JP7167626B2 - Actuator, liquid ejection head, liquid ejection unit, and apparatus for ejecting liquid - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置に関する。 The present invention relates to an actuator, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and an apparatus for ejecting liquid.

産業用、商用印刷分野において、高周波数駆動が可能である等の生産性が高い液体吐出ヘッド及び液体吐出装置が求められている。 2. Description of the Related Art In the field of industrial and commercial printing, there is a demand for a liquid ejection head and a liquid ejection device that are highly productive, such as being capable of high-frequency driving.

液体吐出ヘッド及び液体吐出装置の具体例としては、液体を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室(個別液室とも称される)と、加圧室の一部を形成する振動板と、加圧室内のインクを加圧する圧電素子などの電気-機械変換素子とを備えるものがある。この場合、電気-機械変換素子で加圧室内の液体を加圧することによってノズルから液体を吐出する。 Specific examples of the liquid ejection head and the liquid ejection device include nozzles for ejecting liquid, pressurizing chambers (also referred to as individual liquid chambers) communicating with the nozzles, and a vibration plate forming a part of the pressurizing chambers. and an electro-mechanical conversion element such as a piezoelectric element for pressurizing the ink in the pressurizing chamber. In this case, the liquid is ejected from the nozzle by pressurizing the liquid in the pressure chamber with the electro-mechanical transducer.

高周波数駆動を実現するための一つの達成手法として、振動板剛性を高めることが重要である。具体的には、振動板の厚みを厚くすることによって剛性を確保する。その振動板材料としてSOIウェハを用いる技術がある。
しかし、振動板を厚くして剛性を高めると、力を加えたときの変形量は小さくなるため、吐出効率が悪くなってしまうという問題があった。
It is important to increase the rigidity of the diaphragm as one means of achieving high-frequency driving. Specifically, rigidity is ensured by increasing the thickness of the diaphragm. There is a technique using an SOI wafer as the diaphragm material.
However, increasing the rigidity of the diaphragm by increasing its thickness reduces the amount of deformation when a force is applied, resulting in a problem of poor ejection efficiency.

特許文献1には、振動板としてSOIを用いており、シリコンで構成される振動板の表面及び裏面に第1及び第2のシリコン酸化膜が形成され、振動板の厚みが2μm以上20μm以下、第1及び第2のシリコン酸化膜の厚みが0.5μm以上2.0μm以下であることが開示されている。
しかしながら、特許文献1では振動板剛性を高めているが、振動板の変形量を大きくすることについての検討がなされておらず、良好な吐出効率が得られていない。また、経時で変位特性が劣化してしまう。
In Patent Document 1, SOI is used as the diaphragm, first and second silicon oxide films are formed on the front and back surfaces of the diaphragm made of silicon, and the thickness of the diaphragm is 2 μm or more and 20 μm or less. It is disclosed that the thickness of the first and second silicon oxide films is 0.5 μm or more and 2.0 μm or less.
However, in Patent Document 1, although the rigidity of the diaphragm is increased, no consideration has been given to increasing the amount of deformation of the diaphragm, and good ejection efficiency has not been obtained. In addition, displacement characteristics deteriorate with time.

特許文献2には、圧縮応力を有する単層膜を少なくとも1層含む積層膜により振動板を形成し、振動板の曲げ剛性、振動板を構成する各単層膜の応力を所定の値にすることが開示されている。特許文献2では高周波での吐出性能を確保可能とすることを目的としている。
しかしながら、特許文献2では、十分な振動板剛性が得られていないため、高周波駆動における吐出効率を向上させると同時に、振動板剛性を高めることが求められている。
In Patent Document 2, a diaphragm is formed by a laminated film including at least one monolayer film having compressive stress, and the bending rigidity of the diaphragm and the stress of each monolayer film constituting the diaphragm are set to predetermined values. is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200000 aims to ensure ejection performance at high frequencies.
However, since sufficient diaphragm rigidity is not obtained in Patent Document 2, it is desired to improve the ejection efficiency in high-frequency driving and at the same time increase the diaphragm rigidity.

本発明は、初期及び経時の変位特性が良好で、吐出特性が良好なアクチュエータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an actuator with good initial and temporal displacement characteristics and good ejection characteristics.

上記課題を解決するために、本発明のアクチュエータは、振動板、下部電極、電気-機械変換膜及び上部電極を有し、前記振動板は、厚み0.5μm以上の第1のシリコン酸化膜、該第1シリコン酸化膜上に厚み3μm以上のシリコン層、及び、該シリコン層上に厚み0.5μm以上の第2のシリコン酸化膜を有し、前記シリコン層の体積抵抗率が10Ω・cm以上10Ω・cm以下であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the actuator of the present invention has a diaphragm, a lower electrode, an electro-mechanical conversion film and an upper electrode, the diaphragm comprising a first silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm or more, A silicon layer having a thickness of 3 μm or more is formed on the first silicon oxide film, and a second silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm or more is formed on the silicon layer, and the silicon layer has a volume resistivity of 10 3 Ω. · cm or more and 10 6 Ω·cm or less.

本発明によれば、初期及び経時の変位特性が良好で、吐出特性が良好なアクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an actuator with good initial and temporal displacement characteristics and good ejection characteristics.

本発明に係るアクチュエータの一例における断面図である。1 is a cross-sectional view of an example of an actuator according to the present invention; FIG. 本発明に係るアクチュエータの一例におけるその他の断面図である。FIG. 4 is another cross-sectional view of an example of an actuator according to the present invention; 振動板の応力と変位の関係の一例をプロットした図である。FIG. 4 is a diagram plotting an example of the relationship between stress and displacement of a diaphragm. シリコン層(活性層)の抵抗、振動板の応力及び第2のシリコン酸化膜(表面層)の厚みの関係の一例をプロットした図である。FIG. 3 is a diagram plotting an example of the relationship between the resistance of the silicon layer (active layer), the stress of the diaphragm, and the thickness of the second silicon oxide film (surface layer). 本発明に係るアクチュエータの他の例における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of an actuator according to the present invention; 本発明に係るアクチュエータの他の例における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of an actuator according to the present invention; 本発明に係るアクチュエータの他の例における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of an actuator according to the present invention; 本発明に係るアクチュエータの他の例における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of an actuator according to the present invention; 電気-機械変換膜のXRD(X線回折)測定結果の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of XRD (X-ray diffraction) measurement results of an electro-mechanical conversion film; 電気-機械変換膜のXRD測定結果の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of XRD measurement results of an electro-mechanical conversion film; 電気-機械変換膜のXRD測定結果に対してピーク分離を行い、フィッティングした際のピーク本数とフィッティング残渣の関係の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the number of peaks and fitting residue when performing peak separation and fitting on XRD measurement results of an electro-mechanical conversion film. 電気-機械変換膜の結晶構造の一例を示す模式図(a)及び当該電気-機械変換膜のXRD測定結果の一例を示す図(b)である。FIG. 2A is a schematic diagram showing an example of the crystal structure of an electro-mechanical conversion film, and FIG. 2B is a diagram showing an example of XRD measurement results of the electro-mechanical conversion film. 本発明に係るアクチュエータの他の例における断面図(a)及び平面図(b)である。It is sectional drawing (a) and top view (b) in the other example of the actuator which concerns on this invention. 分極処理装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a polarization processing apparatus. P-Eヒステリシスループの一例(a)及び(b)である。Examples of PE hysteresis loops (a) and (b). コロナ放電を説明するための模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining corona discharge; 本発明に係る液体を吐出する装置の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of an apparatus for ejecting liquid according to the present invention; FIG. 本発明に係る液体を吐出する装置の他の例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of a device for ejecting liquid according to the present invention; 本発明に係る液体吐出ユニットの一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of a liquid ejection unit according to the present invention; FIG. 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of the liquid ejection unit according to the present invention; 本発明の液体を吐出する装置の他の例における斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of another example of the device for ejecting liquid according to the present invention; 本発明の液体を吐出する装置の他の例における側面図である。FIG. 4 is a side view of another example of the device for ejecting liquid according to the present invention;

以下、本発明に係るアクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 An actuator, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and an apparatus for ejecting liquid according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the present invention is not limited to the embodiments shown below, and can be changed within the scope of those skilled in the art, such as other embodiments, additions, modifications, deletions, etc. is also included in the scope of the present invention as long as the functions and effects of the present invention are exhibited.

本発明は、例えばデジタル印刷分野等の印刷分野に用いることができ、インクジェットプリンタ、MFPを使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等に適用可能である。また、インクジェット技術を利用する三次元造型技術等に応用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of printing such as digital printing, for example, and is applicable to inkjet printers, digital printing apparatuses using MFPs, office and personal printers, MFPs, and the like. In addition, it can be applied to three-dimensional molding technology using inkjet technology.

(アクチュエータ、液体吐出ヘッド)
本発明のアクチュエータは、振動板、下部電極、電気-機械変換膜及び上部電極を有し、前記振動板は、厚み0.5μm以上の第1のシリコン酸化膜、該第1シリコン酸化膜上に厚み3μm以上のシリコン層、及び、該シリコン層上に厚み0.5μm以上の第2のシリコン酸化膜を有し、前記シリコン層の体積抵抗率が10Ω・cm以上10Ω・cm以下であることを特徴とする。
(actuator, liquid ejection head)
The actuator of the present invention has a diaphragm, a lower electrode, an electro-mechanical conversion film and an upper electrode, and the diaphragm comprises a first silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm or more, and a silicon oxide film on the first silicon oxide film. It has a silicon layer with a thickness of 3 μm or more, and a second silicon oxide film with a thickness of 0.5 μm or more on the silicon layer, and the silicon layer has a volume resistivity of 10 3 Ω·cm or more and 10 6 Ω·cm or less. It is characterized by

<第1の実施形態>
以下、本発明に係るアクチュエータの一実施形態について説明する。本実施形態のアクチュエータの断面図を図1に示す。図1では、基板11、振動板12、下部電極13、電気-機械変換膜14、上部電極15が図示されている。本実施形態では、基板11上に下部電極13、電気-機械変換膜14、上部電極15等がエッチング加工等により1素子ずつ形成されている。
以下、詳細を説明する。なお、ここでは基板、下部電極、上部電極及び振動板の詳細を主に説明しており、電気-機械変換膜、その他の構成については後の実施形態で説明する。
<First Embodiment>
An embodiment of an actuator according to the present invention will be described below. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the actuator of this embodiment. In FIG. 1, a substrate 11, a diaphragm 12, a lower electrode 13, an electro-mechanical conversion film 14, and an upper electrode 15 are illustrated. In this embodiment, the lower electrode 13, the electro-mechanical conversion film 14, the upper electrode 15, and the like are formed on the substrate 11 one by one by etching or the like.
Details will be described below. The details of the substrate, the lower electrode, the upper electrode, and the diaphragm are mainly described here, and the electro-mechanical conversion film and other configurations will be described in later embodiments.

<<基板>>
基板11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。
<<Substrate>>
As the substrate 11, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is preferable to have a thickness of 100 to 600 μm. There are three plane orientations, (100), (110), and (111). In general, (100) and (111) are widely used in the semiconductor industry. ) can be used.

<<下部電極、上部電極>>
下部電極13及び上部電極15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。
<<lower electrode, upper electrode>>
As the metal material for the lower electrode 13 and the upper electrode 15, platinum having high heat resistance and low reactivity can be used. However, platinum may not have sufficient barrier properties against lead, in which case platinum group elements such as iridium, platinum-rhodium, and alloy films thereof can be used. .

なお、下部電極13及び上部電極15として白金を使用する場合には、下地となる振動板12(特にSiO)との密着性を考慮し、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等の密着層を介して積層することが好ましい。下部電極13及び上部電極15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13及び上部電極15の膜厚としては、0.05~1μmが好ましく、0.1~0.5μmがより好ましい。 When platinum is used as the lower electrode 13 and the upper electrode 15, Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 and Ta are used in consideration of adhesion to the underlying vibration plate 12 (especially SiO 2 ). It is preferable to laminate via an adhesion layer such as 3N5 . As a method for producing the lower electrode 13 and the upper electrode 15, vacuum film formation such as a sputtering method or vacuum deposition can be used. The film thickness of the lower electrode 13 and the upper electrode 15 is preferably 0.05 to 1 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm.

更に、下部電極13及び上部電極15において、金属材料と電気-機械変換膜14との間に、SrRuOやLaNiO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13と電気-機械変換膜14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14(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 lower electrode 13 and the upper electrode 15, an oxide electrode film made of SrRuO 3 or LaNiO 3 may be formed between the metal material and the electro-mechanical conversion film 14. FIG. Note that the oxide electrode film between the lower electrode 13 and the electro-mechanical conversion film 14 affects the orientation control of the electro-mechanical conversion film 14 (eg, PZT film) formed thereon. The material selected depends on the desired orientation.

