JP7351106B2 - Electromechanical transducer element, liquid ejection head, liquid ejection unit, liquid ejection device, and piezoelectric device - Google Patents

Electromechanical transducer element, liquid ejection head, liquid ejection unit, liquid ejection device, and piezoelectric device Download PDF

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本発明は、電気機械変換素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び圧電装置に関する。 The present invention relates to an electromechanical transducer, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, a liquid ejection device, and a piezoelectric device.

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置に使用されるインクジェット記録装置や液体吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室(インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される)と、加圧室内のインクを加圧するエネルギー発生手段(例えば、電気機械変換素子としての圧電素子等)とを備えていることが知られている。そして、エネルギー発生手段で発生したエネルギーで加圧室内のインクを加圧することによって、ノズルからインク滴が吐出される。 Inkjet recording devices and liquid ejection heads used in image recording devices or image forming devices such as printers, facsimiles, and copiers have a nozzle that ejects ink droplets and a pressure chamber (ink flow path, (also referred to as a pressurized liquid chamber, pressure chamber, discharge chamber, liquid chamber, etc.) and an energy generating means (for example, a piezoelectric element as an electromechanical transducer) for pressurizing the ink in the pressurized chamber. It has been known. Then, ink droplets are ejected from the nozzle by pressurizing the ink in the pressurizing chamber with the energy generated by the energy generating means.

液体吐出ヘッドとしては、電気機械変換素子(圧電素子)の軸方向に伸長・収縮する縦振動モードのアクチュエータを使用したもの、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものが知られている。
たわみ振動モードのアクチュエータとしては、例えば、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な電気機械変換膜(圧電体膜、圧電材料層などともいう)を形成し、この電気機械変換膜をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室に独立するように電気機械変換素子を形成したものが知られている。
As liquid ejection heads, there are known ones that use an actuator in a longitudinal vibration mode that expands and contracts in the axial direction of an electromechanical transducer (piezoelectric element), and those that use an actuator in a flexural vibration mode.
For a flexural vibration mode actuator, for example, a uniform electromechanical transducer film (also referred to as a piezoelectric film, piezoelectric material layer, etc.) is formed over the entire surface of the diaphragm using a film-forming technique, and this electromechanical transducer film is formed using a lithography method. It is known that the electromechanical transducer is cut into shapes corresponding to the pressure generating chambers, and an electromechanical transducer is formed independently in each pressure generating chamber.

従来の電気機械変換素子においては、高湿度の環境下での信頼性に問題があることが知られている。これは、環境中の水分によって電気機械変換層が劣化したり、リーク電流が増大して絶縁破壊が引き起こされたりすることによるもので、電気機械変換素子の変換特性の低下を招き、さらには故障に至ることがある。 It is known that conventional electromechanical transducers have reliability problems in high humidity environments. This is because the electromechanical conversion layer deteriorates due to moisture in the environment, and leakage current increases and dielectric breakdown occurs, leading to a decline in the conversion characteristics of the electromechanical conversion element and even failure. It may lead to.

このような問題に対し、特許文献1には、圧力発生室の境界近傍での応力集中を低減して上電極の破損を防止するとともに、圧電材料層を挟む上下電極間でのリーク電流の発生を防止してインク滴を安定に吐出させ、さらに大気中の湿気による劣化を防止することができるインクジェット式記録ヘッドとして、下電極と、圧電体層と、上電極とからなる圧電振動子を備え、上電極が圧力発生室に対向する領域内に独立して形成され、また上電極の周面部以外を露出させるように上電極の表面の周縁部から圧電体層の側面の領域だけが絶縁体層に覆われているインクジェット式記録ヘッドが提案されている。 To address these problems, Patent Document 1 discloses a method for reducing stress concentration near the boundary of the pressure generating chamber to prevent damage to the upper electrode, and also for preventing leakage current between the upper and lower electrodes that sandwich the piezoelectric material layer. The inkjet recording head is equipped with a piezoelectric vibrator consisting of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode. , the upper electrode is formed independently in a region facing the pressure generation chamber, and only the region from the peripheral edge of the surface of the upper electrode to the side surface of the piezoelectric layer is an insulator so that the area other than the peripheral surface of the upper electrode is exposed. Inkjet recording heads have been proposed that are covered with layers.

また特許文献2には、圧電素子の絶縁信頼性を向上させる技術として、第1及び第2電極に挟まれ且つ鉛化合物を含む圧電体とを備え、圧電体の厚み方向一方側から他方側にそれぞれ向いている複数の柱状結晶体により構成された集合体から成り、結晶体間の結晶粒界には酸化ジルコニウムが存在し且つ該結晶粒界におけるジルコニウム元素の組成比が結晶粒界における鉛元素よりも大きい圧電素子が提案されている。 Further, Patent Document 2 discloses a technique for improving the insulation reliability of a piezoelectric element, which includes a piezoelectric body sandwiched between first and second electrodes and containing a lead compound, and a piezoelectric body that is sandwiched between first and second electrodes, and that It consists of an aggregate composed of a plurality of columnar crystals facing each other, and zirconium oxide exists at the grain boundaries between the crystals, and the composition ratio of the zirconium element at the grain boundaries is higher than that of the lead element at the grain boundaries. Piezoelectric elements larger than

しかしながら、特許文献1の技術では、絶縁体層で覆われた圧電体層は、絶縁体層の剛性により変位が制限され、圧電素子の特性が低下してしまうおそれがある。また、特許文献2の技術では、圧電素子のリークパスに相当する結晶粒界に非圧電物質の酸化ジルコニウムを存在させることで、圧電素子の特性が低下してしまうおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1, the displacement of the piezoelectric layer covered with the insulating layer is limited by the rigidity of the insulating layer, and the characteristics of the piezoelectric element may deteriorate. Furthermore, in the technique of Patent Document 2, the presence of zirconium oxide, which is a non-piezoelectric substance, at the grain boundaries corresponding to the leak path of the piezoelectric element may deteriorate the characteristics of the piezoelectric element.

ところで、特許文献2には、湿度の高い環境下で高電圧を印加したときに絶縁破壊が起こる原理について、圧電体中の結晶粒界に存在する鉛酸化物が水分と電気化学的な反応を起こして変質することが主な原因であることが記載されている。 By the way, Patent Document 2 describes the principle by which dielectric breakdown occurs when a high voltage is applied in a humid environment, stating that lead oxide present at the grain boundaries in a piezoelectric material undergoes an electrochemical reaction with moisture. It has been stated that the main cause is that the deterioration occurs due to deterioration.

