like. Are known. Two types of liquid ejection heads have been put into practical use, one using a longitudinal vibration mode actuator and the other using a flexural vibration mode actuator.
たわみ振動モードを利用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な電気機械変換膜を形成し、この電気機械変換膜をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて各圧力室に独立するように電気機械変換素子を形成したものが知られている。 As a method using the flexural vibration mode, for example, a uniform electromechanical conversion film is formed by a film forming technique over the entire surface of a diaphragm, and the electromechanical conversion film is formed into a shape corresponding to a pressure chamber by a lithography method. It is known that an electromechanical transducer is formed so as to be independent of each pressure chamber.
この電気機械変換素子は、例えば、成膜工程においては、正方晶系、斜方晶系、及び菱面体晶系のうち何れかの結晶構造を有するペロブスカイト型複合酸化物(不可避不純物を含んでいてもよい)からなり、(100)面、(001)面、及び(111)面のうち何れかの面に優先配向し、配向度が95%以上である。 This electromechanical conversion element includes, for example, a perovskite-type composite oxide having any one of a tetragonal system, an orthorhombic system, and a rhombohedral system in a film forming process (including an unavoidable impurity. ), And is preferentially oriented to any one of the (100) plane, the (001) plane, and the (111) plane, and the degree of orientation is 95% or more.
しかしながら、例えば(111)面が優先配向し、その配向度が95%以上だとした場合、配向度が極端に高くなると、電界強度に対する電気機械変換膜の変位量が途中飽和し、高い電界強度下において十分な変位量が得られないという不具合が発生する。 However, for example, when the (111) plane is preferentially oriented and the degree of orientation is 95% or more, when the degree of orientation becomes extremely high, the displacement of the electromechanical conversion film with respect to the electric field strength is saturated halfway, and the high electric field strength A problem that a sufficient displacement cannot be obtained below occurs.
つまり、変位量が大きくなる場合としては、圧電膜に電圧を印加すると圧電歪により変位量が大きくなる場合と、ドメイン回転によって歪が大きくなることにより変位量が得られる場合とが挙げられるが、(111)面が完全に配向してしまう場合には、変位量が大きくなる場合が圧電歪による場合のみになってしまう。そのため、ドメイン回転によって変位量が得られる部分がほとんどなくなり、変位量が途中飽和して十分な変位量が得られない。 That is, as the case where the amount of displacement is large, there are a case where the amount of displacement is increased due to piezoelectric strain when a voltage is applied to the piezoelectric film, and a case where the amount of displacement is obtained by increasing the strain due to domain rotation. When the (111) plane is completely oriented, the displacement becomes large only when the piezoelectric strain is applied. Therefore, there is almost no portion where the amount of displacement can be obtained by the domain rotation, and the amount of displacement saturates on the way, and a sufficient amount of displacement cannot be obtained.
又、電気機械変換膜の変位量は振動板の膜応力や曲げ剛性に大きく影響され、振動板の膜応力や曲げ剛性が適切でないと、特に高周波での吐出性能を確保することが困難となる。これに関し、例えば、圧縮応力を有する膜と引張応力を有する膜を含む3層以上の膜を積層して振動板を構成し、引張応力を有する膜としてシリコン窒化膜を含み、シリコン窒化膜の間に圧縮応力を有する膜を挟んだ構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、この膜構成では、引張応力が大きすぎるため、特に高周波で十分な吐出ができない。 In addition, the amount of displacement of the electromechanical conversion film is greatly affected by the film stress and bending stiffness of the diaphragm. If the film stress and bending stiffness of the diaphragm are not appropriate, it becomes difficult to ensure the discharge performance particularly at high frequencies. . In this regard, for example, a diaphragm is formed by laminating three or more films including a film having a compressive stress and a film having a tensile stress, and a silicon nitride film is included as a film having a tensile stress. (See, for example, Patent Document 1). However, in this film configuration, since the tensile stress is too large, it is not possible to perform a sufficient discharge particularly at a high frequency.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高周波での吐出性能を確保可能な吐出駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a discharge driving device capable of ensuring high-frequency discharge performance.
本吐出駆動装置は、振動板上に電気機械変換素子が形成された吐出駆動装置であって、前記振動板は、圧縮応力を有する単層膜を少なくとも1層含む積層膜から形成され、前記振動板の曲げ剛性は2.0×10−11Nm2以上であり、前記振動板を構成する各単層膜の応力が600MPa以下であることを要件とする。 The present ejection driving device is an ejection driving device in which an electromechanical transducer is formed on a vibration plate, wherein the vibration plate is formed of a laminated film including at least one single-layer film having a compressive stress, The flexural rigidity of the plate is required to be 2.0 × 10 −11 Nm 2 or more, and the stress of each single-layer film constituting the diaphragm is required to be 600 MPa or less.