<<振動板>>
本実施形態の振動板12はSOI(Silicon on Insulator)を用いて構成されている。本実施形態の振動板12を図2に示す。図2は図1における振動板12をより詳しく示した断面図である。下から基板11、第1のシリコン酸化膜20、シリコン層21、第2のシリコン酸化膜22が図示されており、第1のシリコン酸化膜20から第2のシリコン酸化膜22までが振動板12として機能する。
<<Diaphragm>>
The diaphragm 12 of this embodiment is constructed using SOI (Silicon on Insulator). FIG. 2 shows the diaphragm 12 of this embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the diaphragm 12 in FIG. 1 in more detail. A substrate 11, a first silicon oxide film 20, a silicon layer 21, and a second silicon oxide film 22 are shown from the bottom. function as

高周波駆動させるために、振動板はできるだけ厚くし、剛性を高くすることが好ましい。しかし、振動板の厚みを厚くし、剛性を高めると、力を加えたときの変形量は小さくなるため吐出効率が悪くなってしまうという問題がある。
発明者は鋭意検討した結果、振動板全体の応力を圧縮側に制御することにより、電気-機械変換膜の引張応力を小さくすることでき、歪(変位量)を向上させ、剛性を確保すると同時に吐出効率を向上させることができることが分かった。
For high-frequency driving, it is preferable to make the diaphragm as thick as possible and to increase its rigidity. However, if the thickness of the diaphragm is increased and the rigidity is increased, the amount of deformation when a force is applied is reduced, resulting in a problem of poor discharge efficiency.
As a result of extensive studies, the inventors have found that by controlling the stress of the entire diaphragm to the compression side, the tensile stress of the electro-mechanical conversion film can be reduced, the strain (displacement amount) is improved, and the rigidity is secured. It was found that the ejection efficiency can be improved.

振動板の応力と変位の関係について、図3を用いて説明する。図3は、振動板の剛性は揃えた上で、振動板の応力を圧縮側、引張側に振った複数のサンプルについて、振動板の応力を横軸とし、振動板の変位を縦軸としてプロットしたものである。図中(C)のように、振動板の応力が引張応力であると、良好な変位が得られない。また、図中(B)のように、振動板の応力が圧縮応力側であると、変位が向上する。そして、図中(A)のように、振動板の応力が圧縮応力側であり、所定の範囲であると、変位がさらに向上する。本実施形態では、図中(A)を狙いとしており、剛性を確保すると同時に吐出効率を向上させることができる。 The relationship between stress and displacement of the diaphragm will be described with reference to FIG. Figure 3 plots the stress of the diaphragm on the horizontal axis and the displacement of the diaphragm on the vertical axis for multiple samples in which the stress of the diaphragm is distributed to the compression side and the tension side after the rigidity of the diaphragm is the same. It is what I did. As shown in (C) in the figure, when the stress of the diaphragm is tensile stress, good displacement cannot be obtained. Further, as shown in (B) in the figure, when the stress of the diaphragm is on the compressive stress side, the displacement is improved. Then, as shown in (A) in the figure, when the stress of the diaphragm is on the compressive stress side and is within a predetermined range, the displacement is further improved. This embodiment aims at (A) in the figure, and can improve the ejection efficiency while securing the rigidity.

本実施形態では、振動板材料としてSOIウェハを用いることで振動板剛性を高めると同時に、第1のシリコン酸化膜、シリコン層、第2のシリコン酸化膜を所定の厚みにし、かつ、シリコン層の応力を低下させて圧縮側の応力としている。これにより、振動板全体の応力を圧縮側に制御し、電気-機械変換膜の引張応力を小さくすることができ、変位量を向上させ、吐出効率を向上させている。そして、更に詳細を検討した結果、振動板全体の応力を圧縮側に制御するには、振動板におけるシリコン層21の抵抗値を所定の値にすることが重要であることが分かった。
以下、詳細を説明する。
In this embodiment, an SOI wafer is used as a diaphragm material to increase the rigidity of the diaphragm, and at the same time, the first silicon oxide film, the silicon layer, and the second silicon oxide film have predetermined thicknesses, and the thickness of the silicon layer is increased. The stress is reduced to be the stress on the compression side. As a result, the stress of the diaphragm as a whole can be controlled to the compressive side, the tensile stress of the electro-mechanical conversion film can be reduced, the amount of displacement can be improved, and the ejection efficiency can be improved. As a result of a further detailed study, it was found that it is important to set the resistance value of the silicon layer 21 in the diaphragm to a predetermined value in order to control the stress of the diaphragm as a whole to the compressive side.
Details will be described below.

-第1のシリコン酸化膜-
第1のシリコン酸化膜20はBox層とも称され、埋め込み酸化膜としての機能を有する。第1のシリコン酸化膜20は圧縮応力を有していることが好ましい。第1のシリコン酸化膜20の厚みは0.5μm以上であり、1μm以上がより好ましい。厚みが0.5μm以上であることにより、振動板全体を圧縮側に制御することが可能となる。また、第1のシリコン酸化膜20の厚みは8μm以下であることが好ましい。
- First silicon oxide film -
The first silicon oxide film 20 is also called a Box layer and functions as a buried oxide film. The first silicon oxide film 20 preferably has compressive stress. The thickness of the first silicon oxide film 20 is 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more. When the thickness is 0.5 μm or more, it becomes possible to control the entire diaphragm to the compression side. Also, the thickness of the first silicon oxide film 20 is preferably 8 μm or less.

-第2のシリコン酸化膜-
第2のシリコン酸化膜22は表面層とも称され、シリコン層21を酸化させた酸化膜である。第2のシリコン酸化膜22は圧縮応力を有していることが好ましい。第2のシリコン酸化膜22の厚みは0.5μm以上であり、2μm以上がより好ましい。厚みが0.5μm以上であることにより、振動板全体を圧縮側に制御することが可能となる。また、第2のシリコン酸化膜22の厚みは8μm以下であることが好ましい。
- Second silicon oxide film -
The second silicon oxide film 22 is also called a surface layer and is an oxide film obtained by oxidizing the silicon layer 21 . The second silicon oxide film 22 preferably has compressive stress. The thickness of the second silicon oxide film 22 is 0.5 μm or more, preferably 2 μm or more. When the thickness is 0.5 μm or more, it becomes possible to control the entire diaphragm to the compression side. Also, the thickness of the second silicon oxide film 22 is preferably 8 μm or less.

第2のシリコン酸化膜22は、その上に作製する下部電極13、更には電気-機械変換膜14をPZT膜としたときの(100)配向度が非常に高い結晶膜を作製するための機能も兼ねている。第2のシリコン酸化膜22の厚みを0.5μm以上にすることにより、下部電極とPZTの(100)配向度の高い膜が得られやすくなる。 The function of the second silicon oxide film 22 is to form a crystalline film with a very high degree of (100) orientation when the lower electrode 13 and the electro-mechanical conversion film 14 formed thereon are PZT films. Also serves as By setting the thickness of the second silicon oxide film 22 to 0.5 μm or more, it becomes easy to obtain a film with a high degree of (100) orientation of the lower electrode and PZT.

また、第2のシリコン酸化膜22の厚みは、第1のシリコン酸化膜20の厚み以上であることが好ましい。この場合、振動板全体を圧縮側に制御しやすくなるとともに、振動板剛性を更に高めることが可能となる。 Moreover, the thickness of the second silicon oxide film 22 is preferably equal to or greater than the thickness of the first silicon oxide film 20 . In this case, it becomes easier to control the entire diaphragm to the compression side, and it is possible to further increase the rigidity of the diaphragm.

-シリコン層-
シリコン層21は活性層とも称され、厚みは3μm以上である。3μm以上にすることで振動板剛性を高めることが可能である。また、5μm以上がより好ましく、この場合、吐出特性をより向上させることができる。また、シリコン層21の厚みは12μm以下であることが好ましく、8μm以下であることがより好ましい。
-Silicon layer-
The silicon layer 21 is also called an active layer and has a thickness of 3 μm or more. By setting the thickness to 3 μm or more, it is possible to increase the rigidity of the diaphragm. Moreover, it is more preferably 5 μm or more, and in this case, the ejection characteristics can be further improved. Also, the thickness of the silicon layer 21 is preferably 12 μm or less, more preferably 8 μm or less.

シリコン層21の応力を所定の範囲にまで低下させることで振動板全体の応力を圧縮側に制御することができる。シリコン層21の応力を下げるには、シリコン層21の抵抗値を所定の値にすることが重要である。 By reducing the stress of the silicon layer 21 to within a predetermined range, the stress of the diaphragm as a whole can be controlled to the compressive side. In order to reduce the stress in the silicon layer 21, it is important to set the resistance value of the silicon layer 21 to a predetermined value.

図4にシリコン層21の抵抗と振動板の応力の関係を説明するための図を示す。図4は横軸をシリコン層21の抵抗、縦軸を振動板の応力としていくつかのサンプルの測定結果をプロットしたものである。縦軸の上側は圧縮応力側であり、下側は引張応力側である。応力値としては、値が小さい場合は圧縮応力側の応力を有することになるため縦軸の上側に位置し、値が大きい場合は引張応力側の応力を有することになるため縦軸の下側に位置する。 FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the resistance of the silicon layer 21 and the stress of the diaphragm. FIG. 4 plots the measurement results of several samples, with the horizontal axis representing the resistance of the silicon layer 21 and the vertical axis representing the stress of the diaphragm. The upper side of the vertical axis is the compressive stress side and the lower side is the tensile stress side. As for the stress value, when the value is small, the stress is on the compressive stress side, so it is positioned above the vertical axis, and when the value is large, it is on the tensile stress side, so it is on the lower side of the vertical axis. Located in

図4中、a1~a4は第2のシリコン酸化膜22(表面層)の厚みが厚い(2μm程度)場合のサンプルであり、b1~b4は第2のシリコン酸化膜22(表面層)の厚みが薄い(0.3μm程度)場合のサンプルである。なお、図中a1~a4及びb1~b4のサンプルでは振動板の剛性は揃えている。 In FIG. 4, a1 to a4 are samples when the thickness of the second silicon oxide film 22 (surface layer) is thick (about 2 μm), and b1 to b4 are the thickness of the second silicon oxide film 22 (surface layer). This sample is thin (about 0.3 μm). In addition, in the samples a1 to a4 and b1 to b4 in the figure, the rigidity of the diaphragm is the same.

まず、a1~a4とb1~b4を比較すると、第2のシリコン酸化膜22の厚みを厚くすることで、振動板の応力は圧縮側となる。また、a1~a4又はb1~b4を検討すると、シリコン層21の抵抗を高抵抗にすることで、シリコン層21の応力が低下し、シリコン層21は圧縮側の応力が大きくなる。結果として、振動板の圧縮側の応力が大きくなる。 First, when a1 to a4 and b1 to b4 are compared, by increasing the thickness of the second silicon oxide film 22, the stress of the diaphragm becomes compressive. Considering a1 to a4 or b1 to b4, by increasing the resistance of the silicon layer 21, the stress of the silicon layer 21 is reduced and the stress of the silicon layer 21 on the compression side is increased. As a result, the stress on the compression side of the diaphragm increases.

このため、第2のシリコン酸化膜22(表面層)の厚みを大きくし、シリコン層21を高抵抗側に制御することにより、シリコン層21自体の応力を低下させることができ、振動板全体を圧縮側に調整することができる。振動板全体を圧縮側に調整することで変位をより大きくすることができる。このように調整することにより、本実施形態ではa1を狙いとしている。
なお、図4のプロットを得るにあたり、振動板のウェハ反り量から振動板が圧縮応力を有すると判断している。
For this reason, by increasing the thickness of the second silicon oxide film 22 (surface layer) and controlling the silicon layer 21 to a high resistance side, the stress of the silicon layer 21 itself can be reduced, and the entire diaphragm can be controlled. Can be adjusted on the compression side. Displacement can be increased by adjusting the entire diaphragm to the compression side. By adjusting in this way, a1 is targeted in this embodiment.
Incidentally, in obtaining the plot of FIG. 4, it is determined that the diaphragm has a compressive stress from the wafer warp amount of the diaphragm.

Si(シリコン)自体は僅かに引張応力を有しているが、酸化シリコン膜は圧縮応力を有している。このため、シリコン層21の抵抗を高くし、応力を低下させ、さらに、第1のシリコン酸化膜20及び第2のシリコン酸化膜22を所定の厚みよりも厚くすることにより、振動板全体を圧縮側に制御することができる。 Si (silicon) itself has a slight tensile stress, but a silicon oxide film has a compressive stress. For this reason, the resistance of the silicon layer 21 is increased, the stress is reduced, and the first silicon oxide film 20 and the second silicon oxide film 22 are made thicker than a predetermined thickness, thereby compressing the entire diaphragm. side can be controlled.

シリコン層21の体積抵抗率としては、10Ω・cm以上10Ω・cm以下であることが必要である。10Ω・cm以上であることにより、シリコン層21の応力が低下し、圧縮側の応力を有することになるため、振動板全体の応力を圧縮側に制御することができる。10Ω・cm未満である場合、良好な圧電特性及び吐出特性が得られない。10Ω・cmより大きい場合、分極処理を行う場合に分極が上手く進まず、その後の連続駆動耐久での特性劣化に影響が生じる。
また、シリコン層21の体積抵抗率は10Ω・cm以上が好ましい。
なお、シリコン層21の体積抵抗率の測定は4端子法等の抵抗率計を用いて行う。
The volume resistivity of the silicon layer 21 must be 10 3 Ω·cm or more and 10 6 Ω·cm or less. When the resistance is 10 3 Ω·cm or more, the stress of the silicon layer 21 is reduced, and the stress of the entire diaphragm can be controlled to the compression side. If it is less than 10 3 Ω·cm, good piezoelectric properties and ejection properties cannot be obtained. If it is larger than 10 6 Ω·cm, the polarization does not proceed well when the polarization treatment is performed, and the deterioration of the characteristics in the subsequent continuous driving endurance is affected.
Moreover, the volume resistivity of the silicon layer 21 is preferably 10 4 Ω·cm or more.
The volume resistivity of the silicon layer 21 is measured using a resistivity meter such as a four-probe method.