また、絶縁破壊の発生を抑制するためには、リーク電流量を制御することが重要であり、リーク源となる成分の含有量を制御することが有効である。
さらに、高湿度環境下においては、電気機械変換膜の外部を流れる電流を制御し、上下電極間でショートさせないことも重要である。
Furthermore, in order to suppress the occurrence of dielectric breakdown, it is important to control the amount of leakage current, and it is effective to control the content of components that become leak sources.
Furthermore, in a high humidity environment, it is important to control the current flowing outside the electromechanical transducer membrane to prevent short circuits between the upper and lower electrodes.

そこで、本発明は、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続が可能であり、信頼性の高い電気機械変換素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable electromechanical transducer that maintains electromechanical conversion characteristics even in a high humidity environment, can continue driving without failure, and has high reliability.

上記課題を解決するために、本発明の電気機械変換素子は、Pb、Zr及びTiを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物で構成され、膜厚が1.0μm~3.0μmである電気機械変換膜と、前記電気機械変換膜を挟んで配置された一対の電極と、前記電気機械変換膜及び前記一対の電極を被覆する絶縁保護膜と、を有し、前記電気機械変換膜中のPb含有率が膜厚方向に略均一であり、水蒸気圧が300kPaの環境において、前記一対の電極から電気的に接続された端子間で測定されるDC電圧40V時のリーク電流密度が4.2×10-6A/cm以下であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the electromechanical transducer of the present invention is made of a composite oxide having a perovskite structure containing at least Pb, Zr, and Ti , and has a film thickness of 1.0 μm to 3.0 μm. a mechanical transducer film, a pair of electrodes disposed with the electromechanical transducer film in between, and an insulating protective film covering the electromechanical transducer film and the pair of electrodes, In an environment where the Pb content is approximately uniform in the film thickness direction and the water vapor pressure is 300 kPa, the leakage current density at a DC voltage of 40 V measured between terminals electrically connected from the pair of electrodes is 4.2. ×10 −6 A/cm 2 or less.

本発明によれば、本発明は、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続が可能であり、信頼性の高い電気機械変換素子を提供することができる。 According to the present invention, the present invention can provide a highly reliable electromechanical transducer that maintains electromechanical conversion characteristics even in a high humidity environment, and can continue driving without failure. .

本発明に係る電気機械変換素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of an electromechanical transducer according to the present invention. 本発明に係る電気機械変換素子の構成の一例を示す断面図(A)及び上面図(B)である。1 is a cross-sectional view (A) and a top view (B) showing an example of the configuration of an electromechanical transducer according to the present invention. 本発明に係る電気機械変換素子の製造に用いられる分極処理装置の構成の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a polarization processing apparatus used for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention. 分極処理後のP-Eヒステリシスループを示すグラフである。It is a graph showing a PE hysteresis loop after polarization processing. 本発明に係る電気機械変換素子の電気機械変換膜の断面TEM像である。1 is a cross-sectional TEM image of an electromechanical transducer film of an electromechanical transducer according to the present invention. 液体吐出ヘッドの構成例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a liquid ejection head. 液体吐出ヘッドの構成例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a liquid ejection head. 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。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a liquid ejection unit according to the present invention. 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. 7 is a schematic diagram showing another example of the liquid ejection unit according to the present invention. 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. 7 is a schematic diagram showing another example of the liquid ejection unit according to the present invention. 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. 7 is a schematic diagram showing another example of the liquid ejection unit according to the present invention. 液体を吐出する装置の一例を示す概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a device that discharges liquid. 液体を吐出する装置の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a device for discharging liquid. 実施例1~3の電気機械変換素子における電気機械変換膜の膜厚方向におけるPb含有率を示すグラフである。2 is a graph showing the Pb content in the thickness direction of the electromechanical conversion films in the electromechanical conversion elements of Examples 1 to 3.

以下、本発明に係る電気機械変換素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に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。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An electromechanical transducer, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and a liquid ejecting device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments shown below, and may be modified within the scope of those skilled in the art, such as other embodiments, additions, modifications, deletions, etc. These are also included within the scope of the present invention as long as they exhibit the functions and effects of the present invention.

本発明に係る電気機械変換素子は、圧電体からなる薄膜の電気機械変換膜を有する装置に適用可能であり、例えば、液体吐出ヘッド、モータ、超音波振動子、圧電センサ、強誘電メモリ、発電装置、スピーカー等の圧電装置に用いることができる。 The electromechanical transducer according to the present invention can be applied to devices having a thin electromechanical transducer film made of a piezoelectric material, such as liquid ejection heads, motors, ultrasonic vibrators, piezoelectric sensors, ferroelectric memories, and power generation devices. It can be used for piezoelectric devices such as devices and speakers.

電気機械変換膜を構成する圧電体は、電圧の印加によって変形する圧電特性を有する材料である。
本実施形態の電気機械変換膜は、Pb、Zr及びTiを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物(例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT))で構成されている。
PZTからなる電気機械変換膜を有する電気機械変換素子に駆動電圧を印加したときの振動モードとしては、例えば、圧電定数d33による膜厚方向の変形を伴う縦振動モード(プッシュモード)や、圧電定数d31によるたわみ変形を伴う横振動モード(ベンドモード)がある。更には、膜の剪断変形を利用したシェアモード等もある。
The piezoelectric body that constitutes the electromechanical transducer film is a material that has piezoelectric properties that deforms when voltage is applied.
The electromechanical transducer film of this embodiment is made of a composite oxide (for example, lead zirconate titanate (PZT)) having a perovskite structure containing at least Pb, Zr, and Ti.
When a driving voltage is applied to an electromechanical transducer having an electromechanical transducer film made of PZT, the vibration modes include, for example, a longitudinal vibration mode (push mode) accompanied by deformation in the film thickness direction due to the piezoelectric constant d33, and a piezoelectric constant d33. There is a transverse vibration mode (bend mode) accompanied by deflection deformation due to d31. Furthermore, there is also a shear mode that utilizes shear deformation of the membrane.

前記電気機械変換膜を有する電気機械変換素子は、例えば、半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術を利用し、Si基板に加圧液室及び電気機械変換素子を直接作り込むことができる。
これにより電気機械変換素子を、例えば、液体吐出ヘッドにおいて加圧室内に圧力を発生させる薄膜の圧電アクチュエータとして形成することができる。
The electromechanical transducer having the electromechanical transducer film can be formed by directly manufacturing a pressurized liquid chamber and an electromechanical transducer on a Si substrate using, for example, a semiconductor process or MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. .
Thereby, the electromechanical transducer can be formed, for example, as a thin film piezoelectric actuator that generates pressure in a pressurizing chamber in a liquid ejection head.