開示の技術によれば、高周波での吐出性能を確保可能な吐出駆動装置を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a discharge driving device capable of ensuring high-frequency discharge performance.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを例示する断面図である。図1を参照するに、液体吐出ヘッド1は、基板10と、振動板20と、電気機械変換素子30と、絶縁保護膜40とを有する。電気機械変換素子30は、下部電極31と、電気機械変換膜32と、上部電極33とを有する。液体吐出ヘッド1において、振動板20上に電気機械変換素子30が形成された部分が吐出駆動装置35である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a liquid ejection head according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, the
液体吐出ヘッド1において、基板10上に振動板20が形成され、振動板20上に電気機械変換素子30の下部電極31が形成されている。下部電極31の所定領域に電気機械変換膜32が形成され、更に電気機械変換膜32上に上部電極33が形成されている。絶縁保護膜40は、電気機械変換素子30を被覆している。絶縁保護膜40は、下部電極31及び上部電極33を選択的に露出する開口部を備えており、開口部を介して、下部電極31及び上部電極33から配線を引き回すことができる。
In the
基板10の下部には、インク滴を吐出するノズル51を備えたノズル板50が接合されている。ノズル板50、基板10、及び振動板20により、ノズル51に連通する圧力室10x(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある)が形成されている。振動板20は、インク流路の壁面の一部を形成している。言い換えれば、圧力室10xは、基板10(側面を構成)、ノズル板50(下面を構成)、振動板20(上面を構成)で区画されて、ノズル51と連通している。
A
液体吐出ヘッド1を作製するには、まず、図2に示すように、基板10上に、振動板20、下部電極31、電気機械変換膜32、上部電極33を順次積層する。その後、下部電極31、電気機械変換膜32及び上部電極33を所望の形状にエッチングし、絶縁保護膜40で被覆する。そして、絶縁保護膜40に、下部電極31及び上部電極33を選択的に露出する開口部を形成する。その後、基板10を下方からエッチングして圧力室10xを作製する。次いで、基板10の下面にノズル51を有するノズル板50を接合し、液体吐出ヘッド1が完成する。
To manufacture the
なお、図1では、振動板20上に1個の電気機械変換素子30が形成された吐出駆動装置35を有する液体吐出ヘッド1を示したが、実際には、図3に示すように、液体吐出ヘッド1が所定方向に複数配列された液体吐出ヘッド2が作製される。
Although FIG. 1 shows the
液体吐出ヘッド2は、振動板20上に電気機械変換素子30が複数個配列された吐出駆動装置35と、夫々の電気機械変換素子30に対応して設けられた、液体を吐出するノズル51と、ノズル51が連通する圧力室10xとを有している。液体吐出ヘッド2では、圧力室10xの壁の一部を振動板20で構成しており、吐出駆動装置35は圧力室10x内の液体を昇圧させる。
The
ところで、インクを吐出させる際に、残留振動が発生するため、これを抑制するための波形の作製が必要となる。残留振動の発生を抑制するための波形は、周波数が低くなるため、高周波での吐出性能を確保することが困難となる。 By the way, when ink is ejected, residual vibration is generated, so that it is necessary to prepare a waveform for suppressing the residual vibration. Since the frequency of the waveform for suppressing the generation of the residual vibration is low, it is difficult to ensure the ejection performance at a high frequency.
このため、高周波での吐出性能を確保するためには、振動板20、電気機械変換膜32、及び絶縁保護膜40の剛性を高める必要があり、高いヤング率を持たせたり、厚膜化したりする必要が生じる。
For this reason, in order to ensure the discharge performance at high frequencies, it is necessary to increase the rigidity of the
特に、振動板20の特性が重要である。振動板20は単層膜が複数層積層された積層膜から構成されるが、応力設計も考慮し、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiN)、ポリシリコン(Poly−Si)等を材料とする単層膜を含む積層膜から形成することが好ましい。この際、振動板20の曲げ剛性は2.0×10−11Nm2以上とする必要がある。振動板20の曲げ剛性が2.0×10−11Nm2未満であると、高周波での吐出性能を確保することができないからである。
In particular, the characteristics of the
又、振動板20の膜厚は1μm以上3μm以下で作製されることが好ましい。これにより、高周波での吐出性能を確保するための剛性を持たせることが容易となる。
Further, it is preferable that the
曲げ剛性に関しては、振動板20の材料のヤング率だけでなく、圧力室10xの形状にも依存してくるが、長手方向で600μmから1500μmで構成することが好ましい。この範囲を満たさない場合は、高周波での安定した吐出性能が確保できないという不具合や、膜厚が十分厚くなる場合は圧力室10xの作製時に割れ等の不具合が発生するおそれがある。
The bending stiffness depends not only on the Young's modulus of the material of the
振動板20の応力については、Si等からなる基板10上に単層膜を成膜し、成膜前後の反り量を評価することで算出することができる。振動板20では、基板10上に振動板20を構成する全ての単層膜を積層した直後の基板10の反り量を見たときに、上に凸となるように応力設計することが好ましい。すなわち、振動板20では、振動板20全体として圧縮応力を有するように、各単層膜の材料を選択することが好ましい。
The stress of the
これは電気機械変換膜32や下部電極31として用いる材料の多くが引張応力を有しているためである。例えば、電気機械変換膜32としてPZT膜を用いる場合や下部電極としてPt膜を用いる場合には、PZT膜やPt膜が引張応力を有している。そのため、これを打ち消すように振動板20全体として圧縮応力を有する構成とすることで、アクチュエータの特性として良好な品質を得ることができる。
This is because many of the materials used for the
振動板20は、圧縮応力を有する単層膜を少なくとも1層含む積層膜から形成する。すなわち、振動板20は、圧縮応力を有する単層膜及び引張応力を有する単層膜の両方を有する構成、若しくは、全て圧縮応力のみの構成とする。
The
振動板20では、全ての単層膜(引張側でも圧縮側でも)の膜応力を600MPa以下とする必要があり、400MPa以下とすることが好ましい。何れかの単層膜の膜応力が600MPaより大きい場合は、厚膜作製時にクラック等の影響が出るため、一度の成膜で十分な厚みが稼げなくなり、プロセスタクトが悪化するためである。
In the
又、何れかの単層膜の膜応力が600MPaより大きいと、振動板20全体の膜応力が適切に調整できないためである。例えば、引張方向において何れかの単層膜の膜応力が600MPaより大きい場合、振動板20の全体の応力として圧縮になるように調整しようとしたときに、その制御が難しくなる。
If the film stress of any single-layer film is larger than 600 MPa, the film stress of the
なお、例えばSiNのような引張応力もヤング率も高い材料を選択する場合は、イオン注入によりSi−N結合を切断することで、応力緩和することが可能である。 When a material such as SiN having a high tensile stress and a high Young's modulus is selected, the stress can be relaxed by cutting the Si—N bond by ion implantation.
Poly−Siのような圧縮応力もヤング率も高い材料を選択する場合は、イオン注入して表面を粗らし、結晶状態を一部アモルファス化することで、応力緩和することが可能である。イオン注入量としては、1×1014ions/cm2以上あると好ましい。これ以上の値になると、応力緩和の効果としては飽和してくる。 When a material having a high compressive stress and a high Young's modulus, such as Poly-Si, is selected, the surface can be roughened by ion implantation, and the crystal state can be partially made amorphous, so that the stress can be relaxed. It is preferable that the ion implantation amount is 1 × 10 14 ions / cm 2 or more. If the value exceeds this, the effect of the stress relaxation is saturated.