シリコン層21の体積抵抗率を上記範囲にする方法としては、シリコン層21における添加剤(不純物)の濃度を適切な範囲に制御することが有効である。シリコン層21における不純物の濃度は、結果的にシリコン層21の体積抵抗率に比例し、不純物の濃度を適切な範囲に制御することで振動板の応力を制御することができるとともに、振動板の剛性を高めることが可能となる。 As a method for setting the volume resistivity of the silicon layer 21 within the above range, it is effective to control the concentration of the additive (impurity) in the silicon layer 21 within an appropriate range. The impurity concentration in the silicon layer 21 is proportional to the volume resistivity of the silicon layer 21, and by controlling the impurity concentration in an appropriate range, the stress of the diaphragm can be controlled and the stress of the diaphragm can be controlled. Rigidity can be increased.

シリコン層21は、例えばp型シリコン、n型シリコンにすることが挙げられる。
p型シリコンにする場合は、例えばB等を不純物としてドープする。p型シリコンの場合、不純物濃度が1.3×1013atoms/cm以下であることが好ましく、1.3×1012atoms/cm以下であることがより好ましい。シリコン層21の抵抗は不純物濃度にも影響するため、不純物濃度が上記の好適な範囲を満たす場合、シリコン層21の体積抵抗率を上記範囲に設定しやすくなる。
また、下限値としては1.3×1010atoms/cm以上であることが好ましく、この場合、分極処理をより良好に行うことができ、連続駆動耐久での特性劣化を抑えることができる。
The silicon layer 21 may be made of, for example, p-type silicon or n-type silicon.
When using p-type silicon, for example, B or the like is doped as an impurity. In the case of p-type silicon, the impurity concentration is preferably 1.3×10 13 atoms/cm 3 or less, more preferably 1.3×10 12 atoms/cm 3 or less. Since the resistance of the silicon layer 21 also affects the impurity concentration, when the impurity concentration satisfies the above preferable range, the volume resistivity of the silicon layer 21 can be easily set within the above range.
In addition, the lower limit is preferably 1.3×10 10 atoms/cm 3 or more. In this case, the polarization treatment can be performed better, and deterioration of characteristics during continuous driving durability can be suppressed.

n型シリコンにする場合は、例えばAs、P等を不純物としてドープする。n型シリコンの場合、不純物濃度が4.3×1012atoms/cm以下であることが好ましく、4.3×1011atoms/cm以下であることがより好ましい。シリコン層21の抵抗は不純物濃度にも影響するため、不純物濃度が上記の好適な範囲を満たす場合、シリコン層21の体積抵抗率を上記範囲に設定しやすくなる。
また、下限値としては4.3×10atoms/cm以上であることが好ましく、この場合、分極処理をより良好に行うことができ、連続駆動耐久での特性劣化を抑えることができる。
When using n-type silicon, for example, As, P, or the like is doped as an impurity. In the case of n-type silicon, the impurity concentration is preferably 4.3×10 12 atoms/cm 3 or less, more preferably 4.3×10 11 atoms/cm 3 or less. Since the resistance of the silicon layer 21 also affects the impurity concentration, when the impurity concentration satisfies the above preferable range, the volume resistivity of the silicon layer 21 can be easily set within the above range.
In addition, the lower limit is preferably 4.3×10 9 atoms/cm 3 or more. In this case, the polarization treatment can be performed more favorably, and deterioration of characteristics during continuous driving durability can be suppressed.

不純物濃度の測定は、ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry)分析もしくはSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析により測定可能である。 Impurity concentration can be measured by ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) analysis or SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis.

-曲げ剛性-
本実施形態では、振動板の曲げ剛性は7.0×10-10Nm以上であることが好ましく、5.0×10-9Nm以上がより好ましい。上記範囲を満たす場合、高い周波数での駆動吐出をより良好に行うことができる。なお、本実施形態では、振動板の各層の膜厚、ヤング率、ポアソン比から振動板の曲げ剛性を求めている。
-Bending stiffness-
In this embodiment, the bending rigidity of the diaphragm is preferably 7.0×10 −10 Nm 2 or more, more preferably 5.0×10 −9 Nm 2 or more. When the above range is satisfied, drive ejection at a high frequency can be performed more satisfactorily. In this embodiment, the flexural rigidity of the diaphragm is obtained from the film thickness, Young's modulus, and Poisson's ratio of each layer of the diaphragm.

-振動板の厚み-
振動板12の厚みとしては、8μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。8μm以上であることにより、吐出特性を向上させることができる。また、振動板12の厚みは、20μm以下が好ましい。
-Thickness of Diaphragm-
The thickness of diaphragm 12 is preferably 8 μm or more, more preferably 10 μm or more. When the thickness is 8 μm or more, ejection characteristics can be improved. Further, the thickness of diaphragm 12 is preferably 20 μm or less.

<第2の実施形態>
本発明に係るアクチュエータのその他の実施形態について図5を用いて説明する。上記実施形態と共通の事項については説明を省略する。図5は図1と同様の断面図である。本実施形態では、振動板12と下部電極13の間に応力制御層16が形成されている。すなわち、SOI振動板の上に応力制御層16が形成されている。応力制御層16は圧縮応力を有する材料からなり、応力制御層16が設けられている場合、第1のシリコン酸化膜20から応力制御層16までを振動板全体として捉えた場合に、振動板を圧縮側に制御することができる。
<Second embodiment>
Another embodiment of the actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. Descriptions of matters common to the above embodiment will be omitted. FIG. 5 is a cross-sectional view similar to FIG. In this embodiment, a stress control layer 16 is formed between the diaphragm 12 and the lower electrode 13 . That is, the stress control layer 16 is formed on the SOI diaphragm. The stress control layer 16 is made of a material having a compressive stress. When the stress control layer 16 is provided, when the diaphragm is viewed from the first silicon oxide film 20 to the stress control layer 16 as a whole, the diaphragm is compressed. It can be controlled on the compression side.

応力制御層16としては、圧縮応力を有する材料であれば特に制限されるものではなく、例えばZrO、SiO、poly-Si、LaNiO等の酸化物電極が挙げられる。これらの中でもZrOが好ましい。
膜厚としては50nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましい。50nm以上とすることにより、振動板全体の応力を制御しやすくなる。
The stress control layer 16 is not particularly limited as long as it is a material having compressive stress, and examples thereof include oxide electrodes such as ZrO 2 , SiO 2 , poly-Si and LaNiO 3 . Among these, ZrO2 is preferred.
The film thickness is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. By setting the thickness to 50 nm or more, it becomes easier to control the stress of the entire diaphragm.

<第3の実施形態>
本発明に係るその他の実施形態について図6、図7を用いて説明する。上記実施形態と共通の事項については説明を省略する。図6は1つの電気-機械変換素子19について示したものであり、図7は複数の電気-機械変換素子19について示したものである。
<Third Embodiment>
Another embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. Descriptions of matters common to the above embodiment will be omitted. 6 shows one electro-mechanical conversion element 19, and FIG. 7 shows a plurality of electro-mechanical conversion elements 19. As shown in FIG.

本実施形態では、基板11が個別液室42を有しており、ノズル41が設けられたノズル基板40が個別液室42側に接合されている。個別液室42は隔壁43によって仕切られており、本実施形態では隔壁43はSiからなる。 In this embodiment, the substrate 11 has the individual liquid chambers 42, and the nozzle substrate 40 provided with the nozzles 41 is joined to the individual liquid chambers 42 side. The individual liquid chambers 42 are partitioned by partition walls 43, which are made of Si in this embodiment.

また、本実施形態では、隔壁43の体積抵抗率は10Ω・cm以下が好ましく、1Ω・cm以下がより好ましい。隔壁43の体積抵抗率は分極処理に影響しており、上記範囲を満たすことにより、分極処理を好適に行うことができ、連続駆動耐久での特性が向上する。隔壁43の体積抵抗率が10Ω・cmよりも大きい場合、例えば体積抵抗率が1.0×10の隔壁とした場合、初期の変位特性は良好となるが、耐久後の変位特性に劣化が生じることがある。
なお、隔壁43の体積抵抗率の測定は、基板11に個別液室42を形成し、ノズル基板40を接合した後に測定を行う。測定は4端子法等の抵抗率計を用いて行う。
Moreover, in the present embodiment, the volume resistivity of the partition walls 43 is preferably 10 Ω·cm or less, more preferably 1 Ω·cm or less. The volume resistivity of the partition wall 43 affects the polarization treatment, and by satisfying the above range, the polarization treatment can be performed favorably, and the characteristics in the continuous driving endurance are improved. When the volume resistivity of the partition wall 43 is greater than 10 Ω·cm, for example, when the partition wall has a volume resistivity of 1.0×10 5 , the initial displacement characteristics are good, but the displacement characteristics after endurance deteriorate. can occur.
The volume resistivity of the partition wall 43 is measured after the individual liquid chambers 42 are formed in the substrate 11 and the nozzle substrate 40 is bonded. Measurement is performed using a resistivity meter such as a four-terminal method.

また、本実施形態は、液体吐出ヘッドの一実施形態を示すものであり、本実施径形態の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズル41と、ノズル41に連通する個別液室42と、個別液室42に圧力を発生させるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータが本発明のアクチュエータである。 Further, this embodiment shows one embodiment of the liquid ejection head, and the liquid ejection head of this embodiment includes nozzles 41 that eject liquid, individual liquid chambers 42 that communicate with the nozzles 41, and individual liquid chambers 42 that communicate with the nozzles 41. and an actuator for generating pressure in the liquid chamber 42, and the actuator is the actuator of the present invention.

また、本実施形態では、図示されるように電気-機械変換素子19上に第1の絶縁保護膜17を形成している。これにより、電気-機械変換素子19の劣化を抑制することができる。 Further, in this embodiment, a first insulating protective film 17 is formed on the electro-mechanical conversion element 19 as illustrated. As a result, deterioration of the electro-mechanical conversion element 19 can be suppressed.

本実施形態によれば、電気-機械変換素子19が簡便な製造工程で(かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ)形成でき、その後の個別液室42形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル41を有するノズル板40を接合することで液体吐出ヘッドができる。なお、図中、液体供給手段、流路、流体抵抗は省略している。 According to this embodiment, the electro-mechanical conversion element 19 can be formed by a simple manufacturing process (and has performance equivalent to that of bulk ceramics). A liquid ejection head can be made by joining the nozzle plate 40 having 41 . Note that liquid supply means, flow paths, and fluid resistance are omitted in the figure.

<第4の実施形態>
次に、本発明に係るその他の実施形態について図8を用いて説明する。上記実施形態と共通の事項については説明を省略する。図8は図1と同様の断面図であり、図1における下部電極13、上部電極15が第1の電極31、第2の電極32、第3の電極33、第4の電極34となっている点で異なっている。
<Fourth Embodiment>
Next, another embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. Descriptions of matters common to the above embodiment will be omitted. FIG. 8 is a cross-sectional view similar to FIG. 1, in which the lower electrode 13 and upper electrode 15 in FIG. different in that there are

図1における下部電極13、上部電極15としては、電気的な抵抗が十分に得られる金属層とすることが好ましく、この場合、本実施形態における第1の電極31、第4の電極34に相当する。 As the lower electrode 13 and the upper electrode 15 in FIG. 1, it is preferable to use a metal layer that provides sufficient electrical resistance. In this case, it corresponds to the first electrode 31 and the fourth electrode 34 in this embodiment. do.

さらに、アクチュエータとして機能させたときに、連続的に駆動させ続けたときの変位等の低下を抑制するため、電気-機械変換膜14の界面における層は導電性を有した酸化物電極層とすることが好ましい。本実施形態では、第2の電極32及び第3の電極33を酸化物電極層としている。
以下、本実施形態における各構成の詳細を説明する。
Furthermore, in order to suppress a decrease in displacement or the like when continuously driven when functioning as an actuator, the layer at the interface of the electro-mechanical conversion film 14 is a conductive oxide electrode layer. is preferred. In this embodiment, the second electrode 32 and the third electrode 33 are oxide electrode layers.
Details of each configuration in the present embodiment will be described below.

<<第1の電極、第4の電極>>
第1の電極31、第4の電極34としては、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。
<<first electrode, fourth electrode>>
As the first electrode 31 and the fourth electrode 34, platinum, which has high heat resistance and low reactivity, has conventionally been used as a metal material. Platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and their alloy films may also be mentioned.

また、白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性を向上させるために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。そのため、第1の電極31及び第4の電極34は複数の層であってもよい。例えば第1の電極31は、振動板12上にTiを形成し、該Tiを熱酸化させて密着層とし、さらに白金を形成する等の複数層としてもよい。
また、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。
膜厚としては、0.05~1μmが好ましく、0.1~0.5μmがより好ましい。
Also, when platinum is used, it is preferable to first laminate Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 or the like in order to improve adhesion to the base (particularly SiO 2 ). . Therefore, the first electrode 31 and the fourth electrode 34 may be multiple layers. For example, the first electrode 31 may be formed in multiple layers by forming Ti on the vibration plate 12, thermally oxidizing the Ti to form an adhesion layer, and further forming platinum.
Vacuum film formation such as a sputtering method or vacuum deposition is generally used as a manufacturing method.
The film thickness is preferably 0.05 to 1 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm.

<<第2の電極、第3の電極>>
第2の電極32、第3の電極33としては、SrRuO、LaNiO等が挙げられる。
<<second electrode, third electrode>>
Examples of the second electrode 32 and the third electrode 33 include SrRuO 3 and LaNiO 3 .