図1は、電気機械変換素子の概略構成の一例を示す断面図である。
図1の例では、基板13、振動板14、電気機械変換素子20が積層され、電気機械変換素子20は、第1の電極15、電気機械変換膜16、第2の電極17により構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of an electromechanical transducer.
In the example of FIG. 1, a substrate 13, a diaphragm 14, and an electromechanical transducer 20 are stacked, and the electromechanical transducer 20 is composed of a first electrode 15, an electromechanical transducer film 16, and a second electrode 17. There is.

図2は、本実施形態の電気機械変換素子20を液体吐出ヘッドなどの圧電アクチュエータとして用いる際の構成の一例を示す図である。
図2(A)は、液体吐出ヘッドに設けた電気機械変換素子の概略構成例を示す断面図であり、図2(B)は、その電気機械変換素子の上面図である。図2(A)は、図2(B)のI-Iの断面図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a configuration when the electromechanical transducer 20 of this embodiment is used as a piezoelectric actuator for a liquid ejection head or the like.
FIG. 2(A) is a cross-sectional view showing a schematic configuration example of an electromechanical transducer provided in a liquid ejection head, and FIG. 2(B) is a top view of the electromechanical transducer. FIG. 2(A) is a sectional view taken along line II in FIG. 2(B).

図2(B)に示すように、複数の電気機械変換素子20が所定の方向に配列するように設けられている。複数の電気機械変換素子20は、基板13上に振動板14を介して形成されている。 As shown in FIG. 2(B), a plurality of electromechanical transducers 20 are provided so as to be arranged in a predetermined direction. A plurality of electromechanical transducers 20 are formed on a substrate 13 with a diaphragm 14 in between.

電気機械変換膜16及び一対の電極(第1の電極15、第2の電極17)上の所定エリアには層間絶縁膜としての第1の絶縁保護膜21が設けられている。
第1の絶縁保護膜21には、第1の電極15と第2の電極17が他の電極と電気的に接続できるようにコンタクトホール25が形成されている。
図2においては、第1の電極15は第3の電極(共通引き出し配線)27と導通し、第2の電極17は第4の電極(共通引き出し配線)28と導通した構成となっている。このとき、第1の電極15と第3の電極27を共通電極、第2の電極17と第4の電極28を個別電極として、これらを保護する第2の絶縁保護膜22が形成されている。
A first insulating protective film 21 as an interlayer insulating film is provided in a predetermined area on the electromechanical conversion film 16 and the pair of electrodes (first electrode 15, second electrode 17).
A contact hole 25 is formed in the first insulating protective film 21 so that the first electrode 15 and the second electrode 17 can be electrically connected to other electrodes.
In FIG. 2, the first electrode 15 is electrically connected to a third electrode (common lead wiring) 27, and the second electrode 17 is electrically connected to a fourth electrode (common lead wiring) 28. At this time, the first electrode 15 and the third electrode 27 are used as common electrodes, the second electrode 17 and the fourth electrode 28 are used as individual electrodes, and a second insulating protective film 22 is formed to protect them. .

第2の絶縁保護膜22の一部は開口部を有し、個別電極の一部が個別電極パッド24、共通電極の一部が共通電極パッド23として構成されている。
なお、図2(B)では第1の絶縁保護膜21及び第2の絶縁保護膜22は省略されている。
A portion of the second insulating protective film 22 has an opening, a portion of the individual electrode is configured as an individual electrode pad 24, and a portion of the common electrode is configured as a common electrode pad 23.
Note that the first insulating protective film 21 and the second insulating protective film 22 are omitted in FIG. 2(B).

第1の絶縁保護膜21及び第2の絶縁保護膜22は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、及び窒化シリコン等の無機化合物により構成することができる。 The first insulating protective film 21 and the second insulating protective film 22 can be made of inorganic compounds such as aluminum oxide, silicon oxide, aluminum nitride, and silicon nitride.

図1及び図2の例では、第1の電極(下部電極)15が共通電極、第2の電極(上部電極)17が個別電極である態様を示したが、上部電極と下部電極は、後述の図6の構成で示すように、どちらが共通電極または個別電極になってもよく、電極の目的に応じて適宜変更することができる。 In the examples of FIGS. 1 and 2, the first electrode (lower electrode) 15 is a common electrode and the second electrode (upper electrode) 17 is an individual electrode, but the upper electrode and the lower electrode will be described later. As shown in the configuration of FIG. 6, either can be a common electrode or an individual electrode, and can be changed as appropriate depending on the purpose of the electrode.

[基板]
基板13としては、特に制限されるものではないが、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、厚みが100~600μmであることが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種を用いることができ、一般的に(100)、(111)が用いられており、本発明においては、(100)の面方位を持つ単結晶基板が好ましい。
[substrate]
Although the substrate 13 is not particularly limited, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and the thickness is preferably 100 to 600 μm. Three types of plane orientations can be used: (100), (110), and (111).Generally, (100) and (111) are used, and in the present invention, (100) is used. A single crystal substrate with a plane orientation is preferable.

また、後述する液体吐出ヘッド(図6参照)において加圧室18を形成する場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工するが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができる。
本発明においては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能であるが、この場合、マスク材として用いられ得るSiOもエッチングされてしまうことにも留意する。
Furthermore, when forming a pressurizing chamber 18 in a liquid ejection head (see FIG. 6) described later, a silicon single crystal substrate is processed using etching, and anisotropic etching is used as the etching method in this case. This is common. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs depending on the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching performed by immersion in an alkaline solution such as KOH, the etching rate for the (111) plane is about 1/400 of that for the (100) plane. Therefore, in the plane orientation (100), it is possible to fabricate a structure with an inclination of about 54°, while in the plane orientation (110), deep grooves can be cut, which allows for a higher arrangement density while maintaining more rigidity. can do.
In the present invention, it is also possible to use a single crystal substrate with a (110) plane orientation, but in this case it should be noted that SiO 2 that can be used as a mask material will also be etched.

なお、加圧室18の幅(短尺方向の長さ)は、50μm以上70μm以下であるのが好ましい。この範囲内であると、高周波での吐出性能が確保できる。 Note that the width (length in the short direction) of the pressurizing chamber 18 is preferably 50 μm or more and 70 μm or less. Within this range, ejection performance at high frequencies can be ensured.