イオン注入に用いられる元素としては、構成される元素以外であれば基本的にはどれでもよい。ボロン、リン、砒素、ゲルマニウム、アルゴン等の一般的な半導体プロセスで用いられるようなイオン注入であればどれでもよく、上記元素に限ったことはない。 The element used for ion implantation may be basically any element other than the constituent elements. Any kind of ion implantation such as boron, phosphorus, arsenic, germanium, and argon used in a general semiconductor process may be used, and is not limited to the above elements.
振動板20を構成する積層膜の内、最もヤング率の大きい膜は、構成元素以外の元素でイオン注入されて、応力調整されてもよい。又、振動板20を、SiO2からなる第1膜、SiNからなる第2膜、Poly−Siからなる第3膜を含む構成とし、第1膜、第2膜、及び第3膜の内、何れかの膜が構成元素以外の元素でイオン注入されて、応力調整されてもよい。
The film having the highest Young's modulus among the laminated films forming the
又、曲げ剛性を2.0×10−11Nm2以上確保するために、プロセスタクトも考慮し、できるだけ薄い膜で実現しようとした場合、振動板20を構成する積層膜のうち最もヤング率の大きい単層膜のヤング率が150GPa以上、できれば200GPa以上であることが好ましい。又、振動板20を構成する積層膜の等価ヤング率が75GPa以上であることが好ましい。
Further, in order to secure the bending stiffness of 2.0 × 10 −11 Nm 2 or more, in consideration of the process tact, when trying to realize a film as thin as possible, the Young's modulus of the laminated film constituting the
このように、本実施の形態に係る吐出駆動装置35では、振動板20は圧縮応力を有する単層膜を少なくとも1層含む積層膜から形成され、振動板20の曲げ剛性は2.0×10−11Nm2以上であり、振動板20を構成する各単層膜の応力が600MPa以下である。
As described above, in the
これにより、高い周波数で安定して液体を吐出可能な変位量を十分確保できる。又、連続吐出しても変位量の劣化を十分抑制できるため、安定した液体の吐出特性を得ることが可能となる。 This makes it possible to sufficiently secure a displacement amount capable of stably ejecting the liquid at a high frequency. In addition, since the deterioration of the displacement amount can be sufficiently suppressed even when the liquid is continuously discharged, stable liquid discharge characteristics can be obtained.
又、振動板20を構成する単層膜の応力が600MPa以下であることにより、成膜時にクラック等が生じ難くなるため、一度の成膜で十分な厚みを稼ぐことが可能となり、プロセスタクトの悪化を防止できる。
Further, when the stress of the single-layer film constituting the
以下、液体吐出ヘッド2を構成する好適な材料等に関して、更に詳しく説明する。基板10としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、液体吐出ヘッド2でも主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用することができる。
Hereinafter, suitable materials for forming the
又、圧力室10xを作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが好ましい。なお、異方性エッチングとは、結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。
Further, when manufacturing the
例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができる。そのため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるため、液体吐出ヘッド2でも(110)の面方位を持つ単結晶基板を使用してもよい。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされる点に留意が必要である。
For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, a structure having an inclination of about 54 ° can be manufactured in the plane orientation (100), while a deep groove can be dug in the plane orientation (110). Therefore, since the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity, the
又、圧力室10xの幅(短手方向の長さ)としては、50μm以上70μm以下が好ましく、55μm以上65μm以下が更に好ましい。この値より大きくなると、残留振動が大きくなり高周波での吐出性能確保が難しくなり、この値より小さくなると、電気機械変換素子の変位量が低下し、十分な吐出電圧が確保できなくなる。
Further, the width (length in the lateral direction) of the
振動板20は、電気機械変換膜32によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室10x内のインク滴を吐出させる。そのため、振動板20としては所定の強度を有したものであることが好ましい。具体的には、Si、SiO2、Si3N4等をCVD法等により作製したものが挙げられる。
The
更に、振動板20の材料としては、下部電極31、電気機械変換膜32の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
Further, as the material of the
特に、電気機械変換膜32としてPZTを使用する場合には、振動板20の材料として、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い5×10−6(1/K)〜10×10−6(1/K)程度の線膨張係数を有した材料を選択することが好ましい。7×10−6(1/K)〜9×10−6(1/K)程度の線膨張係数を有した材料を選択することが更に好ましい。
In particular, when using PZT as an
振動板20の材料として、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等を用いてもよい。これらは、スパッタ法若しくはSol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。
As a material of the
振動板20の膜厚としては1〜3μmが好ましく、1.5〜2.5μmが更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室10xの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
The thickness of the
下部電極31及び上部電極33としては、金属材料として高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができる。但し、白金は、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、その場合には、イリジウムや白金−ロジウム等の白金族元素や、これらの合金膜を用いることができる。
As the
なお、下部電極31及び上部電極33として白金を使用する場合には、下地となる振動板20(特にSiO2)との密着性が悪いため、Ti、TiO2、Ta、Ta2O5、Ta3N5等の密着層を介して積層することが好ましい。下部電極31及び上部電極33の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜を用いることができる。下部電極31及び上部電極33の膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmが更に好ましい。
When platinum is used for the
更に、下部電極31及び上部電極33において、金属材料と電気機械変換膜32との間に、SrRuO3やLaNiO3を材料とする酸化物電極膜を形成してもよい。なお、下部電極31と電気機械変換膜32との間の酸化物電極膜に関しては、その上に作製する電気機械変換膜32(例えばPZT膜)の配向制御にも影響するため、配向優先させたい方位によって選択される材料が異なる。
Furthermore, in the
液体吐出ヘッド2において、電気機械変換膜32としてPZTを用い、PZT(100)に優先配向させる場合には、下部電極31上に、LaNiO3、TiO2、PbTiO3等からなるシード層を作製し、シード層上にPZT膜を形成すると好ましい。特に、PbTiO3(チタン酸鉛)を用いることにより、PZT(100)に優先配向した結晶性の良好なPZT膜を形成することができる。
In the
又、上部電極33と電気機械変換膜32との間の酸化物電極膜としてはSRO膜を用いることができ、SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、30nm〜50nmが更に好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。この範囲を超えると、PZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
Further, an SRO film can be used as an oxide electrode film between the
電気機械変換膜32としては、好適にはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いることができる。なお、PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体であり、PbZrO3とPbTiO3の比率によって、PZTの特性が異なる。例えば、PbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O3、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。
As the
電気機械変換膜32の作製方法としては、スパッタ法若しくはSol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニングが必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得ることができる。
The
PZTをSol−gel法により作製する場合には、まず、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を用いる。そして、共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、PZT前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミン等を適量、添加してもよい。 When producing PZT by the Sol-gel method, first, a lead acetate, a zirconium alkoxide, or a titanium alkoxide compound is used as a starting material. Then, a PZT precursor solution can be prepared by dissolving in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by atmospheric moisture, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added as a stabilizer to the PZT precursor solution.