第2の電極32としては、その上に作製するPZT膜の配向制御にも影響してくるため、配向優先させたい方位によっても選択される材料は異なってくる。本実施形態においては、シード層が好ましく用いられる。シード層を用いる場合、PZT(100)に優先配向させやすくなる。シード層としては、例えばLaNiO、IrO、TiO、PbTiO等が挙げられる。例えばシード層を第1の電極31上に作製し、その後PZT膜を形成する。
また、第2の電極32の厚みとしては、20~200nmが好ましい。
As for the second electrode 32, the material to be selected differs depending on the direction in which the orientation is to be prioritized, since it also affects the orientation control of the PZT film formed thereon. In this embodiment, a seed layer is preferably used. The use of a seed layer facilitates preferential orientation of the PZT (100). Examples of the seed layer include LaNiO 3 , IrO, TiO 2 , PbTiO 3 and the like. For example, a seed layer is formed on the first electrode 31 and then a PZT film is formed.
Also, the thickness of the second electrode 32 is preferably 20 to 200 nm.

上部電極として採用する第3電極33としては、SROが好ましく用いられる。
また、第3電極33の厚みとしては、20nm~80nmが好ましく、30nm~50nmがより好ましい。20nm以上であると初期変位や変位劣化特性が向上し、80nm以下であるとその後に形成されるPZTの絶縁耐圧を向上させることができ、リークを抑制できる。
SRO is preferably used as the third electrode 33 employed as the upper electrode.
Further, the thickness of the third electrode 33 is preferably 20 nm to 80 nm, more preferably 30 nm to 50 nm. When the thickness is 20 nm or more, initial displacement and displacement deterioration characteristics are improved.

<<電気-機械変換膜>>
電気-機械変換膜としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を用いることが好ましい。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO)とチタン酸(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の割合であり、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O、一般にPZT(53/47)と示される。
<<Electro-mechanical conversion film>>
PZT (lead zirconate titanate) is preferably used as the electro-mechanical conversion film. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and titanate (PbTiO 3 ), and its properties differ depending on the ratio. A composition that generally exhibits excellent piezoelectric properties has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47 . /47).

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る。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。
以下、電気-機械変換膜がPZTである場合について説明する。
Composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, barium alkoxide and titanium alkoxide compounds can be used as starting materials and dissolved in a common solvent to prepare a barium titanate precursor solution.
A case where the electro-mechanical conversion film is PZT will be described below.

Zr/Tiの組成比率については、Ti/(Zr+Ti)で表したときに、0.40以上0.55以下が好ましく、0.45以上0.53以下がより好ましい。Zr/Tiの組成比率が上記範囲内である場合、回転歪を伴う変位量や圧電歪による変位量が少なくなり変位量が十分確保できなくなることを防止することができる。 The composition ratio of Zr/Ti is preferably 0.40 or more and 0.55 or less, more preferably 0.45 or more and 0.53 or less when represented by Ti/(Zr+Ti). When the composition ratio of Zr/Ti is within the above range, it is possible to prevent the amount of displacement associated with rotational strain and the amount of displacement due to piezoelectric strain from becoming insufficient, resulting in an insufficient amount of displacement.

本実施形態において、PZTについてXRD(X線回折)測定でのθ-2θ測定をしたときに、(100)配向の配向度が99%以上であることが好ましく、(200)面又は(002)面のピークが得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られた(400)面の回折ピーク形状が山谷を有する3つのピークに分離されることが好ましい。 In this embodiment, when θ-2θ measurement is performed on PZT by XRD (X-ray diffraction) measurement, the degree of orientation of (100) orientation is preferably 99% or more, and (200) plane or (002) plane It is preferable that the diffraction peak shape of the (400) plane obtained when the tilt angle (χ) is swung is separated into three peaks having peaks and troughs at 2θ where the peak of the plane is obtained is the maximum peak position. .

PZTの結晶面の様子については、ロッキングカーブ法やあおり角を振った測定によって計測することが可能である。
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)をθ-2θ法による測定における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 state of the crystal plane of PZT can be measured by the rocking curve method or measurement with tilt angle.
In the rocking curve method, the X-ray incident angle and the detector angle (2θ) are fixed at the position where the diffraction intensity in the measurement by the θ-2θ method becomes maximum, and only the angle (ω) between the sample substrate surface and the incident X-ray is is slightly changed near θ to measure the diffraction intensity.

図9にPZTに対してXRD(X線回折)測定でのθ-2θ測定を行った場合の一例を示す。この図ではPZT(200)面の2θピーク位置が示されている。Zr/Tiの組成比率を調整することによって、図9に示すようなPZT(200)面(又は(002)面)のピーク位置やピークの非対称性が異なってくる。 FIG. 9 shows an example of θ-2θ measurement of PZT by XRD (X-ray diffraction) measurement. This figure shows the 2θ peak position of the PZT (200) plane. By adjusting the Zr/Ti composition ratio, the peak position and peak asymmetry of the PZT (200) plane (or (002) plane) as shown in FIG. 9 are varied.

図10に、(200)面又は(002)面が得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られたXRD測定結果の一例を示す。図10は、高角側のPZT(400)面に着目しており、本実施形態における(400)面のピークトップは99°付近となっている。 FIG. 10 shows an example of the XRD measurement results obtained when the tilt angle (χ) is swung at 2θ where the (200) plane or (002) plane is obtained is the maximum peak position. FIG. 10 focuses on the PZT (400) plane on the high angle side, and the peak top of the (400) plane in this embodiment is around 99°.

図10に示すようなXRD回折強度からピーク分離を行い、結晶構造の帰属状態を確認している。回折強度のピークにおいて回折強度が非対称な形状を有していることが好ましい。なお、ピーク分離はPZT(200)面に対して行ってもよいが、PZT(400)面に対して行うことが好ましい。 Peak separation is performed from the XRD diffraction intensity as shown in FIG. 10 to confirm the attribution state of the crystal structure. It is preferable that the peak of the diffraction intensity has a shape in which the diffraction intensity is asymmetrical. Although the peak separation may be performed on the PZT (200) plane, it is preferably performed on the PZT (400) plane.

図ではX1~X3の3つのピークに分離されている。図中(A)は実測値であり、(B)はX1~X3の重ねあわせを行ったときの値である。(A)と(B)の差分をフィッティング残渣とし、この値が小さくなるようにフィッティングを実施している。
フィッティング条件については、ある程度帰属される構造を推定した上でJCPDSカード情報記載の2θ位置を中心にフィッティングを行う。なお、分離されるピークを一本としてフィッティングを行う場合は、ピーク強度最大となる2θ位置に合わせてフィッティングを行う。
In the figure, it is separated into three peaks X1 to X3. In the figure, (A) is the measured value, and (B) is the value when X1 to X3 are superimposed. The difference between (A) and (B) is used as a fitting residue, and fitting is performed so that this value becomes small.
As for the fitting conditions, fitting is performed mainly on the 2θ position described in the JCPDS card information after estimating the attributed structure to some extent. When fitting is performed with the separated peak as one, the fitting is performed according to the 2θ position where the peak intensity is maximum.

図11は、図10において分離したピークの本数とフィッティング残渣の関係をプロットしたものである。分離したピークの本数を増やすとフィッティング残渣が小さくなる。フィッティング残渣の目安としては10%以下である。その中で、ある程度飽和するところで分離したピークの本数を決定する。例えば、本数をn本からn+1本としたときに、フィッティング残渣の減少が0.5%以内に収まるときの本数とする。 FIG. 11 plots the relationship between the number of peaks separated in FIG. 10 and the fitting residue. Increasing the number of separated peaks reduces the fitting residue. A guideline for the fitting residue is 10% or less. Among them, the number of separated peaks is determined at the point of saturation to some extent. For example, when the number of wires is changed from n to n+1, the number of wires is set so that the reduction of the fitting residue is within 0.5%.

フィッティングをする際に、図10に示すようなX1~X3の割合は繰り返し行ったときにバラつきが発生するため、繰り返しフィッティングを実施したときの平均値を採用している。この際、極端にフィッティングがずれたものは除外して平均化したもので値を算出する。フィッティングの繰り返し回数としては6回から10回程度を目安としている。 At the time of fitting, the ratios of X1 to X3 as shown in FIG. 10 will vary when repeated fitting is performed, so the average value when fitting is repeatedly performed is adopted. At this time, the value is calculated by excluding those with extremely deviated fitting and averaging them. The standard number of repetitions of fitting is about 6 to 10 times.

結晶構造として、以下の3つの結晶構造を有することが好ましい。すなわち、正方晶のaドメイン構造及びcドメイン構造の2つの結晶構造と、菱面体晶、斜方晶又は疑立方晶のいずれか1つの結晶構造である(後述の図12参照)。 As a crystal structure, it preferably has the following three crystal structures. That is, two crystal structures, a tetragonal a-domain structure and c-domain structure, and one crystal structure of rhombohedral, orthorhombic, or pseudocubic (see FIG. 12 described later).

このような3つの結晶構造が存在しているかを確認するため、すなわち、上記の結晶構造に由来するものが存在しているかを確認するため、XRD測定により得られた結晶のピーク状況に対してピーク分離、フィッティングを実施し、実際に得られた結晶のピーク状況に帰属されるものがあるかを調べている。 In order to confirm whether or not such three crystal structures exist, that is, to confirm whether or not there is one derived from the above crystal structure, the peak state of the crystal obtained by XRD measurement We are conducting peak separation and fitting to investigate whether there is anything that can be attributed to the peak conditions of the actually obtained crystals.

図10に示すように、(200)面又は(002)面が得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られた(400)面(又は(200)面)の回折ピーク形状が山谷を有する3つのピークに分離されることが好ましい。3つのピークに分離される場合、上記の3つの結晶構造を有しているといえる。 As shown in FIG. 10, the (400) plane (or (200) It is preferred that the diffraction peak shape of the plane) be separated into three peaks with peaks and valleys. When separated into three peaks, it can be said to have the above three crystal structures.

また、上述したように、本実施形態においては(100)優先配向にさせることが好ましい。結晶配向については以下のように表される。 In addition, as described above, in the present embodiment, (100) preferential orientation is preferred. Crystal orientation is expressed as follows.

ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)
[ρ(hkl)は(hkl)面方位の配向度を表し、I(hkl)は任意の配向のピーク強度を表し、ΣI(hkl)は各ピーク強度の総和を表す。]
ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)
[ρ(hkl) represents the degree of orientation of the (hkl) plane orientation, I(hkl) represents the peak intensity of an arbitrary orientation, and ΣI(hkl) represents the sum of each peak intensity. ]

X線回折法のθ-2θ測定により得られた各ピーク強度の総和を1としたとき、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)配向の配向度は、99%以上が好ましく、99.5%以上がより好ましい。なお、配向度が99%以上であると優先配向しているといえる。 When the sum of the peak intensities obtained by the θ-2θ measurement by the X-ray diffraction method is 1, the degree of orientation of the (100) orientation calculated based on the ratio of the peak intensities of each orientation is 99% or more. is preferred, and 99.5% or more is more preferred. It can be said that preferential orientation is achieved when the degree of orientation is 99% or more.

図12に(100)優先配向とした場合の結晶構造の模式図(a)と、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した場合の一例(b)を示す。(100)配向を優先する場合、aドメイン、cドメインといった縦横比が異なる構造体が混在するため、図12(a)のように双晶面を有し、基板面から斜めに成長した結晶面を有することになる。また、図12(a)のような結晶面を有する場合、例えば図12(b)に示されるように3つのピークに帰属される。 FIG. 12 shows a schematic diagram of the crystal structure in the case of (100) preferential orientation (a), and the case where the diffraction intensity is measured by slightly changing only the angle (ω) between the sample substrate surface and the incident X-ray near θ. An example (b) of is shown. When the (100) orientation is given priority, structures with different aspect ratios such as a-domains and c-domains coexist. Therefore, as shown in FIG. will have Moreover, when it has a crystal plane like FIG.12(a), it is attributed to three peaks, as shown, for example in FIG.12(b).

また、PZTが正方晶のaドメイン及びcドメインを有する場合、PZTについてXRD(X線回折)測定でのθ-2θ測定において、(200)面又は(002)面のピークが得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られた回折ピークについてピーク分離したときに、正方晶のaドメイン及びcドメインに該当するピークに対して格子定数を求め、値の大きいものを最大格子定数、小さいものを最小格子定数とすると、最大格子定数と最小格子定数の比率(最大格子定数/最小格子定数)が1.02以上であることが好ましい。より好ましくは1.03以上である。 Further, when PZT has tetragonal a-domain and c-domain, in θ-2θ measurement by XRD (X-ray diffraction) measurement of PZT, 2θ at which a peak of (200) plane or (002) plane is obtained is the maximum. At the peak position, when the diffraction peak obtained when the tilt angle (χ) is swung is peak-separated, the lattice constant is obtained for the peaks corresponding to the a-domain and c-domain of the tetragonal crystal, and the value is Assuming that the larger one is the maximum lattice constant and the smaller one is the minimum lattice constant, the ratio of the maximum lattice constant to the minimum lattice constant (maximum lattice constant/minimum lattice constant) is preferably 1.02 or more. More preferably, it is 1.03 or more.

ここで、格子定数は以下のブラッグの式より算出する。
2d×sinθ=n×λ
[d:格子定数、θ:結晶ピーク位置(結晶面とX線が成す角度)、λ:X線の波長、n:整数]
Here, the lattice constant is calculated from the following Bragg equation.
2d x sin θ = n x λ
[d: lattice constant, θ: crystal peak position (angle between crystal plane and X-ray), λ: wavelength of X-ray, n: integer]

本実施形態の図10では、X1のピーク位置(2θ)から求めた格子定数が最大格子定数に相当し、X3のピーク位置(2θ)から求めた格子定数が最小格子定数に相当する。
なお、図10におけるX1又はX3のピークがaドメイン又はcドメインのピークに帰属される。この場合、X1がaドメイン、X3がcドメインであってもよいし、X1がcドメイン、X3がaドメインであってもよい。
In FIG. 10 of this embodiment, the lattice constant obtained from the peak position (2θ) of X1 corresponds to the maximum lattice constant, and the lattice constant obtained from the peak position (2θ) of X3 corresponds to the minimum lattice constant.
The X1 or X3 peak in FIG. 10 is attributed to the a-domain or c-domain peak. In this case, X1 may be the a domain and X3 may be the c domain, or X1 may be the c domain and X3 may be the a domain.