[振動板]
振動板14は、後述する液体吐出ヘッドにおいて、電気機械変換膜16によって発生した力を受けて変形変位し、加圧室18のインク滴を吐出させる。そのため、振動板14としては所定の強度を有したものであることが好ましい。
[Vibration plate]
The diaphragm 14 is deformed and displaced by the force generated by the electromechanical transducer film 16 in a liquid ejection head to be described later, and causes the ink droplets in the pressurized chamber 18 to be ejected. Therefore, it is preferable that the diaphragm 14 has a predetermined strength.

特に、高周波での吐出性能を確保するためには、振動板14は電気機械変換膜16及び絶縁保護膜とともに剛性を高める必要があり、振動板14に関しては、応力設計も考慮し、例えばSiO、SiN(Si)、poly-Siの材料からなる複数の層で構成し、膜厚を1μm~3μmとし、ヤング率を75GPa~95GPaとすることが好ましい。 In particular, in order to ensure ejection performance at high frequencies, it is necessary to increase the rigidity of the diaphragm 14 together with the electromechanical conversion film 16 and the insulating protective film . , SiN (Si 3 N 4 ), and poly-Si, the film thickness is preferably 1 μm to 3 μm, and the Young's modulus is preferably 75 GPa to 95 GPa.

振動板14の材料としては、例えばSi、SiO、SiをCVD(Chemical Vapor Deposition)法により作製したものが挙げられ、上述のように複数の層からなることが好ましい。 Examples of the material for the diaphragm 14 include Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 made by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and it is preferable that the diaphragm 14 is made of a plurality of layers as described above.

また第1の電極15、電気機械変換膜16の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気機械変換膜16は、一般的な材料としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が使用されることから、振動板14の材料は線膨張係数8×10-6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10-6~10×10-6の線膨張係数を有した材料が好ましく、7×10-6~9×10-6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びこれらの化合物等であり、これらをスパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーター等にて作製することができる。
Further, it is preferable to select a material having a coefficient of linear expansion close to that of the first electrode 15 and the electromechanical conversion film 16. In particular, since the electromechanical transducer membrane 16 uses PZT (lead zirconate titanate) as a general material, the material of the diaphragm 14 has a linear expansion coefficient close to 8×10 -6 (1/K). A material having a linear expansion coefficient of 5×10 −6 to 10×10 −6 is preferable, and a material having a linear expansion coefficient of 7×10 −6 to 9×10 −6 is more preferable.
Specific materials include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. It can be produced using a spin coater or the like using a sol-gel method.

振動板14の膜厚としては上述のように1μm~3μmが好ましく、1.5μm~2.5μmがより好ましい。これにより、加圧室18の加工が容易になり、さらに振動板が変形しやすくなる。 As mentioned above, the thickness of the diaphragm 14 is preferably 1 μm to 3 μm, more preferably 1.5 μm to 2.5 μm. This facilitates processing of the pressurizing chamber 18 and further facilitates deformation of the diaphragm.

[電極]
第1の電極15及び第2の電極17(下部電極及び上部電極)としては、金属膜や酸化物電極膜により構成することができ、特に金属膜と酸化物電極膜の積層体で構成してもよい。
[electrode]
The first electrode 15 and the second electrode 17 (lower electrode and upper electrode) can be composed of a metal film or an oxide electrode film, and in particular can be composed of a laminate of a metal film and an oxide electrode film. Good too.

第1の電極15及び第2の電極17(下部電極及び上部電極)はそれぞれ、電気的な抵抗が十分小さい金属層を有してもよい。
金属層の金属材料としては、高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いることができる。但し、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るため、イリジウムや白金-ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜を使用してもよい。
The first electrode 15 and the second electrode 17 (lower electrode and upper electrode) may each have a metal layer with sufficiently low electrical resistance.
Platinum, which has high heat resistance and low reactivity, can be used as the metal material for the metal layer. However, since it may not have sufficient barrier properties against lead, platinum group elements such as iridium or platinum-rhodium, or films of alloys thereof may be used.

また、白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性が悪いために、中間層としてTi、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着法等を用いることができる。
膜厚は、0.05~1μmが好ましく、0.1~0.5μmがより好ましい。
Furthermore, when platinum is used, it has poor adhesion to the base (particularly SiO 2 ), so it is necessary to first laminate Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 , etc. as an intermediate layer. is preferred. As a manufacturing method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like can be used.
The film thickness is preferably 0.05 to 1 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm.

さらに、第1の電極15及び第2の電極17(下部電極及び上部電極)は、電気機械変換膜16との界面に導電性を有した酸化物電極層を有してもよい。
酸化物電極層の材料としては、例えばSrRuOやLaNiOを用いることができる。酸化物電極膜の成膜方法についても特に限定されるものではないが、例えばスパッタ法により成膜することができる。
Furthermore, the first electrode 15 and the second electrode 17 (lower electrode and upper electrode) may have a conductive oxide electrode layer at the interface with the electromechanical conversion film 16.
As a material for the oxide electrode layer, for example, SrRuO 3 or LaNiO 3 can be used. The method for forming the oxide electrode film is not particularly limited either, but it can be formed by, for example, a sputtering method.

下部電極を構成する酸化物電極層は、その上に作製する電気機械変換膜16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。 Since the oxide electrode layer constituting the lower electrode also influences the orientation control of the electromechanical conversion film 16 formed thereon, the material selected differs depending on the direction in which the orientation is desired to be prioritized.

本実施形態においては、電気機械変換膜16を(100)面に優先配向させるため、酸化物電極層としては、LaNiO、TiO又はPbTiOからなるシード層を第1の電極15上に作製し、その後、電気機械変換膜16を形成してもよい。 In this embodiment, in order to preferentially orient the electromechanical transducer film 16 in the (100) plane, a seed layer made of LaNiO 3 , TiO 2 or PbTiO 3 is formed on the first electrode 15 as an oxide electrode layer. However, after that, the electromechanical conversion film 16 may be formed.

上部電極を構成する酸化物電極層としてはSrRuOを用いることができる。
酸化物電極層の膜厚は20nm~80nmが好ましく、30nm~50nmがより好ましい。これにより、初期の変形量(表面変位量)や経時における変形量(表面変位量)、電流リーク量について良好な特性が得られる。
SrRuO 3 can be used as the oxide electrode layer constituting the upper electrode.
The thickness of the oxide electrode layer is preferably 20 nm to 80 nm, more preferably 30 nm to 50 nm. As a result, good characteristics can be obtained regarding the amount of initial deformation (amount of surface displacement), the amount of deformation over time (amount of surface displacement), and the amount of current leakage.