下部電極31の全面にPZT膜を形成する場合、スピンコート等の溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるようにPZT前駆体の濃度の調整が必要になる。
When a PZT film is formed on the entire surface of the
電気機械変換膜32の膜厚としては1μm以上3μm以下が好ましく、1.5μm以上2.5μm以下が更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室10xの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
The thickness of the
なお、電気機械変換膜32としてPZTを用いPZT(100)面を優先配向とする場合、Zr/Tiの組成比率については、組成比率Ti/(Zr+Ti)が0.45以上0.55以下であることが好ましく、0.48以上0.52以下であることが更に好ましい。
When PZT is used as the
結晶配向については、ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)によって表される。ここで、ρ(hkl)は(hkl)面方位の配向度、I(hkl)は任意の配向のピーク強度、ΣI(hkl)は各ピーク強度の総和である。電気機械変換素子30の配列方向において、X線回折法のθ−2θ測定で得られる各ピーク強度の総和を1としたときの各々の配向のピーク強度の比率に基づいて算出される(100)配向の配向度の平均値は、0.95(95%)以上であることが好ましく、0.99(99%)以上であることが更に好ましい。0.95(95%)未満になると、圧電歪が十分得られず、電気機械変換素子30の変位量を十分確保できなくなる。
The crystal orientation is represented by ρ (hkl) = I (hkl) / ΣI (hkl). Here, ρ (hkl) is the degree of orientation in the (hkl) plane orientation, I (hkl) is the peak intensity of an arbitrary orientation, and ΔI (hkl) is the sum of the respective peak intensities. In the arrangement direction of the
電気機械変換膜32として、PZT以外のABO3型ペロブスカイト型結晶質膜を用いてもよい。PZT以外のABO3型ペロブスカイト型結晶質膜としては、例えば、チタン酸バリウム等の非鉛複合酸化物膜を用いても構わない。この場合は、バリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することが可能である。
As the
これら材料は一般式ABO3で記述され、A=Pb、Ba、Sr B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x、Ba)(Zr、Ti)O3、(Pb1−x、Sr)(Zr、Ti)O3、と表され、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。 These materials are described by the general formula ABO 3, A = Pb, Ba , Sr B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, composite oxide corresponds mainly composed of Nb. As specific description (Pb1-x, Ba) ( Zr, Ti) O 3, (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O 3, expressed as which part of Pb of the A site Ba And Sr. Such substitution is possible if it is a divalent element, and its effect is to reduce the characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.
ここで、配線等を含めた液体吐出ヘッドの構成について説明する。図4は、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの配線等を例示する図であり、図4(a)は断面図、図4(b)は平面図である。なお、図4(b)において、絶縁保護膜40及び70の図示は省略されている。
Here, the configuration of the liquid ejection head including the wiring and the like will be described. FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating wirings and the like of the liquid discharge head according to the first embodiment. FIG. 4A is a cross-sectional view, and FIG. 4B is a plan view. In FIG. 4B, illustration of the insulating
図4を参照するに、絶縁保護膜40上には複数の配線60が設けられ、更に配線60上に絶縁保護膜70が設けられている。絶縁保護膜40は複数の開口部40xを備えており、開口部40x内には下部電極31又は上部電極33の表面が露出している。配線60は、開口部40xを充填して上部電極33と接続されている(図4(b)のコンタクトホールHの部分)配線と、開口部40xを充填して下部電極31と接続されている配線とを含んでいる。
Referring to FIG. 4, a plurality of
絶縁保護膜70は複数の開口部70xを備えており、夫々の開口部70x内には夫々の配線60の表面が露出している。夫々の開口部70x内に露出する夫々の配線60は、電極パッド61、62、及び63となる。ここで、電極パッド61は共通電極パッドであり、配線60を介して各電気機械変換素子30に共通の下部電極31と接続されている。又、電極パッド62及び63は個別電極パッドであり、配線60を介して電気機械変換素子30毎に独立した上部電極33と接続されている。
The insulating
次に、分極処理装置について説明する。図5は、分極処理装置の概略構成を例示する図である。分極処理装置500は、コロナ電極510とグリッド電極520とを備えており、コロナ電極510、グリッド電極520は夫々コロナ電極用電源511、グリッド電極用電源521に接続されている。サンプルをセットするステージ530には温調機能が付加されており、最大350℃程度までの温度をかけながら分極処理を行うことができる。ステージ530にはアース540が設置されており、これが付加していない場合には分極処理ができない。
Next, the polarization processing device will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of a polarization processing apparatus. The
グリッド電極520には、例えばメッシュ加工が施されており、コロナ電極510に高い電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等が効率よく下のステージ530に降り注き、電気機械変換膜32に注入されるように工夫されている。コロナ電極510やグリッド電極520に印加される電圧の大きさや、サンプルと各電極間の距離を調整することにより、コロナ放電の強弱をつけることが可能である。
The
図6に示すように、コロナワイヤ600を用いてコロナ放電させる場合、大気中の分子610をイオン化させ、陽イオン620を発生させる。そして、発生した陽イオン620が、電気機械変換素子30のパッド部を介して流れ込むことで、電荷を電気機械変換素子30に注入することができる。
As shown in FIG. 6, when corona discharge is performed using the
この場合、上部電極と下部電極の電荷差によって内部電位差が生じて分極処理が行われていると考えられる。この際、分極処理に必要な電荷量Qについては特に限定されるものではないが、電気機械変換素子30に1.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、4.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが更に好ましい。この値に満たない場合は、分極処理が十分できず、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。
In this case, it is considered that an internal potential difference occurs due to a charge difference between the upper electrode and the lower electrode, and the polarization process is performed. At this time, the charge amount Q required for the polarization process is not particularly limited, but it is preferable that a charge amount of 1.0 × 10 −8 C or more is accumulated in the