正方晶のaもしくはcドメインの最大格子定数と最小格子定数の比率が大きいほど回転歪による変位寄与が大きくなる。また、振動板からの圧縮応力の影響が大きいほど、最大格子定数/最小格子定数の比率が大きくなる。そのため、最大格子定数/最小格子定数の比率が1.02以上である場合、回転歪による変位寄与を大きくすることができるとともに、振動板の圧縮側の応力が大きくなり、アクチュエータの変位量をより向上させることができる。前記最大格子定数と最小格子定数の比率の上限値としては、特に制限されるものではないが、1.06以下が好ましい。 The greater the ratio of the maximum lattice constant to the minimum lattice constant of the tetragonal a or c domain, the greater the displacement contribution due to rotational strain. Also, the greater the influence of the compressive stress from the diaphragm, the greater the ratio of maximum lattice constant/minimum lattice constant. Therefore, when the ratio of the maximum lattice constant/minimum lattice constant is 1.02 or more, the displacement contribution due to rotational strain can be increased, and the stress on the compression side of the diaphragm is increased, thereby increasing the displacement of the actuator. can be improved. Although the upper limit of the ratio of the maximum lattice constant to the minimum lattice constant is not particularly limited, it is preferably 1.06 or less.

-電気-機械変換膜の作製方法の一例-
PZTをSol-gel法により作製する場合、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ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。
- An example of a method for producing an electro-mechanical conversion film -
When PZT is produced by the Sol-gel method, a PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a homogeneous solution. .

なお、金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。 Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the air, an appropriate amount of stabilizer such as acetylacetone, acetic acid, diethanolamine, etc. may be added to the precursor solution.

下地全面にPZT膜を形成する場合、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100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度を調整することが好ましい。 When the PZT film is formed on the entire surface of the base, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating, and then performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from a coating film to a crystallized film is accompanied by volumetric shrinkage, it is preferable 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.

また、インクジェット工法により作製していく場合については、第2の電極32と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることができる。表面改質材については、第2の電極32の下地(第1の電極31)の材料によっても異なるが、酸化物を下地とする場合はシラン化合物が好ましく、金属を下地とする場合はアルカンチオールが好ましい。 In addition, in the case of manufacturing by the inkjet method, a patterned film can be obtained in the same manufacturing flow as the second electrode 32 . Regarding the surface modifying material, although it varies depending on the material of the base of the second electrode 32 (first electrode 31), a silane compound is preferable when using an oxide as a base, and an alkanethiol when using a metal as a base. is preferred.

電気-機械変換膜の膜厚としては0.5~5μmが好ましく、1μm~2μmがより好ましい。この範囲以上であると、変位を向上させることができ、この範囲以下であると、何層も積層させて工程数が多くなりプロセス時間が長くなることを防止できる。 The film thickness of the electro-mechanical conversion film is preferably 0.5-5 μm, more preferably 1-2 μm. When it is above this range, the displacement can be improved, and when it is below this range, it is possible to prevent the process time from increasing due to the increase in the number of steps due to lamination of many layers.

<第5の実施形態>
次に、本発明に係るその他の実施形態について図13を用いて説明する。上記実施形態と共通の事項については説明を省略する。図13は絶縁保護膜、引き出し配線を含めた構成の一実施形態であり、図13(a)は断面模式図、図13(b)は要部についての平面模式図である。なお、図13(a)は図13(b)のA-A断面であり、図13(b)では絶縁保護膜の図示を省略している。
<Fifth Embodiment>
Next, another embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. Descriptions of matters common to the above embodiment will be omitted. FIGS. 13A and 13B show an embodiment of a configuration including an insulating protective film and lead wires, FIG. 13A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 13B is a schematic plan view of the main part. Note that FIG. 13(a) is a cross section taken along the line AA of FIG. 13(b), and illustration of the insulating protective film is omitted in FIG. 13(b).

図示されるように、電気-機械変換素子19上に第1の絶縁保護膜17が形成され、第1の絶縁保護膜17はコンタクトホール53を有している。第1の絶縁保護膜17上に引き出し配線として第5の電極35及び第6の電極36が形成されており、さらにこの上に第2の絶縁保護膜18が形成されている。第1の絶縁保護膜17が有するコンタクトホールを介して、第1の電極31及び第2の電極32と第5の電極35とが導通し、第3の電極33及び第4の電極34と第6の電極36とが導通している。 As illustrated, a first insulating protective film 17 is formed on the electro-mechanical conversion element 19 and the first insulating protective film 17 has a contact hole 53 . A fifth electrode 35 and a sixth electrode 36 are formed as lead wires on the first insulating protective film 17, and a second insulating protective film 18 is formed thereon. The first electrode 31, the second electrode 32, and the fifth electrode 35 are electrically connected through the contact hole of the first insulating protective film 17, and the third electrode 33, the fourth electrode 34, and the fifth electrode 35 are electrically connected. 6 and the electrode 36 are electrically connected.

また、本実施形態では第5の電極35を共通電極とし、第6の電極36を個別電極としているが、逆であってもよい。第2の絶縁保護膜18は共通電極、個別電極を保護し、一部開港されて電極PADとして構成されている。個別電極用に形成されたものを個別電極PAD51、共通電極用に形成されたものを共通電極PAD52としている。 Also, in the present embodiment, the fifth electrode 35 is used as a common electrode and the sixth electrode 36 is used as an individual electrode, but the reverse is also possible. The second insulating protective film 18 protects the common electrode and the individual electrodes, and is partially opened to form an electrode PAD. An individual electrode PAD51 is formed for the individual electrode, and a common electrode PAD52 is formed for the common electrode.

<<分極処理>>
図14に分極処理装置の一例を示す。このような装置を用いて上記電気-機械変換素子に対して分極処理を行う。本実施形態の分極処理装置の構成としては、コロナ電極61とグリッド電極62が具備されており、それぞれコロナ電源63、グリッド電源64に接続されている。グリッド電極62はメッシュ加工が施されており、コロナ電極61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を効率よく下のサンプルステージ65に降り注ぐように工夫している。コロナ電極61やグリッド電極62に印加される電圧や、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。
<<Polarization>>
FIG. 14 shows an example of a polarization treatment apparatus. Using such an apparatus, the electro-mechanical conversion element is subjected to polarization treatment. The configuration of the polarization treatment apparatus of this embodiment includes a corona electrode 61 and a grid electrode 62, which are connected to a corona power supply 63 and a grid power supply 64, respectively. The grid electrode 62 is mesh-processed so that when a high voltage is applied to the corona electrode 61, ions, charges, etc. generated by corona discharge efficiently fall onto the sample stage 65 below. By adjusting the voltage applied to the corona electrode 61 and the grid electrode 62 and the distance between the sample and each electrode, it is possible to adjust the strength of the corona discharge.

また、サンプルをセットするサンプルステージ65には、温調機能が付加されており、最大350℃程度まで温度をかけながら分極処理を行うことができる。サンプルステージ65にはアースが設置されており、アースを設けていない場合は分極処理ができない。 Moreover, the sample stage 65 on which the sample is set has a temperature control function, so that the polarization process can be performed while applying a temperature of up to about 350.degree. The sample stage 65 is grounded, and polarization processing cannot be performed without the grounding.

ここで、分極処理の状態については、P-Eヒステリシスループから判断している。図15にP-Eヒステリシスループの一例を示す。図15(a)は分極処理前のP-Eヒステリシスループの一例であり、図15(b)は分極処理前のP-Eヒステリシスループの一例である。 Here, the state of polarization processing is determined from the PE hysteresis loop. FIG. 15 shows an example of a PE hysteresis loop. FIG. 15(a) is an example of a PE hysteresis loop before polarization, and FIG. 15(b) is an example of a PE hysteresis loop before polarization.

図示されるように、±150kV/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、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している。分極率Pr-Pindが10μC/cm以下となっていることが好ましく、5μC/cm以下となっていることがより好ましい。上記範囲である場合、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化を抑制できる。 As shown, the hysteresis loop was measured under an electric field strength of ±150 kV/cm, the initial polarization at 0 kV/cm was Pind, and the polarization at +150 kV/cm was returned to 0 kV/cm. When the polarization at time is Pr, the value of Pr-Pind is defined as the polarizability, and the quality of the polarization state is judged from this polarizability. The polarizability Pr-Pind is preferably 10 μC/cm 2 or less, more preferably 5 μC/cm 2 or less. Within the above range, it is possible to suppress displacement degradation after continuous driving as a PZT piezoelectric actuator.

図16に分極処理を説明するための模式図を示す。図示するように、コロナワイヤー70を用いて、コロナ放電させるときには、大気中の分子71をイオン化させることで、陽イオン72を発生し、電気-機械変換素子(圧電素子)のPAD部を介して陽イオン72が流れ込むことで、電荷を電気-機械変換素子に蓄積している。そして、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、分極処理が行われる。 FIG. 16 shows a schematic diagram for explaining the polarization treatment. As shown in the figure, when a corona wire 70 is used to cause corona discharge, molecules 71 in the atmosphere are ionized to generate cations 72, which are passed through the PAD portion of the electro-mechanical conversion element (piezoelectric element). The flow of positive ions 72 accumulates electric charge in the electro-mechanical conversion element. An internal potential difference is generated due to a charge difference between the upper electrode and the lower electrode, and polarization processing is performed.

ここで、分極処理に必要な電荷量Qとしては1×10-8C以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、4×10-8C以上の電荷量が蓄積されることがより好ましい。上記範囲である場合、分極処理を良好に行うことができ、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化を抑制できる。 Here, as the charge amount Q required for the polarization process, a charge amount of 1×10 −8 C or more is preferably accumulated, and a charge amount of 4×10 −8 C or more is more preferably accumulated. Within the above range, the polarization process can be performed satisfactorily, and the deterioration of displacement after continuous driving can be suppressed as a piezoelectric actuator of PZT.

なお、所望の分極率Pr-Pindを得るためには、図14に図示されるコロナ電極61、グリッド電極62の電圧や、サンプルステージ65とコロナ電極61、グリッド電極62との間の距離等を調整することが好ましい。所望の分極率を得るには、電気-機械変換膜に対して高い電界を発生させることが好ましい。 In order to obtain the desired polarizability Pr-Pind, the voltage of the corona electrode 61 and grid electrode 62 shown in FIG. 14, the distance between the sample stage 65 and the corona electrode 61 and grid electrode 62, etc. Adjusting is preferred. In order to obtain the desired polarizability, it is preferable to generate a high electric field with respect to the electro-mechanical conversion film.

<<第1の絶縁保護膜>>
第1の絶縁保護膜17としては、成膜・エッチングの工程による電気-機械変換素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しにくい材料を選定することが好ましく、緻密な無機材料が好ましい。有機材料では十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要がある。絶縁膜を厚い膜とした場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能が低下してしまうことがある。
<<First insulating protective film>>
As the first insulating protective film 17, it is preferable to select a material that prevents damage to the electro-mechanical conversion element due to the film formation and etching processes and that makes it difficult for moisture in the atmosphere to permeate. preferable. In the case of organic materials, it is necessary to increase the film thickness in order to obtain sufficient protective performance. If the insulating film is made thick, the vibration displacement of the vibration plate is significantly hindered, and thus the ejection performance may be degraded.

第1の絶縁保護膜17としては、薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物、窒化物、炭化膜等を用いることが好ましい。絶縁膜の下地となる、電極材料、圧電体材料、振動板材料と密着性が高い材料を選定することが好ましい。 As the first insulating protective film 17, it is preferable to use an oxide, nitride, carbide film, or the like in order to obtain a thin film with high protective performance. It is preferable to select a material having high adhesion to the electrode material, the piezoelectric material, and the diaphragm material, which serve as the base of the insulating film.

また、成膜法としては、電気-機械変換素子を損傷しない成膜方法を選定することが好ましい。反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は電気-機械変換素子が損傷してしまうことがある。
好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD(Atomic Layer Deposition)法などが挙げられる。中でも使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。
Moreover, it is preferable to select a film forming method that does not damage the electro-mechanical conversion element. The electro-mechanical conversion element may be damaged in the plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on the substrate, or in the sputtering method in which the plasma is ejected by colliding with the target material to form a film.
Preferable film forming methods include a vapor deposition method and an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Among them, the ALD method, which has a wide range of materials to choose from, is preferable.

好ましい材料としては、Al、ZrO、Y、Ta、TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜等が挙げられる。これらの材料を用いる場合、特にALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制することができる。 Preferable materials include oxide films used for ceramic materials such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 and TiO 2 . When these materials are used, particularly by using the ALD method, a thin film with a very high film density can be produced and damage during the process can be suppressed.

第1の絶縁保護膜17の膜厚は、電気-機械変換素子の保護性能を確保できる十分な厚みとすることが好ましく、かつ、振動板の変位を阻害しないように可能な限り薄くすることが好ましい。第1の絶縁保護膜17の膜厚としては、20nm~100nmが好ましい。20nm以上である場合、電気-機械変換素子の保護層としての機能が得られ、電気-機械変換素子の性能の低下を抑えることができる。100nm以下である場合、振動板の変位の低下を抑えることができ、吐出効率の低下を抑えることができる。 The film thickness of the first insulating protective film 17 is preferably a thickness sufficient to ensure the protection performance of the electro-mechanical transducer, and should be as thin as possible so as not to hinder the displacement of the diaphragm. preferable. The film thickness of the first insulating protective film 17 is preferably 20 nm to 100 nm. When the thickness is 20 nm or more, the function as a protective layer of the electro-mechanical transducer can be obtained, and deterioration of the performance of the electro-mechanical transducer can be suppressed. When it is 100 nm or less, it is possible to suppress a decrease in the displacement of the vibration plate, thereby suppressing a decrease in ejection efficiency.