電気機械変換膜16の材料としては、Pbを含んだ酸化物(例えば、PZT)で形成することができる。PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO)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、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O、一般的にはPZT(53/47)とも示される。
The material of the electromechanical conversion film 16 can be an oxide containing Pb (for example, PZT). PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and its properties vary depending on their ratio.
The composition that generally exhibits excellent piezoelectric properties is a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47, and the chemical formula is Pb(Zr 0.53 , Ti 0.47 )O 3 , which is generally PZT. (53/47) is also indicated.

本実施形態においては、電気機械変換膜16としてPZTを使用し、PZTの(100)面を優先配向とすることが好ましい。
この場合、Zr/Tiの組成比率:Ti/(Zr+Ti)は、0.45(45%)以上0.55(55%)以下が好ましく、0.48(48%)以上0.52(52%)以下がより好ましい。
In this embodiment, it is preferable to use PZT as the electromechanical transducer film 16 and to preferentially align the (100) plane of PZT.
In this case, the composition ratio of Zr/Ti: Ti/(Zr+Ti) is preferably from 0.45 (45%) to 0.55 (55%), and from 0.48 (48%) to 0.52 (52%). ) The following are more preferable.

電気機械変換膜16の(hkl)面の結晶配向度ρ(hkl)は、
ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)
[ただし、ρ(hkl):(hkl)面方位の配向度、I(hkl):任意の配向のピーク強度、ΣI(hkl):各ピーク強度の総和]によって表される。
I(hkl)を電気機械変換膜16に対するX線回折法のθ-2θ測定で得られる各ピーク強度の総和を1としたときの各々の配向のピーク強度の比率に基づいて算出される(100)配向の配向度は、0.75以上であることが好ましく、0.85以上であることがより好ましい。(100)配向の配向度が0.75以上であると、十分な圧電歪みが得られ、変形量を十分確保することができる。
The crystal orientation degree ρ(hkl) of the (hkl) plane of the electromechanical conversion film 16 is
ρ(hkl)=I(hkl)/ΣI(hkl)
[However, ρ(hkl): degree of orientation of (hkl) plane orientation, I(hkl): peak intensity of arbitrary orientation, ΣI(hkl): sum of each peak intensity].
I(hkl) is calculated based on the ratio of the peak intensity of each orientation when the sum of the peak intensities obtained by θ-2θ measurement of the electromechanical transducer film 16 using X-ray diffraction is set to 1 (100 ) The degree of orientation is preferably 0.75 or more, more preferably 0.85 or more. When the degree of orientation of the (100) orientation is 0.75 or more, sufficient piezoelectric strain can be obtained and a sufficient amount of deformation can be ensured.

これら材料を一般式として表した場合、ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が挙げられる。
具体的な記述としては、(Pb1-x,Bax)(Zr,Ti)O、(Pb1-x,Sr)(Zr,Ti)O等が挙げられ、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合の例である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
When these materials are expressed as a general formula, they are described by ABO 3 , and include composite oxides whose main components are A=Pb, Ba, Sr, B=Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb.
Specific descriptions include (Pb 1-x ,Bax)(Zr,Ti)O 3 , (Pb 1-x ,Sr x )(Zr,Ti)O 3 , etc., which is the Pb of the A site. This is an example where part of is replaced with Ba or Sr. Such substitution is possible as long as it is a divalent element, and its effect is to reduce property deterioration due to lead evaporation during heat treatment.

電気機械変換膜16の作製方法としては、例えばスパッタ法やゾルゲル法を用いてスピンコーター等にて作製することが挙げられる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。 The electromechanical transducer film 16 may be fabricated using, for example, a sputtering method or a sol-gel method using a spin coater or the like. In that case, patterning is required, so a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

また、PZTをゾルゲル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、均一の溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、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、添加しても良い。 In addition, when producing PZT by the sol-gel method, the PZT precursor solution is prepared 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 uniform solution. It can be made. Since metal alkoxide compounds are easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid, or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.

また、振動板14全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得ることができる。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し、PZT膜を作製していくのが好ましい。 Further, when obtaining a PZT film on the entire surface of the diaphragm 14, it can be obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating, and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. The transformation from a coating film to a crystallized film is accompanied by volumetric shrinkage, so in order to obtain a crack-free film, the precursor concentration is adjusted so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step, and the PZT film is produced. It is preferable to do so.

電気機械変換膜16の膜厚としては1.0μm~3.0μmが好ましく、1.5μm~2.5μmがより好ましい。これにより、十分な変形が得られる。 The thickness of the electromechanical conversion film 16 is preferably 1.0 μm to 3.0 μm, more preferably 1.5 μm to 2.5 μm. This provides sufficient deformation.

次に、前記構成の電気機械変換素子20の製造工程において電気機械変換膜16に分極処理を施す方法について説明する。
図3(A)は、実施形態に係る電気機械変換素子の製造工程において電気機械変換膜の分極処理に用いられる分極処理装置40の概略構成例を示す斜視図であり、図3(B)はその側面図である。
Next, a method of polarizing the electromechanical transducer film 16 in the manufacturing process of the electromechanical transducer 20 having the above structure will be described.
FIG. 3(A) is a perspective view showing a schematic configuration example of a polarization processing apparatus 40 used for polarization processing of an electromechanical transducer film in the manufacturing process of the electromechanical transducer element according to the embodiment, and FIG. 3(B) is FIG.

図3(A)及び図3(B)に示すように分極処理装置40は、コロナ電極41と、グリッド電極42と、対向電極を有するステージ43とを備えている。
また、ステージ43には、電気機械変換素子20を加熱できるように温調機能を設けてもよい。この際の加熱温度は特に限定されるものではないが、最大350℃まで加熱できるように構成してもよい。また、放電処理対象である試料(電気機械変換素子20)に対して電荷が流れやすくするように、試料を設置するステージ43にはアース線44が接続されている。
As shown in FIGS. 3(A) and 3(B), the polarization processing device 40 includes a corona electrode 41, a grid electrode 42, and a stage 43 having a counter electrode.
Further, the stage 43 may be provided with a temperature control function so that the electromechanical transducer 20 can be heated. Although the heating temperature at this time is not particularly limited, it may be configured such that it can be heated up to a maximum of 350°C. Further, a ground wire 44 is connected to the stage 43 on which the sample is placed so that electric charges can easily flow to the sample (electromechanical transducer 20) to be subjected to discharge treatment.