ここで、分極処理の状態については、電気機械変換素子30のP−Eヒステリシスループから判断することができる。分極処理の判断の方法について図7を用いて説明する。図7(a)は分極処理前のP−Eヒステリシスループを例示し、図7(b)は分極処理後のP−Eヒステリシスループを例示している。
Here, the state of the polarization processing can be determined from the PE hysteresis loop of the
具体的には、まず、図7に示すように、±150kv/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定する。そして、最初の0kv/cm時の分極をPind、+150kv/cmの電圧印加後0kv/cmまで戻したときの0kv/cm時の分極をPrとしたときに、Pr−Pindの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断することができる。 Specifically, first, as shown in FIG. 7, the hysteresis loop is measured with an electric field strength of ± 150 kv / cm. When the initial polarization at 0 kv / cm is Pind, and when the polarization at 0 kv / cm when the voltage is returned to 0 kv / cm after application of a voltage of +150 kv / cm is Pr, the value of Pr-Pind is the polarization rate. By defining the polarizability, it is possible to judge whether the polarization state is good or bad.
分極率Pr−Pindは、10μC/cm2以下であることが好ましく、5μC/cm2以下であることが更に好ましい。分極率Pr−Pindがこの値より大きい場合には、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。 Polarizability Pr-Pind is preferably at 10 [mu] C / cm 2 or less, still more preferably 5 [mu] C / cm 2 or less. If the polarizability Pr-Pind is larger than this value, sufficient characteristics regarding displacement deterioration after continuous driving as a PZT piezoelectric actuator cannot be obtained.
図5においてコロナ電極510及びグリッド電極520の電圧や、ステージ530とコロナ電極510及びグリッド電極520との間の距離等を調整することにより、所望の分極率Pr−Pindを得ることができる。但し、所望の分極率Pr−Pindを得ようとした場合には、電気機械変換膜32に対して高い電界を発生させることが好ましい。
In FIG. 5, the desired polarizability Pr-Pind can be obtained by adjusting the voltages of the
なお、電気機械変換膜32の自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、大きな圧電定数が得られる。電気機械変換膜32の自発分極軸と電界印加方向とは完全に一致することが最も好ましい。
When the vector component of the spontaneous polarization axis of the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、応用例として、液体吐出ヘッド2(図3参照)を備えた液体を吐出する装置を例示する。
<Second embodiment>
In the second embodiment, as an application example, an apparatus for ejecting liquid provided with a liquid ejection head 2 (see FIG. 3) will be described.
まず、第2の実施の形態に係る液体を吐出する装置の一例について図8及び図9を参照して説明する。図8は同装置の要部平面説明図、図9は同装置の要部側面説明図である。 First, an example of an apparatus for discharging liquid according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is an explanatory plan view of a main part of the apparatus, and FIG. 9 is an explanatory side view of an essential part of the apparatus.
この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。
This device is a serial type device, and the
このキャリッジ403には、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッド2及びヘッドタンク441を一体にした液体吐出ユニット440を搭載している。液体吐出ユニット440の液体吐出ヘッド2は、例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色の液体を吐出する。又、液体吐出ヘッド2は、複数のノズル51からなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。
On the
液体吐出ヘッド2の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド2に供給するための供給機構494により、ヘッドタンク441には、液体カートリッジ450に貯留されている液体が供給される。
The liquid stored in the
供給機構494は、液体カートリッジ450を装着する充填部であるカートリッジホルダ451、チューブ456、送液ポンプを含む送液ユニット452等で構成される。液体カートリッジ450はカートリッジホルダ451に着脱可能に装着される。ヘッドタンク441には、チューブ456を介して送液ユニット452によって、液体カートリッジ450から液体が送液される。
The
この装置は、用紙410を搬送するための搬送機構495を備えている。搬送機構495は、搬送手段である搬送ベルト412、搬送ベルト412を駆動するための副走査モータ416を含む。
This apparatus includes a
搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド2に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト412は、無端状ベルトであり、搬送ローラ413と、テンションローラ414との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、或いは、エアー吸引等で行うことができる。
The
そして、搬送ベルト412は、副走査モータ416によってタイミングベルト417及びタイミングプーリ418を介して搬送ローラ413が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。
The
更に、キャリッジ403の主走査方向の一方側には搬送ベルト412の側方に液体吐出ヘッド2の維持回復を行う維持回復機構420が配置されている。
Further, on one side of the
維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド2のノズル面(ノズル51が形成された面)をキャッピングするキャップ部材421、ノズル面を払拭するワイパ部材422等で構成されている。
The maintenance and recovery mechanism 420 includes, for example, a cap member 421 for capping the nozzle surface (the surface on which the
主走査移動機構493、供給機構494、維持回復機構420、搬送機構495は、側板491A,491B、背板491Cを含む筐体に取り付けられている。
The main
このように構成したこの装置においては、用紙410が搬送ベルト412上に給紙されて吸着され、搬送ベルト412の周回移動によって用紙410が副走査方向に搬送される。
In this apparatus configured as described above, the
そこで、キャリッジ403を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド2を駆動することにより、停止している用紙410に液体を吐出して画像を形成する。
Therefore, by driving the
このように、この装置では、第1の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。 As described above, since the apparatus includes the liquid ejection head according to the first embodiment, a high-quality image can be stably formed.