また、第1の絶縁保護膜17は、複数層、例えば2層にしてもよい。この場合は、2層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第2の電極32付近において2層目の絶縁保護膜を開口するような構成としてもよい。このとき2層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物又はこれらの複合化合物を用いることができ、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることが好ましい。 Also, the first insulating protective film 17 may have a plurality of layers, for example, two layers. In this case, in order to increase the thickness of the second insulating protective film, the second insulating protective film may be opened in the vicinity of the second electrode 32 so as not to significantly hinder the vibrational displacement of the diaphragm. . At this time, any oxide, nitride, carbide, or composite compound thereof can be used as the second insulating protective film, and SiO 2 generally used in semiconductor devices is preferably used.

2層目の絶縁保護膜を成膜する方法としては、任意の手法を用いることができる。例えば、CVD法、スパッタリング法等が挙げられ、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆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。 Any method can be used as a method for forming the second insulating protective film. For example, the CVD method, the sputtering method, and the like can be mentioned, and it is preferable to use the CVD method, which is capable of isotropically forming a film, considering the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion.

2層目の絶縁保護膜の膜厚は下部電極と個別電極配線に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とすることが好ましい。すなわち絶縁膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定することが好ましい。さらに、1層目の絶縁保護膜の表面性やピンホール等を考慮すると、複数層とした場合の絶縁保護膜の膜厚は200nm以上が好ましく、500nm以上がより好ましい。 It is preferable that the film thickness of the insulating protective film of the second layer is such that the voltage applied to the lower electrode and the individual electrode wiring does not cause dielectric breakdown. That is, it is preferable to set the electric field intensity applied to the insulating film within a range that does not cause dielectric breakdown. Furthermore, considering the surface properties and pinholes of the first insulating protective film, the film thickness of the insulating protective film in the case of multiple layers is preferably 200 nm or more, more preferably 500 nm or more.

<<第5の電極、第6の電極>>
第5の電極35及び第6の電極36としては、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Ir等の金属電極材料であることが好ましい。
作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法等を用いて作製し、その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ことが好ましい。
<<Fifth Electrode, Sixth Electrode>>
Metal electrode materials such as Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt and Ir are preferable for the fifth electrode 35 and the sixth electrode 36 .
As a manufacturing method, it is preferable to use a sputtering method, a spin coating method, or the like, and then obtain a desired pattern by photolithoetching or the like.

第5の電極35及び第6の電極36膜厚としては、0.1~20μmが好ましく、0.2~10μmがより好ましい。0.1μm以上である場合、抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなることを防止でき、吐出が不安定になることを防止できる。20μm以下である場合、プロセス時間を短縮することができる。 The film thickness of the fifth electrode 35 and the sixth electrode 36 is preferably 0.1-20 μm, more preferably 0.2-10 μm. When the thickness is 0.1 μm or more, it is possible to prevent the resistance from becoming large and to prevent a sufficient current from flowing through the electrode, thereby preventing the ejection from becoming unstable. When it is 20 μm or less, the process time can be shortened.

また、共通電極、個別電極としてコンタクトホール部(例えば10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極としては10Ω以下、個別電極としては1Ω以下が好ましく、より好ましくは、共通電極としては5Ω以下、個別電極としては0.5Ω以下である。
この範囲内であると、十分な電流を供給することができ、液体を吐出する際に生じる不具合を防止することができる。
In addition, the contact resistance at the contact hole portion (for example, 10 μm×10 μm) of the common electrode and the individual electrode is preferably 10Ω or less for the common electrode and 1Ω or less for the individual electrode, and more preferably 5Ω or less for the common electrode. As an individual electrode, it is 0.5Ω or less.
Within this range, it is possible to supply a sufficient amount of electric current, and to prevent problems that occur when the liquid is ejected.

<<第2の絶縁保護膜>>
第2の絶縁保護膜18は、個別電極配線や共通電極配線を保護するパッシベーション層としての機能を有する。図13において、個別電極引き出し部と、共通電極引き出し部を除き、個別電極と共通電極上を被覆している。
第2の絶縁保護膜18を用いることにより、電極材料として安価なAlやAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高いインクジェットヘッドとすることができる。
<<Second insulating protective film>>
The second insulating protective film 18 functions as a passivation layer that protects the individual electrode wiring and the common electrode wiring. In FIG. 13, the individual electrodes and the common electrode are covered except for the individual electrode lead-out portion and the common electrode lead-out portion.
By using the second insulating protective film 18, inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable inkjet head can be obtained.

第2の絶縁保護膜18の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とすることが好ましい。
無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、パターニングしにくいことに留意する。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。
Any inorganic material or organic material can be used as the material of the second insulating protective film 18, but a material with low moisture permeability is preferable.
Examples of inorganic materials include oxides, nitrides, and carbides, and examples of organic materials include polyimides, acrylic resins, urethane resins, and the like. In the case of an organic material, it is necessary to form a thick film, so it should be noted that patterning is difficult. Therefore, it is preferable to use an inorganic material capable of exhibiting a wiring protection function in a thin film. In particular, the use of Si 3 N 4 on the Al wiring is preferable because it is a proven technology for semiconductor devices.

第2の絶縁保護膜18の膜厚は200nm以上が好ましく、500nm以上がより好ましい。上記範囲の場合、十分なパッシベーション機能を発揮することができ、配線材料の腐食による断線やインクジェットの信頼性が低下すること防ぐことができる。 The film thickness of the second insulating protective film 18 is preferably 200 nm or more, more preferably 500 nm or more. In the case of the above range, a sufficient passivation function can be exhibited, and disconnection due to corrosion of the wiring material and deterioration of the reliability of the inkjet can be prevented.

また、電気-機械変換素子上とその周囲の振動板上に、第2の絶縁保護膜18の開口部を有していることが好ましい。これにより、振動板の変位を阻害することを防止し、吐出特性、信頼性をより向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the second insulating protective film 18 has openings on the electro-mechanical conversion element and on the surrounding diaphragm. As a result, it is possible to prevent the displacement of the diaphragm from being hindered, and to further improve the ejection characteristics and reliability.

また、図13に示されるように、第2の絶縁保護膜18の一部が開口されて、個別電極PAD51、共通電極PAD52が形成されている。開口部分を形成する方法としては、適宜選択することが可能である。第1の絶縁保護膜17により電気-機械変換素子が保護されているため、フォトリソグラフィー法やドライエッチング法を用いることができる。 Further, as shown in FIG. 13, a part of the second insulating protective film 18 is opened to form an individual electrode PAD51 and a common electrode PAD52. A method for forming the opening portion can be appropriately selected. Since the electro-mechanical conversion element is protected by the first insulating protective film 17, a photolithography method or a dry etching method can be used.

また、PAD部の面積については、50×50μm以上が好ましく、100×300μm以上がより好ましい。この場合、分極処理を良好に行うことができ、連続駆動後の変位劣化を抑えることができる。 Also, the area of the PAD portion is preferably 50×50 μm 2 or more, more preferably 100×300 μm 2 or more. In this case, the polarization process can be performed satisfactorily, and displacement deterioration after continuous driving can be suppressed.

(液体吐出ユニット、液体を吐出する装置)
次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図17及び図18を参照して説明する。図17は同装置の要部平面説明図、図18は同装置の要部側面説明図である。
(liquid ejection unit, device for ejecting liquid)
Next, an example of an apparatus for ejecting liquid according to the present invention will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG. FIG. 17 is an explanatory plan view of the essential parts of the device, and FIG. 18 is an explanatory side view of the essential parts of the same device.

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 apparatus is a serial type apparatus, and a main scanning movement mechanism 493 reciprocates the carriage 403 in the main scanning direction. The main scanning movement mechanism 493 includes a guide member 401, a main scanning motor 405, a timing belt 408, and the like. The guide member 401 is bridged between the left and right side plates 491A and 491B to movably hold the carriage 403 . A main scanning motor 405 reciprocates the carriage 403 in the main scanning direction via a timing belt 408 stretched between a drive pulley 406 and a driven pulley 407 .

このキャリッジ403には、本発明に係る液体吐出ヘッド404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404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。また、液体吐出ヘッド404は、複数のノズル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。 The carriage 403 is equipped with a liquid ejection unit 440 in which a liquid ejection head 404 and a head tank 441 according to the present invention are integrated. The liquid ejection head 404 of the liquid ejection unit 440 ejects yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (K) liquids, for example. Further, the liquid ejection head 404 is mounted with a nozzle row having a plurality of nozzles arranged in a sub-scanning direction perpendicular to the main scanning direction, and the ejection direction facing downward.

液体吐出ヘッド404の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド404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 liquid cartridge 450 is supplied to the head tank 441 by the supply mechanism 494 for supplying the liquid stored outside the liquid ejection head 404 to the liquid ejection head 404 .

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 supply mechanism 494 is composed of a cartridge holder 451 which is a filling section for mounting the liquid cartridge 450, a tube 456, a liquid feeding unit 452 including a liquid feeding pump, and the like. Liquid cartridge 450 is detachably attached to cartridge holder 451 . The liquid is sent from the liquid cartridge 450 to the head tank 441 by the liquid sending unit 452 via the tube 456 .

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 device has a transport mechanism 495 for transporting the paper 410 . The transport mechanism 495 includes a transport belt 412 as transport means and a sub-scanning motor 416 for driving the transport belt 412 .

搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド404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、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。 The transport belt 412 attracts the paper 410 and transports it at a position facing the liquid ejection head 404 . The conveying belt 412 is an endless belt and stretched between a conveying roller 413 and a tension roller 414 . Adsorption can be performed by electrostatic adsorption, air suction, or the like.

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 conveying belt 412 rotates in the sub-scanning direction when the conveying roller 413 is rotationally driven by the sub-scanning motor 416 via the timing belt 417 and the timing pulley 418 .

さらに、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404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 carriage 403 in the main scanning direction, a maintenance/recovery mechanism 420 for maintaining/recovering the liquid ejection head 404 is arranged on the side of the transport belt 412 .

維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド404のノズル面(ノズルが形成された面)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などで構成されている。 The maintenance/recovery mechanism 420 includes, for example, a cap member 421 that caps the nozzle surface (surface on which nozzles are formed) of the liquid ejection head 404, a wiper member 422 that wipes the nozzle surface, and the like.

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 scanning movement mechanism 493, supply mechanism 494, maintenance/recovery mechanism 420, and transport mechanism 495 are attached to a housing including side plates 491A and 491B and a back plate 491C.

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 paper 410 is fed onto the conveying belt 412 and attracted thereto, and the conveying belt 412 is rotated to convey the paper 410 in the sub-scanning direction.

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404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 liquid ejection head 404 according to the image signal while moving the carriage 403 in the main scanning direction, the liquid is ejected onto the stationary paper 410 to form an image.

このように、この装置では、本発明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 this apparatus includes the liquid ejection head according to the present invention, it is possible to stably form a high-quality image.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図19を参照して説明する。図19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 invention will be described with reference to FIG. FIG. 19 is an explanatory plan view of the main part of the same 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404で構成されている。 Among the members constituting the apparatus for ejecting the liquid, the liquid ejection unit includes a housing portion composed of side plates 491A and 491B and a back plate 491C, a main scanning movement mechanism 493, a carriage 403, a liquid It is composed of an ejection head 404 .

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の少なくともいず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。 A liquid ejection unit can also be constructed in which at least one of the maintenance/restoration mechanism 420 and the supply mechanism 494 is further attached to, for example, the side plate 491B of the liquid ejection unit.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図20を参照して説明する。図20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 present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 is an explanatory front view of the same unit.

この液体吐出ユニットは、流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド404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。 This liquid ejection unit comprises a liquid ejection head 404 to which a channel component 444 is attached, and a tube 456 connected to the channel component 444 .

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。また、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド404と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。 Note that the channel component 444 is arranged inside the cover 442 . A head tank 441 can also be included in place of the channel component 444 . A connector 443 for electrical connection with the liquid ejection head 404 is provided above the channel component 444 .

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 ejects liquid" is a device that includes a liquid ejection head or a liquid ejection unit, drives the liquid ejection head, and ejects liquid. Devices that eject liquid include not only devices that can eject liquid onto an object to which liquid can adhere, but also devices that eject liquid into air or 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、後処理装置なども含むことができる。 The "liquid ejecting device" can include means for feeding, transporting, and ejecting an object to which liquid can adhere, as well as a pre-processing device, a post-processing device, and the like.

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 that ejects liquid", an image forming device that ejects ink to form an image on paper, and powder is formed in layers to form a three-dimensional object (three-dimensional object). There is a three-dimensional modeling apparatus (three-dimensional modeling apparatus) that ejects a modeling liquid onto a formed powder layer.

また、「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。 Further, the "apparatus for ejecting liquid" is not limited to one that visualizes significant images such as characters and figures with the ejected liquid. For example, it includes those that form patterns that have no meaning per se, and those that form three-dimensional images.

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などを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。 The above-mentioned "substance to which a liquid can adhere" means a substance to which a liquid can adhere at least temporarily, such as a substance to which a liquid adheres and adheres, a substance which adheres and permeates, and the like. Specific examples include media such as 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 test cells. Yes, and unless otherwise specified, includes anything that has liquid on it.