コロナ電極41及びグリッド電極42はそれぞれコロナ電極用電源411及びグリッド電極用電源421に接続されている。
コロナ電極41は例えばワイヤー形状を有するものであってもよい。
グリッド電極42については、メッシュ加工を施し、コロナ電極41に高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良く下のサンプルステージに降り注ぐように構成してもよい。
The corona electrode 41 and the grid electrode 42 are connected to a corona electrode power source 411 and a grid electrode power source 421, respectively.
The corona electrode 41 may have a wire shape, for example.
The grid electrode 42 may be configured to be mesh-processed so that when a high voltage is applied to the corona electrode 41, ions, charges, etc. generated by corona discharge efficiently fall onto the sample stage below.

コロナ電極41及びグリッド電極42それぞれに印加する電圧の大きさや、試料と各電極間の距離は特に限定されるものではない。例えば、試料に対して十分に分極処理を施すことができるように、コロナ電極41及びグリッド電極42それぞれに印加する電圧の大きさや試料と各電極間の距離は試料に応じて調整し、コロナ放電の強弱をつけるようにしてもよい。 The magnitude of the voltage applied to each of the corona electrode 41 and the grid electrode 42 and the distance between the sample and each electrode are not particularly limited. For example, in order to sufficiently polarize the sample, the magnitude of the voltage applied to each of the corona electrode 41 and the grid electrode 42 and the distance between the sample and each electrode are adjusted depending on the sample, and the corona discharge It is also possible to set the strength of the character.

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することができる。
図4に示すように±150kV/cmの電界強度をかけてヒステリシスループを測定し、最初の0kV/cm時の初期状態の分極量をPini、電圧印加後に0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極量を残留分極Prとする。Pr-Piniの値を分極率として定義し、この分極率が小さいほど分極が進んでいると判断される。
分極処理を行うことで図4のようにPiniが大きくなり、分極処理が進むことで分極量差Pr-Piniの値が小さくなる。
The state of the polarization process can be determined from the PE hysteresis loop.
As shown in Figure 4, the hysteresis loop was measured by applying an electric field strength of ±150 kV/cm. The amount of polarization at cm is defined as residual polarization Pr. The value of Pr-Pini is defined as the polarizability, and it is judged that the smaller the polarizability, the more advanced the polarization is.
By performing the polarization process, Pini increases as shown in FIG. 4, and as the polarization process progresses, the value of the polarization amount difference Pr-Pini decreases.

分極率は、好ましくは10μC/cm以下であり、より好ましくは5μC/cm以下であり、これを満たす場合、分極処理が十分になされているといえる。 The polarizability is preferably 10 μC/cm 2 or less, more preferably 5 μC/cm 2 or less, and when this is satisfied, it can be said that the polarization treatment has been sufficiently performed.

所望の分極率Pr-Piniを得るためには、図3に示す装置において、コロナ、グリッド電極の電圧やサンプルステージとコロナ、グリッド電極間距離等を調整することにより、達成することができる。 A desired polarizability Pr-Pini can be achieved by adjusting the voltages of the corona and grid electrodes, the distances between the sample stage and the corona and grid electrodes, etc. in the apparatus shown in FIG.

本実施形態に係る電気機械変換素子20は、上述のように、Pb、Zr及びTiを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物で構成された電気機械変換膜16と、電気機械変換膜16を挟んで配置された一対の電極(第1の電極15及び第2の電極17)と、電気機械変換膜16及び一対の電極(第1の電極15及び第2の電極17)を被覆する絶縁保護膜と、を有する。 As described above, the electromechanical transducer 20 according to the present embodiment includes the electromechanical transducer 16 made of a composite oxide having a perovskite structure containing at least Pb, Zr, and Ti; Insulating protection that covers a pair of electrodes (first electrode 15 and second electrode 17) arranged on both sides, and electromechanical conversion film 16 and a pair of electrodes (first electrode 15 and second electrode 17). It has a membrane.

電気機械変換素子20において、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続を可能とするためには、リーク電流量を所定量以下として絶縁破壊の発生を抑制することが必要である。
電気機械変換素子20におけるリーク電流量を制御するにあたり、電気機械変換膜16中に流れる電気機械変換膜16そのもののリーク電流量を制御することが最も重要であり、そのためにはリーク源となる余剰のPb量を調整することが有効である。また、特に高湿度環境下においては、電気機械変換膜16外を流れる電流量の制御も一対の電極(第1の電極15及び第2の電極17)間のショートを防ぐために重要となる。
In order for the electromechanical conversion element 20 to maintain its electromechanical conversion characteristics even in a high humidity environment and to be able to continue driving without failure, the amount of leakage current must be set to a predetermined amount or less to suppress the occurrence of dielectric breakdown. It is necessary to.
In controlling the amount of leakage current in the electromechanical transducer 20, it is most important to control the amount of leakage current of the electromechanical conversion film 16 itself flowing into the electromechanical conversion film 16. It is effective to adjust the amount of Pb. In addition, particularly in a high humidity environment, controlling the amount of current flowing outside the electromechanical transducer membrane 16 is also important in order to prevent short circuits between the pair of electrodes (first electrode 15 and second electrode 17).

これらの課題に対し、本実施形態の電気機械変換素子20は、電気機械変換膜16中のPb含有率が膜厚方向に略均一であり、水蒸気圧(水蒸気分圧とも言う)が300kPaの環境において、一対の電極(第1の電極15及び第2の電極17)から電気的に接続された端子間で測定されるリーク電流密度が4.2×10-6A/cm以下であるため、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続が可能である。 In order to solve these problems, the electromechanical transducer 20 of the present embodiment has an electromechanical transducer film 16 that has a substantially uniform Pb content in the film thickness direction, and can be used in an environment where the water vapor pressure (also referred to as water vapor partial pressure) is 300 kPa. In this case, the leakage current density measured between terminals electrically connected from a pair of electrodes (first electrode 15 and second electrode 17) is 4.2 × 10 -6 A/cm 2 or less. The electromechanical conversion characteristics are maintained even in high humidity environments, and the drive can continue without failure.