次に、第2の実施の形態に係る液体吐出ユニットの他の例について図10を参照して説明する。図10は同ユニットの要部平面説明図である。 Next, another example of the liquid ejection unit according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an explanatory plan view of a main part of the unit.
この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド2で構成されている。
The liquid discharge unit includes a housing portion including
なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくとも何れかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。
It should be noted that a liquid ejection unit in which at least one of the above-described maintenance and recovery mechanism 420 and the
次に、第2の実施の形態に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図11を参照して説明する。図11は同ユニットの正面説明図である。 Next, still another example of the liquid ejection unit according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is an explanatory front view of the unit.
この液体吐出ユニットは、流路部品444が取り付けられた液体吐出ヘッド2と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。
The liquid discharge unit includes the
なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。又、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド2と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。
The
本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。 In the present application, a “device that discharges liquid” is a device that includes a liquid discharge head or a liquid discharge unit and drives the liquid discharge head to discharge liquid. The device that discharges a liquid includes not only a device that can discharge a liquid to which a liquid can be attached, but also a device that discharges a liquid into the air or into the liquid.
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置等も含むことができる。 The “device that discharges liquid” may include means for feeding, transporting, and discharging paper to which liquid can be attached, as well as a pre-processing device and a post-processing device.
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。 For example, as a "device for ejecting liquid", an image forming apparatus that ejects ink to form an image on paper, and a powder is formed in layers to form a three-dimensional object (three-dimensional object) There is a three-dimensional modeling device (three-dimensional modeling device) that discharges a modeling liquid to the formed powder layer.
又、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するもの等を意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布等の被記録媒体、電子基板、圧電素子等の電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セル等の媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着する全てのものが含まれる。
Further, the "device for discharging liquid" is not limited to a device in which a significant image such as a character or a figure is visualized by the discharged liquid. For example, those that form a pattern or the like that has no meaning in itself, and those that form a three-dimensional image are also included.
The above-mentioned "thing to which a liquid can be attached" means a thing to which a liquid can be attached at least temporarily, such as a thing which adheres and adheres, a thing which adheres and penetrates, and the like. Specific examples include recording media such as paper, recording paper, recording paper, film, and cloth; electronic components such as electronic substrates and piezoelectric elements; powder layers (powder layers); organ models; and media such as inspection cells. Yes, unless otherwise specified, all that adhere to the liquid.
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス、壁紙や床材等の建材、衣料用のテキスタイル等液体が一時的でも付着可能であればよい。 The material of the above-mentioned "things to which liquid can adhere" is a liquid such as paper, yarn, fiber, cloth, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, building materials such as wallpaper and flooring, and textiles for clothing. However, any material can be used as long as it can be attached.
又、「液体」は、インク、処理液、DNA試料、レジスト、パターン材料、結着剤、造形液、又は、アミノ酸、たんぱく質、カルシウムを含む溶液及び分散液等も含まれる。 The “liquid” also includes inks, processing liquids, DNA samples, resists, pattern materials, binders, modeling liquids, or solutions and dispersions containing amino acids, proteins, and calcium.
又、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置等が含まれる。 In addition, the "device for discharging liquid" includes a device in which a liquid discharge head and a device to which liquid can adhere are relatively moved, but are not limited thereto. Specific examples include a serial device that moves the liquid ejection head, a line device that does not move the liquid ejection head, and the like.
又、「液体を吐出する装置」としては他にも、用紙の表面を改質する等の目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置等がある。 Other examples of the "device for discharging liquid" include a processing liquid coating device for discharging a processing liquid onto a sheet in order to apply the processing liquid to the surface of the paper for the purpose of modifying the surface of the paper, and a raw material. There is an injection granulation apparatus or the like that granulates fine particles of a raw material by spraying a composition liquid in which a composition is dispersed in a solution through a nozzle.
「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたもの等が含まれる。 The “liquid discharge unit” is a unit in which functional components and mechanisms are integrated with a liquid discharge head, and is an assembly of components related to liquid discharge. For example, the “liquid ejection unit” includes a unit in which at least one of the configurations of a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance and recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism is combined with a liquid ejection head.
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合等で互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。又、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。 Here, the term “integration” means, for example, one in which the liquid ejection head and the functional component or mechanism are fixed to each other by fastening, bonding, engagement, or the like, or one in which one is movably held with respect to the other. Including. Further, the liquid ejection head, the functional component, and the mechanism may be configured to be detachable from each other.
例えば、液体吐出ユニットとして、図9で示した液体吐出ユニット440のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。又、チューブ等で互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
For example, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a head tank are integrated like a
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。 There is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a carriage are integrated.
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。又、図10で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head in which a liquid discharge head is movably held by a guide member constituting a part of a scanning moving mechanism, and the liquid discharging head and the scanning moving mechanism are integrated. Further, as shown in FIG. 10, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head, a carriage, and a main scanning moving mechanism are integrated.
又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge unit in which a cap member which is a part of a maintenance / recovery mechanism is fixed to a carriage to which a liquid discharge head is attached, and the liquid discharge head, the carriage, and the maintenance / recovery mechanism are integrated. .
又、液体吐出ユニットとして、図11で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取り付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。 In addition, as shown in FIG. 11, there is a liquid discharge unit in which a tube is connected to a liquid discharge head to which a head tank or a flow path component is attached, and a liquid discharge head and a supply mechanism are integrated. .
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。又、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。 The main scanning movement mechanism includes a guide member alone. The supply mechanism also includes a tube unit and a loading unit alone.
又、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、上記実施形態で説明したような圧電アクチュエータ(積層型圧電素子を使用するものでもよい。)以外にも、発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータ等を使用するものでもよい。 Further, the "liquid ejection head" is not limited to a pressure generating means to be used. For example, in addition to the piezoelectric actuator described in the above embodiment (a laminated piezoelectric element may be used), a thermal actuator using an electrothermal conversion element such as a heating resistor, a diaphragm and a counter electrode are provided. An actuator using an electrostatic actuator or the like may be used.