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、壁紙や床材などの建材、衣料用のテキスタイルなど液体が一時的でも付着可能であればよい。 The materials of the above "things to which liquids can adhere" include paper, threads, fibers, fabrics, leather, metals, plastics, glass, wood, ceramics, building materials such as wallpaper and flooring, textiles for clothing, etc. However, it is sufficient if it can be attached.

また、「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なども含まれる。 The "liquid" also includes inks, treatment liquids, DNA samples, resists, pattern materials, binders, modeling liquids, and solutions and dispersions containing amino acids, proteins, and calcium.

また、「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などが含まれる。 Further, the ``device for ejecting liquid'' includes a device in which a liquid ejection head and an object to which liquid can be adhered move relatively, but is not limited to this. Specific examples include a serial type apparatus in which the liquid ejection head is moved and a line type apparatus in which the liquid ejection head is not moved.

また、「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など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などがある。 In addition, as a "liquid ejecting device", there are other processing liquid coating devices that eject processing liquid onto the paper in order to apply the processing liquid to the surface of the paper for the purpose of modifying the surface of the paper, raw materials is dispersed in a solution, and sprays a composition liquid through a nozzle to granulate fine particles of the raw material.

「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などが含まれる。 A "liquid ejection unit" is a combination of functional parts and mechanisms integrated with a liquid ejection head, and is a collection of parts related to ejection of liquid. For example, the "liquid ejection unit" includes a combination of at least one of a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance/recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism 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、係合など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。また、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, integration means, for example, that the liquid ejection head and functional parts or mechanisms are fixed to each other by fastening, adhesion, or engagement, or that one is held movably with respect to the other. include. Also, the liquid ejection head, the functional parts, 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18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。また、チューブなど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 ejection unit, there is a liquid ejection head and a head tank integrated like a liquid ejection unit 440 shown in FIG. Also, there is a type in which a liquid ejection head and a head tank are integrated by being connected to each other by a tube or the like. Here, it is also possible to add a unit including a filter between the head tank and the liquid ejection head of these liquid ejection units.

また、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。 Further, there is a liquid ejection unit in which a liquid ejection head and a carriage are integrated.

また、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。また、図19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 ejection unit, there is one in which the liquid ejection head is movably held by a guide member constituting a part of the scanning movement mechanism, and the liquid ejection head and the scanning movement mechanism are integrated. Further, as shown in FIG. 19, there is a liquid ejection unit in which a liquid ejection head, a carriage, and a main scanning movement mechanism are integrated.

また、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。 There is also a liquid ejection unit in which the liquid ejection head, the carriage, and the maintenance and recovery mechanism are integrated by fixing a cap member, which is a part of the maintenance and recovery mechanism, to a carriage to which the liquid ejection head is attached. .

また、液体吐出ユニットとして、図20で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取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。 Further, as a liquid ejection unit, as shown in FIG. 20, there is a liquid ejection head in which a tube is connected to a head tank or a liquid ejection head to which flow path parts are attached, and the liquid ejection head and the 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。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。 It is assumed that the main scanning movement mechanism also includes a single guide member. Also, the supply mechanism includes a single tube and a single loading unit.

また、「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、発熱抵抗体など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などを使用するものでもよい。 Also, the "liquid ejection head" is not limited to the pressure generating means to be used. For example, in addition to the piezoelectric actuator described in the above embodiment (which may use a laminated piezoelectric element), a thermal actuator using an electrothermal conversion element such as a heating resistor, and a vibration plate and a counter electrode may be used. An electrostatic actuator or the like may be used.

また、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。 Further, the terms used in the present application, such as image formation, recording, printing, printing, printing, modeling, etc., are synonymous.

<液体を吐出する装置の一実施形態>
次に、本発明に係る電気-機械変換素子を搭載した液体を吐出する装置の一例について図21及び図22のインクジェット記録装置を参照して説明する。なお、図21は同記録装置の斜視説明図、図22は同記録装置の機構部の側面説明図である。
<One Embodiment of Apparatus for Discharging Liquid>
Next, an example of an apparatus for ejecting liquid equipped with an electro-mechanical transducer according to the present invention will be described with reference to the inkjet recording apparatus shown in FIGS. 21 and 22. FIG. 21 is an explanatory perspective view of the same recording apparatus, and FIG. 22 is an explanatory side view of a mechanical portion of the same recording apparatus.

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

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ93にはヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。 The printing mechanism unit 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by means of a main guide rod 91 and a sub guide rod 92, which are guide members placed horizontally between left and right side plates (not shown). (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). They are arranged in an intersecting direction and mounted with the ink droplet ejection direction directed downward. In addition, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the head 94 is exchangeably mounted on the carriage 93 .

インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。 The ink cartridge 95 has an upper atmosphere port communicating with the atmosphere, a lower supply port for supplying ink to the inkjet head, and a porous body filled with ink inside. maintains the ink supplied to the inkjet head at a slight negative pressure. Further, although the heads 94 for each color are used as the recording heads here, one head having nozzles for ejecting ink droplets for 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を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モーター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 has its rear side (downstream side in the paper transport direction) slidably fitted on the main guide rod 91 and its front side (upstream side in the paper transport direction) slidably placed on the secondary guide rod 92 . is 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 which are rotationally driven by a main scanning motor 97 . , and the carriage 93 is reciprocally driven by the forward and reverse rotation of the main scanning motor 97 .

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

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。 A print receiving member 109 serving as a paper guide member is provided below the recording head 94 to guide the paper 83 fed from the conveying roller 104 so as to correspond to the moving range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveying roller 111 and a spur 112 which are rotatably driven to feed the paper 83 in the paper discharge direction are provided downstream of the print receiving member 109 in the paper conveying direction, and a paper discharge tray 86 for sending the paper 83 to the paper discharge tray 86. A roller 113, a spur 114, and guide members 115 and 116 forming a paper ejection 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記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。 During recording, the carriage 93 is moved and the recording head 94 is driven according to image signals to eject ink onto the stationary paper 83 to record one line. Make a record of the line of Upon receiving a recording end signal or a signal indicating that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

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

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。 In the event of an ejection failure, the ejection port (nozzle) of the head 94 is sealed with capping means, and the ink and air bubbles are sucked out from the ejection port through the tube by suction means to remove ink, dust, etc. adhering to the ejection port surface. is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Also, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir provided at the bottom of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

前記インクジェット記録装置においては、本発明のアクチュエータを搭載しているので、初期及び経時の変位特性が良好で、吐出特性が良好となる。また、振動板駆動不良による吐出不良がなく、安定した吐出特性が得られ、画像品質が向上する。 In the ink jet recording apparatus, since the actuator of the present invention is mounted, the displacement characteristics at the initial stage and over time are good, and the ejection characteristics are good. In addition, there is no ejection failure due to defective driving of the diaphragm, stable ejection characteristics are obtained, and image quality is improved.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
基板及び振動板として表1に記載のSOIウェハを用いた。なお、本実施例のシリコン層はp型Siで不純物をBとしている。
SOIウェハ上にスパッタ法により350℃でTi膜(膜厚:約20nm)成膜し、RTA(急速熱処理)により750℃で熱酸化した。引き続き、Pt膜(膜厚:約160nm)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。これにより、振動板上に第1の電極を形成した。
(Example 1)
SOI wafers shown in Table 1 were used as the substrate and diaphragm. In this embodiment, the silicon layer is p-type Si and B is used as an impurity.
A Ti film (film thickness: about 20 nm) was formed on an SOI wafer at 350° C. by sputtering, and thermally oxidized at 750° C. by RTA (rapid thermal annealing). Subsequently, a Pt film (thickness: about 160 nm) was deposited at about 300° C. by sputtering. A TiO 2 film obtained by thermally oxidizing the Ti film serves as an adhesion layer between the SiO 2 film and the Pt film. Thus, a first electrode was formed on the diaphragm.

次に、PZT膜のシード層となるPbTiO層(PT層とも称する)の材料としてPb:Ti=1:1の組成比で調合した塗布液(PT塗布液と称する)を準備した。 Next, as a material for a PbTiO 3 layer (also referred to as a PT layer) that serves as a seed layer for the PZT film, a coating solution (hereinafter referred to as a PT coating solution) prepared at a composition ratio of Pb:Ti=1:1 was prepared.

また、PZT膜の材料として、以下の組成比で調合したPZT前駆体塗布液を3液準備した。
[1st液]Pb:Zr:Ti=115:55:45
[2nd液]Pb:Zr:Ti=115:49:51
[3rd液]Pb:Zr:Ti=115:43:57
Also, as materials for the PZT film, three PZT precursor coating liquids prepared at the following composition ratios were prepared.
[1st liquid] Pb:Zr:Ti=115:55:45
[2nd liquid] Pb:Zr:Ti=115:49:51
[3rd solution] Pb:Zr:Ti=115:43:57

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。
次いで、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0.5mol/lにした。なお、PT塗布液に関してもPZT前駆体塗布液と同様に合成している。
A concrete PZT precursor coating liquid was synthesized as follows. First, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dehydrated after dissolving in methoxyethanol. The amount of lead is excessive for the stoichiometric composition. This is to prevent deterioration of crystallinity due to so-called lead removal during heat treatment.
Next, titanium isopropoxide and zirconium isopropoxide are dissolved in methoxyethanol, alcohol exchange reaction and esterification reaction are allowed to proceed, and the PZT precursor coating liquid is obtained by mixing with the methoxyethanol solution in which lead acetate is dissolved. Synthesized. The PZT concentration was 0.5 mol/l. The PT coating liquid is also synthesized in the same manner as the PZT precursor coating liquid.

最初に、第1の電極上にPT塗布液を用いて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。これにより、厚み7nmのシード層を形成した。 First, a film was formed on the first electrode by spin coating using a PT coating liquid, and then dried at 120° C. with a hot plate. This formed a seed layer with a thickness of 7 nm.

次いで、シード層上に、Zr比率の高い[1st液]で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。次に、[2nd液]で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。さらに、Zr比率の低い[3rd液]で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℃)を行って3層形成した。次いで、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。 Next, on the seed layer, a PZT film was formed by spin coating using [1st liquid] with a high Zr ratio, and dried (120° C.) and thermally decomposed (400° C.) with a hot plate. Next, a PZT film was formed by spin coating with the [2nd liquid], dried (120° C.) and thermally decomposed (400° C.) by a hot plate. Furthermore, a PZT film was formed by spin coating using [3rd liquid] with a low Zr ratio, and dried (120° C.) and pyrolyzed (400° C.) on a hot plate to form three layers. Next, after thermal decomposition treatment for the third layer, heat treatment (at a temperature of 730° C.) for crystallization was performed by RTA (rapid heat treatment).

この結晶化の熱処理が終わったときのPZT膜の膜厚は240nm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2.0μmの膜厚のPZT膜を得た。 The film thickness of the PZT film was 240 nm when the heat treatment for crystallization was completed. A total of 8 times (24 layers) of the heat treatment steps of coating, drying, thermal decomposition and crystallization of the PZT precursor solution were performed to obtain a PZT film having a thickness of about 2.0 μm.

次に、第3の電極、第4の電極を作製する。酸化物膜(第3の電極)として、SrRuO膜(膜厚40nm)、金属膜(第4の電極)としてPt膜(膜厚125nm)をスパッタ成膜した。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13に示すようなパターンを作製した。 Next, a third electrode and a fourth electrode are produced. A SrRuO 3 film (40 nm thick) was formed as an oxide film (third electrode), and a Pt film (125 nm thick) was formed as a metal film (fourth electrode) by sputtering. Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by spin coating, and after forming a resist pattern by normal photolithography, a pattern as shown in FIG. 13 was formed using an ICP etching device (manufactured by Samco). made.

次に、第1の絶縁保護膜として、ALD工法を用いてAl膜を50nm成膜した。このとき、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Oを交互に積層させることで、成膜を進めた。その後、図13に示すように、エッチングによりコンタクトホール部を形成した。 Next, as a first insulating protective film, an Al 2 O 3 film was formed to a thickness of 50 nm using the ALD method. At this time, TMA (Sigma-Aldrich Co.) for Al and O 3 generated by an ozone generator were alternately laminated for O to form a film. After that, as shown in FIG. 13, a contact hole portion was formed by etching.

次に、第5の電極、第6の電極としてAlをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。次いで、第2の絶縁保護膜としてSiをプラズマCVDにより500nm成膜し、アクチュエータを作製した。 Next, Al was deposited as a fifth electrode and a sixth electrode by sputtering, and patterned by etching. Then, Si 3 N 4 was deposited as a second insulating protective film to a thickness of 500 nm by plasma CVD to fabricate an actuator.

次に、得られたアクチュエータに対して、コロナ帯電処理により分極処理を行った。分極処理は図14に示す装置を用いた。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℃、コロナ電圧9kV、グリッド電圧2.5kV、処理時間30s、コロナ電極-グリッド電極間距離4mm、グリッド電極-ステージ間距離4mmにて行った。 Next, the obtained actuator was subjected to polarization treatment by corona charging treatment. The apparatus shown in FIG. 14 was used for the polarization treatment. A tungsten wire with a diameter of 50 μm is used for the corona charging treatment. The polarization treatment conditions were 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, a distance between the corona electrode and the grid electrode of 4 mm, and a distance between the grid electrode and the stage of 4 mm.

なお、第5の電極、第6の電極に接続するための共通電極PAD、個別電極PADを形成している。個別電極PAD間の距離は80μmとした。 A common electrode PAD and an individual electrode PAD for connecting to the fifth electrode and the sixth electrode are formed. The distance between the individual electrodes PAD was set to 80 μm.