なお、本実施形態において電気機械変換膜中の「Pb含有率が膜厚方向に略均一」であるとは、膜厚方向において測定されるPb含有率が平均値に対し±4%の範囲内(測定値の差異が8%の範囲内)であることを意味する。
ここで「Pb含有率」とは、組成分析で測定された他の成分の合計量に対するPbの比率であり、PZT膜の場合はZrとTiの含有量の和に対するPb含有量の比率(原子数比)である。
具体的には、電気機械変換膜16の任意の箇所で測定されたPb、Zr及びTiの量について、Pb量/(Zr量+Ti量)で算出される値である。
In this embodiment, "the Pb content is substantially uniform in the film thickness direction" in the electromechanical conversion film means that the Pb content measured in the film thickness direction is within ±4% of the average value. (This means that the difference in measured values is within 8%).
Here, "Pb content" is the ratio of Pb to the total amount of other components measured by compositional analysis, and in the case of a PZT film, the ratio of Pb content to the sum of Zr and Ti contents (atomic numerical ratio).
Specifically, the amount of Pb, Zr, and Ti measured at any location on the electromechanical conversion film 16 is a value calculated by the amount of Pb/(the amount of Zr+the amount of Ti).

なお、電気機械変換膜16中の平均Pb含有率は、ZrとTiの含有量の和に対して100~110%であることが好ましい。電気機械変換膜16中のPb量が上記範囲内であることにより、リーク電流を十分に小さくすることができる。
ここで、「平均Pb含有率」とは、電気機械変換膜16の複数の測定箇所において得られたPb、Zr及びTiの量について、平均Pb量/(平均Zr量+平均Ti量)で算出される値である。
Note that the average Pb content in the electromechanical conversion film 16 is preferably 100 to 110% of the sum of the Zr and Ti contents. When the amount of Pb in the electromechanical conversion film 16 is within the above range, leakage current can be made sufficiently small.
Here, the "average Pb content" is calculated as the average Pb amount/(average Zr amount + average Ti amount) for the amounts of Pb, Zr, and Ti obtained at multiple measurement points of the electromechanical conversion film 16. is the value to be used.

また、電気機械変換膜16は、複数の粒子と、複数の粒子間に存在する結晶粒界とを有し、複数の粒子内部のPb含有量に対し、結晶粒界を含む領域におけるPb含有量が105%以下であることが好ましい。すなわち、結晶粒子中のPb含有量と、非結晶粒子のPb含有量が同等水準であることが好ましい。 Further, the electromechanical conversion film 16 has a plurality of particles and grain boundaries existing between the plurality of particles, and the Pb content in the region including the crystal grain boundaries is smaller than the Pb content inside the plurality of particles. is preferably 105% or less. That is, it is preferable that the Pb content in the crystal particles and the Pb content in the amorphous particles are at the same level.

PZTの組成分析は、例えば、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析により平均Pb含有量を分析することができ、TEM-EDS(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)により結晶粒子と結晶粒界のPb含有量について分析することができる。 For compositional analysis of PZT, for example, the average Pb content can be analyzed by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometry, and the crystal grains and grain boundaries can be analyzed by TEM-EDS (Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). can be analyzed for Pb content.

また、本実施形態の電気機械変換素子20において、一対の電極(第1の電極15及び第2の電極17)から電気的に接続された端子間で測定されるリーク電流密度の値をLaとし、電気機械変換膜16中を流れるバルクリーク電流密度をLbとしたとき、Lb/La≧0.30の関係を満たすことが好ましい。
すなわち、本実施形態の電気機械変換素子20は非バルクリーク電流が十分に少なく、電気機械変換素子20そのものの構造やレイアウトとしてリーク電流を流さないように構成されていることが好ましい。
In addition, in the electromechanical transducer 20 of this embodiment, the value of the leakage current density measured between terminals electrically connected from a pair of electrodes (the first electrode 15 and the second electrode 17) is defined as La. It is preferable that the relationship Lb/La≧0.30 be satisfied, where Lb is the bulk leak current density flowing through the electromechanical conversion film 16.
That is, it is preferable that the electromechanical transducer 20 of this embodiment has a sufficiently small non-bulk leakage current, and that the structure and layout of the electromechanical transducer 20 itself are configured so that no leakage current flows.

電気機械変換膜16中を流れるバルクリーク電流は、例えば、図2に示した構成において、第3の電極27及び第4の電極28に関し電極面積をほぼ同等の状態で電極の周囲長だけ変えることによってバルク中を流れるリーク電流を数値化し、合わせて第2の電極17、第3の電極27、第4の電極28、第2の絶縁保護膜22のシート抵抗値から電気機械変換素子20とそれ以外の電流とを区別することにより測定することができる。 The bulk leak current flowing through the electromechanical transducer membrane 16 can be generated by, for example, changing the peripheral length of the third electrode 27 and the fourth electrode 28 while keeping the electrode areas substantially the same in the configuration shown in FIG. The leakage current flowing through the bulk is quantified, and based on the sheet resistance values of the second electrode 17, third electrode 27, fourth electrode 28, and second insulating protective film 22, the electromechanical transducer 20 and its It can be measured by distinguishing current from other currents.

本実施形態の電気機械変換素子20の絶縁耐圧は100V以上であることが好ましい。
これにより、電気機械変換特性の維持、故障のない駆動の継続が可能となり、高い信頼性を実現することができる。
絶縁耐圧としては、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown:瞬時絶縁破壊)評価として、例えば、0~200Vまで、1Vステップで電圧を印加したときのリーク電流の測定結果から評価することができる。
故障発生率としては、TDDB(Time Dependence Dielectric Breakdown:経時絶縁破壊)評価として、所定の電圧(例えば、DC電圧50V)において所定時間(例えば、1×10秒)駆動させたときの故障発生率を算出することにより評価することができる。
It is preferable that the dielectric strength voltage of the electromechanical transducer 20 of this embodiment is 100V or more.
This makes it possible to maintain electromechanical conversion characteristics and continue driving without failure, thereby achieving high reliability.
The dielectric strength can be evaluated by TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown) evaluation based on the leakage current measurement results when voltage is applied in 1V steps from 0 to 200V, for example.
The failure rate is the failure rate when driven for a specified time (for example, 1 x 10 6 seconds) at a specified voltage (for example, DC voltage 50 V) as a TDDB (Time Dependence Dielectric Breakdown) evaluation. It can be evaluated by calculating.

そして、電気機械変換膜16は、(100)面に優先配向した結晶膜であり、電気機械変換膜16の結晶粒が、膜厚方向に成長した柱状の結晶粒であることが好ましい。
本実施形態の電気機械変換膜の一例の断面TEM像を図5に示す。
図5中、右下部は電極であり、電気機械変換膜16には、膜厚方向Dに成長した柱状の結晶粒が観察できる。
The electromechanical transducer film 16 is a crystal film preferentially oriented in the (100) plane, and the crystal grains of the electromechanical transducer film 16 are preferably columnar crystal grains grown in the film thickness direction.
FIG. 5 shows a cross-sectional TEM image of an example of the electromechanical transducer film of this embodiment.
In FIG. 5, the lower right portion is an electrode, and columnar crystal grains grown in the film thickness direction D can be observed in the electromechanical conversion film 16.