又、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等は何れも同義語とする。 Further, image forming, recording, printing, printing, printing, modeling, and the like in the terms of the present application are all synonymous.
[実施例1]
基板10として6インチのシリコンウェハを準備し、基板10にSiO2(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO2(膜厚100nm)、SiN(膜厚150nm)、SiO2(膜厚1300nm)、SiN(150nm)、SiO2(膜厚100nm)、Si(200nm)、SiO2(膜厚600nm)の膜を順に形成して振動板20を作製した。
[Example 1]
A 6-inch silicon wafer is prepared as the
このとき、SiN膜に関しては硼素を1×1015ions/cm2注入することで従来のSiN膜の引張応力を緩和させた。積層膜とは別に各単層膜の膜応力や剛性について評価を実施し、その一部の結果を後述の表1に示す。 At this time, as for the SiN film, the tensile stress of the conventional SiN film was relaxed by implanting boron at 1 × 10 15 ions / cm 2 . Evaluation of the film stress and rigidity of each single-layer film was performed separately from the laminated film, and some of the results are shown in Table 1 below.
その後、振動板20上に密着層としてチタン膜(膜厚20nm)を成膜温度350℃でスパッタ装置にて成膜した後、RTA(急速熱処理)を用いて750℃にて熱酸化した。更に、密着層上に白金膜(膜厚160nm)を成膜温度300℃でスパッタ装置にて成膜し、下部電極31を作製した。
Thereafter, a titanium film (thickness: 20 nm) was formed as a close contact layer on the
次に、下部電極31上に下地層となるPbTiO3層としてPb:Ti=1:1に調整された溶液と、電気機械変換膜32としてPb:Zr:Ti=115:49:51に調整された溶液とを準備し、スピンコート法により膜を成膜した。
Next, a solution in which Pb: Ti = 1: 1 is adjusted as a PbTiO 3 layer serving as a base layer on the
具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。 For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and isopropoxide zirconium were used as starting materials. The water of crystallization of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead content is excessive relative to the stoichiometric composition. This is to prevent a decrease in crystallinity due to so-called lead loss during the heat treatment.
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/リットルにした。PTの溶液に関してもPZT同様に作製し、これらの液を用いて、最初にPT層をスピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥を実施し、その後PZTの液をスピンコートにより成膜し、120℃乾燥→380℃熱分解を行った。 Titanium isopropoxide and zirconium isopropoxide were dissolved in methoxyethanol, an alcohol exchange reaction and an esterification reaction were advanced, and a PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved. This PZT concentration was 0.5 mol / liter. A solution of PT is also prepared in the same manner as PZT, and a PT layer is first formed by spin coating using these solutions, dried at 120 ° C., and then formed by spin coating of the PZT solution. The film was dried at 120 ° C. and then thermally decomposed at 380 ° C.
3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度730℃)をRTAにて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回(24層)実施し、電気機械変換膜32として約2μmのPZT膜を得た。
After the thermal decomposition treatment of the third layer, a crystallization heat treatment (at a temperature of 730 ° C.) was performed by RTA. At this time, the film thickness of PZT was 240 nm. This process was performed eight times (24 layers) in total, and a PZT film of about 2 μm was obtained as the
次に、上部電極33を構成する酸化物電極膜として、SrRuO3膜(膜厚40nm)、金属膜として白金膜(膜厚125nm)をスパッタ法で成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて図4に示すようなパターンを作製した。これにより、振動板20上に電気機械変換素子30が作製された。
Next, an SrRuO 3 film (film thickness: 40 nm) was formed as an oxide electrode film constituting the
次に、電気機械変換素子30上に、絶縁保護膜40として、ALD工法を用いてAl2O3膜を50nm成膜した。このとき原材料としてAlについては、TMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたO3を交互に積層させることで、成膜を進めた。
Next, an Al 2 O 3 film having a thickness of 50 nm was formed on the
その後、図4に示すように、エッチングによりコンタクトホールHを形成した。その後、Alをスパッタ法で成膜し、エッチングによりパターニングして配線60を形成し、絶縁保護膜70としてSi3N4をプラズマCVD法により500nm成膜した。そして、絶縁保護膜70に開口部70xを設けて配線60の一部を露出させ、電極パッド61、62及び63とした。なお、電極パッド61は共通電極パッドであり、電極パッド62及び63は個別電極パッドであり、個別電極間パッド間の距離は80μmとした。
Thereafter, as shown in FIG. 4, a contact hole H was formed by etching. After that, Al was formed by a sputtering method, patterned by etching to form a
その後、分極処理装置500を用い、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ50μmのタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度80℃、コロナ電極510の電圧9kV、グリッド電極520の電圧2.5kV、処理時間30s、コロナ電極510−グリッド電極520間の距離4mm、グリッド電極520−ステージ530間の距離4mmにて行った。
Thereafter, the polarization treatment was performed by a corona charging treatment using the
その後、基板10の裏面をエッチングして圧力室10x(幅60μm、奥行1000μm)を形成し、液体吐出ヘッド2とした。但し、基板10の下部には、ノズル51を備えたノズル板50は接合されていなく、液体吐出ヘッド2は半完成状態である。
Thereafter, the back surface of the
[実施例2]
Si層を除いて振動板20を成膜した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Example 2]
A
[実施例3]
Si層に対して、硼素を1×1015ions/cm2注入した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Example 3]
A
[実施例4]
SiN層を除いて振動板20を成膜した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Example 4]
A
[実施例5]
SiN層を除いて、Si層に対して、硼素を1×1015ions/cm2注入した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Example 5]
Except for the SiN layer, a
[比較例1]
SiN層に対して、硼素を1×1015ions/cm2注入せずに成膜した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Comparative Example 1]
A
[比較例2]
6インチシリコンウェハにSiO2(膜厚600nm)のみを成膜した以外は実施例1と同様に液体吐出ヘッド2を作製した。
[Comparative Example 2]
A
[実施例1〜5、比較例1及び2の検討]
実施例1〜5及び比較例1及び2で作製した各液体吐出ヘッド2の電気機械変換素子30について、電気機械変換素子30の電気特性及び変位量(圧電定数)の評価を行った。
[Examination of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2]
With respect to the
変位量については、図3に示すように基板10の裏面側から掘加工を行って圧力室10xを形成し、評価を実施した。具体的には、電界印加(150kV/cm)による変位量(圧電定数)を、レーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。評価結果を表1に示す。なお、表1の単層膜の最大膜応力において、『+』は引張応力、『−』は圧縮応力を示している
As for the amount of displacement, as shown in FIG. 3, the
又、実施例1〜5、比較例1及び2で作製した電気機械変換素子30を用いて、図3の液体吐出ヘッドを作製し、液の吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認した。
Further, using the
その結果、表1に示すように、実施例1〜5については全てどのノズル孔からも吐出でき、かつ高周波で吐出できていることを確認できた(表1では○で表示)。一方、比較例1に関しては若干吐出に必要な電圧が上限ギリギリであり(表1では△で表示)、比較例2に関しては高周波で吐出しようとしたときに安定してインク吐出できかった(表1では×で表示)。 As a result, as shown in Table 1, it was confirmed that all of Examples 1 to 5 can be ejected from any of the nozzle holes and can be ejected at a high frequency (in Table 1, indicated by a circle). On the other hand, in Comparative Example 1, the voltage required for slightly discharging was almost at the upper limit (indicated by Δ in Table 1), and in Comparative Example 2, ink could not be discharged stably when trying to discharge at high frequency (Table 1). In the case of 1, it is indicated by x).