(実施例2~8、10)
実施例1で用いたSOIウェハを表1に示されるSOIウェハに変更した以外は、実施例1と同様にしてアクチュエータを作製した。
(Examples 2 to 8, 10)
An actuator was produced in the same manner as in Example 1, except that the SOI wafer used in Example 1 was changed to the SOI wafer shown in Table 1.

(実施例9)
実施例1で用いたSOIウェハを表1に示されるSOIウェハに変更し、図5に示されるように振動板上に応力制御層としてALD法によりZrO膜を100nm作製した以外は、実施例1と同様にしてアクチュエータを作製した。
(Example 9)
The SOI wafer used in Example 1 was changed to the SOI wafer shown in Table 1, and as shown in FIG. An actuator was produced in the same manner as in 1.

(比較例1、2)
実施例1で用いたSOIウェハを表1に示されるSOIウェハに変更し、第2の電極(シード層)であるPT層の代わりにスパッタ装置にてTiO膜を7nm形成した以外は、実施例1と同様にしてアクチュエータを作製した。
(Comparative Examples 1 and 2)
The SOI wafer used in Example 1 was changed to the SOI wafer shown in Table 1, and instead of the PT layer, which was the second electrode (seed layer), a TiO 2 film of 7 nm was formed using a sputtering apparatus. An actuator was produced in the same manner as in Example 1.

(比較例3、4)
実施例1で用いたSOIウェハを表1に示されるSOIウェハに変更した以外は、実施例1と同様にしてアクチュエータを作製した。
(Comparative Examples 3 and 4)
An actuator was produced in the same manner as in Example 1, except that the SOI wafer used in Example 1 was changed to the SOI wafer shown in Table 1.

(評価)
上記により得られたアクチュエータについて変位特性(圧電定数)、吐出特性の評価を行った。
(evaluation)
The displacement characteristics (piezoelectric constant) and ejection characteristics of the actuator obtained above were evaluated.

<変位評価>
変位特性の評価については、図6に示すように基板裏面側から掘加工を行い、個別液室を形成した上で振動評価を実施している。電界印加(150kV/cm)による変形量(圧電定数d31)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。得られた結果を表1に示す。評価基準は以下の通りである。◎及び○を合格とした。
<Displacement evaluation>
As for the evaluation of displacement characteristics, as shown in FIG. 6, excavation is performed from the back side of the substrate to form individual liquid chambers, and then vibration evaluation is performed. The amount of deformation (piezoelectric constant d31) due to the application of an electric field (150 kV/cm) was measured with a laser Doppler vibrometer, and calculated from matching by simulation. Table 1 shows the results obtained. Evaluation criteria are as follows. ⊚ and ◯ were regarded as passed.

[評価基準]
◎:圧電定数d31が-140~-160pm/V
○:圧電定数d31が-160~-180pm/V(ただし-160pm/Vを除く)
△:圧電定数d31が-120~-140pm/V(ただし-140pm/Vを除く)
×:圧電定数d31が上記以外
[Evaluation criteria]
◎: Piezoelectric constant d31 is -140 to -160 pm / V
○: Piezoelectric constant d31 is -160 to -180pm/V (excluding -160pm/V)
△: Piezoelectric constant d31 is -120 to -140pm/V (excluding -140pm/V)
×: Piezoelectric constant d31 other than the above

実施例については、初期及び経時で一般的なセラミック焼結体と同等の特性(圧電定数-140~-180pm/V)を有していた。
比較例については、初期及び経時の少なくとも一方で圧電定数が低く、一般的なセラミックス焼結体に比べて特性が劣っていることが分かる。
The examples had characteristics (piezoelectric constant of -140 to -180 pm/V) equivalent to those of general ceramic sintered bodies at the initial stage and with time.
As for the comparative example, the piezoelectric constant is low at least at the initial stage and after aging, and it can be seen that the characteristics are inferior to those of general ceramic sintered bodies.

<吐出評価>
上記により得られたアクチュエータを用いて、図7に示されるような液体吐出ヘッドを作製し、液体の吐出特性の評価を行った。液体として粘度を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。◎、○、△、×の順に良好な結果である。
<Discharge evaluation>
Using the actuator obtained as described above, a liquid ejection head as shown in FIG. 7 was produced, and the liquid ejection characteristics were evaluated. Using an ink having a viscosity adjusted to 5 cp as a liquid, the discharge state was confirmed when an applied voltage of -10 to -30 V was applied with a simple push waveform. Good results are obtained in the order of ⊚, ◯, Δ, and ×.

実施例1~10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した。
一方、比較例2ではインクの吐出が行えず、比較例1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なかった。
It was confirmed that all of Examples 1 to 10 could be ejected from any nozzle hole and could be ejected at a high frequency.
On the other hand, in Comparative Example 2, ink could not be ejected, and in Comparative Example 1, ink could not be ejected stably when it was attempted to eject at a high frequency.

<振動板の応力の評価>
実施例では、振動板作製時の反り量の測定結果から振動板が圧縮側の応力を有していると判断した。一方、比較例では、振動板は圧縮側の応力を有しておらず、引張側の応力を有していると判断した。
<Evaluation of diaphragm stress>
In the example, it was determined that the diaphragm had stress on the compression side based on the measurement result of the amount of warpage when the diaphragm was manufactured. On the other hand, in the comparative example, it was determined that the diaphragm did not have the stress on the compression side, but had the stress on the tension side.

Figure 0007167626000001
Figure 0007167626000001

なお、上記の例ではp型Siの結果を示したが、シリコン層がn型Siの場合であっても、p型Siと同様の結果が得られる。 Although the above example shows the results for p-type Si, even if the silicon layer is n-type Si, the same results as for p-type Si can be obtained.

11 基板
12 振動板
13 下部電極
14 電気-機械変換膜
15 上部電極
16 応力制御層
17 第1の絶縁保護膜
18 第2の絶縁保護膜
19 電気-機械変換素子
20 第1のシリコン酸化膜
21 シリコン層
22 第2のシリコン酸化膜
31 第1の電極
32 第2の電極
33 第3の電極
34 第4の電極
35 第5の電極
36 第6の電極
40 ノズル板
41 ノズル
42 個別液室
43 隔壁
51 個別電極PAD
52 共通電極PAD
53 コンタクトホール
61 コロナ電極
62 グリッド電極
63 コロナ電源
64 グリッド電源
65 サンプルステージ
401 ガイド部材
403 キャリッジ
404 液体吐出ヘッド
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
Reference Signs List 11 substrate 12 diaphragm 13 lower electrode 14 electro-mechanical conversion film 15 upper electrode 16 stress control layer 17 first insulating protective film 18 second insulating protective film 19 electro-mechanical conversion element 20 first silicon oxide film 21 silicon Layer 22 Second silicon oxide film 31 First electrode 32 Second electrode 33 Third electrode 34 Fourth electrode 35 Fifth electrode 36 Sixth electrode 40 Nozzle plate 41 Nozzle 42 Individual liquid chamber 43 Partition 51 Individual electrode PAD
52 common electrode PAD
53 contact hole 61 corona electrode 62 grid electrode 63 corona power source 64 grid power source 65 sample stage 401 guide member 403 carriage 404 liquid ejection head 405 main scanning motor 406 drive pulley 407 driven pulley 408 timing belt 410 paper 412 transport belt 413 transport roller 414 tension Roller 416 sub-scanning motor 417 timing belt 418 timing pulley 420 maintenance and recovery mechanism 421 cap member 422 wiper member 440 liquid discharge unit 441 head tank 442 cover 443 connector 444 channel component 450 liquid cartridge 451 cartridge holder 452 liquid feed unit 456 tube 491A, 491B side plate 491C back plate 493 main scanning movement mechanism 494 supply mechanism 495 transport mechanism

特許第5164244号公報Japanese Patent No. 5164244 特開2017-205955号公報JP 2017-205955 A

Claims (13)

振動板、下部電極、電気-機械変換膜及び上部電極を有し、
前記振動板は、厚み0.5μm以上の第1のシリコン酸化膜、該第1シリコン酸化膜上に厚み3μm以上のシリコン層、及び、該シリコン層上に厚み0.5μm以上の第2のシリコン酸化膜を有し、
前記シリコン層の体積抵抗率が10Ω・cm以上10Ω・cm以下であることを特徴とするアクチュエータ。
having a diaphragm, a lower electrode, an electro-mechanical conversion film and an upper electrode,
The diaphragm includes a first silicon oxide film with a thickness of 0.5 μm or more, a silicon layer with a thickness of 3 μm or more on the first silicon oxide film, and a second silicon layer with a thickness of 0.5 μm or more on the silicon layer. having a silicon oxide film,
The actuator, wherein the silicon layer has a volume resistivity of 10 3 Ω·cm or more and 10 6 Ω·cm or less.
前記シリコン層は、不純物濃度が1.3×1013atoms/cm以下のp型シリコン又は不純物濃度が4.3×1012atoms/cm以下のn型シリコンからなることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。 The silicon layer is made of p-type silicon with an impurity concentration of 1.3×10 13 atoms/cm 3 or less or n-type silicon with an impurity concentration of 4.3×10 12 atoms/cm 3 or less. Item 1. The actuator according to item 1. 前記第2のシリコン酸化膜の厚みは、前記第1のシリコン酸化膜の厚み以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ。 3. The actuator according to claim 1, wherein the thickness of said second silicon oxide film is equal to or greater than the thickness of said first silicon oxide film. 前記電気-機械変換膜はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなり、
前記PZTについてXRD(X線回折)測定でのθ-2θ測定において、(100)配向の配向度が99%以上であり、(200)面又は(002)面のピークが得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られた(400)面の回折ピークが山谷を有する3つのピークに分離されることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のアクチュエータ。
The electro-mechanical conversion film is made of PZT (lead zirconate titanate),
In the θ-2θ measurement by XRD (X-ray diffraction) measurement of the PZT, the degree of orientation of (100) orientation is 99% or more, and the maximum peak is 2θ at which the peak of the (200) plane or (002) plane is obtained. Any one of claims 1 to 3, wherein the diffraction peak of the (400) plane obtained when the tilt angle (χ) is swung at the position is separated into three peaks having peaks and valleys. Actuator as described.
前記電気-機械変換膜はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなり、
前記PZTは正方晶のaドメイン及びcドメインを有し、
前記PZTについてXRD(X線回折)測定でのθ-2θ測定において、(200)面又は(002)面のピークが得られる2θが最大ピーク位置となるところで、あおり角(χ)を振ったときに得られた(400)面の回折ピークについてピーク分離したときに、前記正方晶のaドメイン及びcドメインに該当するピークに対して格子定数を求め、値の大きいものを最大格子定数、小さいものを最小格子定数とすると、最大格子定数と最小格子定数の比率(最大格子定数/最小格子定数)が1.02以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載のアクチュエータ。
The electro-mechanical conversion film is made of PZT (lead zirconate titanate),
The PZT has a tetragonal a-domain and c-domain,
In the θ-2θ measurement by XRD (X-ray diffraction) measurement of the PZT, when the tilt angle (χ) is swung at the 2θ where the peak of the (200) plane or (002) plane is obtained is the maximum peak position When the diffraction peak of the (400) plane obtained in 1 is separated, the lattice constant is obtained for the peaks corresponding to the a domain and the c domain of the tetragonal crystal, and the maximum lattice constant is determined for a large value, and the maximum lattice constant for a small value is the minimum lattice constant, the ratio of the maximum lattice constant to the minimum lattice constant (maximum lattice constant/minimum lattice constant) is 1.02 or more.
前記振動板の曲げ剛性が7.0×10-10Nm以上であることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載のアクチュエータ。 The actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the bending rigidity of the diaphragm is 7.0 × 10 -10 Nm 2 or more. 前記振動板と前記下部電極の間に応力制御層を有し、
前記応力制御層は、圧縮応力を有する材料からなることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載のアクチュエータ。
a stress control layer between the diaphragm and the lower electrode ;
7. The actuator according to claim 1 , wherein said stress control layer is made of a material having compressive stress .
前記応力制御層がZrOからなることを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータ。 8. The actuator according to claim 7 , wherein said stress control layer consists of ZrO2. 液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に圧力を発生させるアクチュエータとを有し、
前記アクチュエータが請求項1~8のいずれかに記載のアクチュエータであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
a nozzle for ejecting liquid, an individual liquid chamber communicating with the nozzle, and an actuator for generating pressure in the individual liquid chamber,
A liquid ejection head, wherein the actuator is the actuator according to any one of claims 1 to 8.
前記個別液室を形成する基板には該個別液室を仕切る隔壁が形成され、
前記振動板は前記基板上に設けられており、
前記隔壁がSiからなり、前記隔壁の体積抵抗率が10Ω・cm以下であることを特徴とする請求項9に記載の液体吐出ヘッド。
a partition partitioning the individual liquid chamber is formed on the substrate forming the individual liquid chamber;
The diaphragm is provided on the substrate,
10. The liquid ejection head according to claim 9, wherein the partition is made of Si and has a volume resistivity of 10 Ω·cm or less.
請求項9又は10に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。 A liquid ejection unit comprising the liquid ejection head according to claim 9 . 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする請求項11に記載の液体吐出ユニット。 a head tank for storing the liquid to be supplied to the liquid ejection head, a carriage for mounting the liquid ejection head, a supply mechanism for supplying the liquid to the liquid ejection head, a maintenance and recovery mechanism for maintaining and recovering the liquid ejection head, and the liquid 12. The liquid ejection unit according to claim 11, wherein at least one of main scanning movement mechanisms for moving the ejection head in the main scanning direction is integrated with the liquid ejection head. 請求項9若しくは10に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項11若しくは12に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。 13. A device for ejecting liquid, comprising the liquid ejection head according to claim 9 or 10, or the liquid ejection unit according to claim 11 or 12.
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