なお、比較例2において、高周波で安定してインク吐出できかったのは、比較例2では1層の膜のみから振動板が形成されているため、振動板の曲げ剛性が2.0×10−11Nm2未満であり、曲げ剛性が不足していたからである。 In Comparative Example 2, ink could not be stably ejected at a high frequency because, in Comparative Example 2, the diaphragm was formed from only one layer of film, and the flexural rigidity of the diaphragm was 2.0 × 10 This is because it was less than −11 Nm 2 and the bending rigidity was insufficient.
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 As described above, the preferred embodiments and the like have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications may be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be made.
例えば、上記の実施の形態では、上部電極を個別電極、下部電極を共通電極とした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、上部電極を共通電極、下部電極を個別電極とした構成においても同様の効果を得られる。 For example, in the above embodiment, the case where the upper electrode is an individual electrode and the lower electrode is a common electrode has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the same effect can be obtained in a configuration in which the upper electrode is a common electrode and the lower electrode is an individual electrode.
1、2 液体吐出ヘッド
10 基板
10x 圧力室
20 振動板
30 電気機械変換素子
31 下部電極
32 電気機械変換膜
33 上部電極
35 吐出駆動装置
40、70 絶縁保護膜
40x、70x 開口部
50 ノズル板
51 ノズル
60 配線
61、62、63 電極パッド
401 ガイド部材
403 キャリッジ
405 主走査モータ
406 駆動プーリ
407 従動プーリ
408 タイミングベルト
410 用紙
412 搬送ベルト
413 搬送ローラ
414 テンションローラ
416 副走査モータ
417 タイミングベルト
418 タイミングプーリ
420 維持回復機構
421 キャップ部材
422 ワイパ部材
440 液体吐出ユニット
441 ヘッドタンク
442 カバー
443 コネクタ
444 流路部品
450 液体カートリッジ
451 カートリッジホルダ
452 送液ユニット
456 チューブ
491A、491B 側板
491C 背板
493 主走査移動機構
494 供給機構
495 搬送機構
1, 2
Claims (12)
前記振動板は、圧縮応力を有する単層膜を少なくとも1層含む積層膜から形成され、
前記振動板の曲げ剛性は2.0×10−11Nm2以上であり、
前記振動板を構成する各単層膜の応力が600MPa以下であることを特徴とする吐出駆動装置。 An ejection drive device in which an electromechanical conversion element is formed on a diaphragm,
The diaphragm is formed from a laminated film including at least one single-layer film having a compressive stress,
The diaphragm has a flexural rigidity of 2.0 × 10 −11 Nm 2 or more,
The single-layer film constituting the diaphragm has a stress of 600 MPa or less.
前記第1膜、前記第2膜、及び前記第3膜の内、何れかの膜が構成元素以外の元素でイオン注入されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The laminated film includes a first film made of SiO 2 , a second film made of SiN, and a third film made of Poly-Si,
4. The method according to claim 1, wherein any one of the first film, the second film, and the third film is ion-implanted with an element other than a constituent element. The ejection drive device according to any one of the preceding claims.
前記下部電極と前記電気機械変換膜との間にチタン酸鉛からなるシード層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The electromechanical conversion element has a structure in which a lower electrode, an electromechanical conversion film, and an upper electrode are sequentially stacked,
The discharge driving device according to any one of claims 1 to 6, wherein a seed layer made of lead titanate is formed between the lower electrode and the electromechanical conversion film.
前記電気機械変換素子は、前記振動板上に複数個配列されており、
前記配列方向において、前記電気機械変換膜の(100)配向の配向度の平均値が95%以上であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の吐出駆動装置。 The electromechanical conversion element has a structure in which a lower electrode, an electromechanical conversion film, and an upper electrode are sequentially stacked,
A plurality of the electromechanical transducers are arranged on the diaphragm,
8. The ejection driving device according to claim 1, wherein in the arrangement direction, the average value of the degree of orientation of the (100) orientation of the electromechanical conversion film is 95% or more. 9.
前記電気機械変換素子に対応して設けられた、液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する加圧室と、を有し、
前記加圧室の壁の一部を前記振動板で構成し、
前記吐出駆動装置が前記加圧室内の液体を昇圧させることを特徴とする液体吐出ヘッド。 An ejection drive device according to any one of claims 1 to 8,
Provided corresponding to the electromechanical transducer, a nozzle for discharging liquid, and a pressurized chamber with which the nozzle communicates,
A part of the wall of the pressurizing chamber is constituted by the diaphragm,
A liquid discharge head, wherein the discharge drive device pressurizes the liquid in the pressurized chamber.
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