[液体吐出ヘッド]
本実施形態の電気機械変換素子20を、液体を吐出する装置であるインクジェット記録装置に使用される液体吐出ヘッドに適用した一実施形態について説明する。
インクジェット記録装置において使用する液体吐出ヘッドは、図6(A)及び図6(B)に示すように、画像形成用の液体(インク)を吐出するノズル11が形成されたノズル板12、ノズル11に連通する加圧室18、及び加圧室18内のインクを吐出するための圧力を発生する圧力発生手段としての電気機械変換素子20を備えている。
電気機械変換素子20は、所定の電圧が印加されることにより自らが変形し、加圧室18に対して振動板14の表面を変位させることで加圧室18内の液体に圧力を発生させる。この圧力により、加圧室18に連通したノズル11から液体(インク滴)を吐出させることができる。
[Liquid ejection head]
An embodiment will be described in which the electromechanical transducer 20 of this embodiment is applied to a liquid ejection head used in an inkjet recording apparatus, which is a device that ejects liquid.
As shown in FIGS. 6(A) and 6(B), a liquid ejecting head used in an inkjet recording apparatus includes a nozzle plate 12 on which nozzles 11 for ejecting liquid (ink) for image formation are formed, and nozzles 11. The pressurizing chamber 18 communicates with the pressurizing chamber 18, and an electromechanical transducer 20 as a pressure generating means for generating pressure for ejecting ink within the pressurizing chamber 18.
The electromechanical transducer 20 deforms itself when a predetermined voltage is applied, and generates pressure in the liquid in the pressurizing chamber 18 by displacing the surface of the diaphragm 14 with respect to the pressurizing chamber 18. . This pressure allows liquid (ink droplets) to be ejected from the nozzle 11 communicating with the pressurizing chamber 18 .

液体吐出ヘッドは、例えば、図1に示した電気機械変換素子に対し、第1の電極15、電気機械変換膜16、第2の電極17を所望の形状にエッチングした後、絶縁保護膜を設け、基板13側からエッチングしてインクを吐出するための加圧室18を形成することにより作製することができる。 For example, the liquid ejection head etches the first electrode 15, electromechanical conversion film 16, and second electrode 17 into a desired shape for the electromechanical transducer shown in FIG. 1, and then provides an insulating protective film. , by etching from the substrate 13 side to form the pressurized chamber 18 for ejecting ink.

図6(A)では、第1の電極15(下部電極)が共通電極であり、第2の電極17(上部電極)が個別電極となっているのに対し、図6(B)では、第1の電極15(下部電極)が個別電極であり、第2の電極17(上部電極)が共通電極となっている。
なお、図中、液体供給手段、流路、流体抵抗等を省略している。
In FIG. 6(A), the first electrode 15 (lower electrode) is a common electrode and the second electrode 17 (upper electrode) is an individual electrode, whereas in FIG. 6(B), The first electrode 15 (lower electrode) is an individual electrode, and the second electrode 17 (upper electrode) is a common electrode.
Note that the liquid supply means, flow path, fluid resistance, etc. are omitted in the figure.

また、液体吐出ヘッドは、図7に示す例のように複数個配置させる構成としてもよい。
図7(A)は、図6(A)に示すヘッドが複数個配置した例を示したものであり、図1及び図2と同様、第1の電極15(下部電極)が共通電極であり、第2の電極17(上部電極)が個別電極となっている。一方、図7(B)は、図6(B)に示すヘッドが複数個配置した例を示したものであり、第1の電極15(下部電極)が個別電極であり、第2の電極17(上部電極)が共通電極となっている。
Further, a plurality of liquid ejection heads may be arranged as in the example shown in FIG. 7 .
FIG. 7(A) shows an example in which a plurality of heads shown in FIG. 6(A) are arranged, and like FIGS. 1 and 2, the first electrode 15 (lower electrode) is a common electrode. , the second electrode 17 (upper electrode) is an individual electrode. On the other hand, FIG. 7B shows an example in which a plurality of heads shown in FIG. 6B are arranged, in which the first electrode 15 (lower electrode) is an individual electrode, and the second electrode 17 (upper electrode) serves as a common electrode.

[液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置]
本実施形態の液体吐出ユニットは、本実施形態の液体吐出ヘッドを備えている。
また、本実施形態の液体吐出ユニットは、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ものである。
[Liquid discharge unit and device for discharging liquid]
The liquid ejection unit of this embodiment includes the liquid ejection head of this embodiment.
The liquid ejection unit of the present embodiment also includes a head tank that stores liquid to be supplied to the liquid ejection head, a carriage that mounts the liquid ejection head, a supply mechanism that supplies liquid to the liquid ejection head, and the liquid ejection head. The liquid ejection head is integrated with at least one of a maintenance and recovery mechanism that maintains and recovers the liquid ejection head, and a main scanning movement mechanism that moves the liquid ejection head in the main scanning direction.

本実施形態の液体を吐出する装置は、本実施形態の液体吐出ヘッド、又は、本実施形態の液体吐出ユニットを備えている。 The apparatus for ejecting liquid according to this embodiment includes the liquid ejection head according to this embodiment or the liquid ejection unit according to this embodiment.

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8及び図9を参照して説明する。図8は同装置の要部平面説明図、図9は同装置の要部側面説明図である。 Next, an example of a device for discharging liquid according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is an explanatory plan view of the main part of the apparatus, and FIG. 9 is a side view of the main part of the apparatus.

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。 This device is a serial type device, and a carriage 403 is reciprocated in the main scanning direction by a main scanning movement mechanism 493. 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 spans between the left and right side plates 491A and 491B, and movably holds the carriage 403. Then, the carriage 403 is reciprocated in the main scanning direction by the main scanning motor 405 via a timing belt 408 stretched between a driving 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11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。 This carriage 403 is equipped with a liquid ejection unit 440 that integrates a liquid ejection head 404 and a head tank 441 according to the present invention. The liquid ejection head 404 of the liquid ejection unit 440 ejects liquid of each color, for example, yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (K). Further, the liquid ejection head 404 has a nozzle array made up of a plurality of nozzles 11 arranged in a sub-scanning direction perpendicular to the main scanning direction, and is mounted with 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。 A supply mechanism 494 for supplying liquid stored outside the liquid ejection head 404 to the liquid ejection head 404 supplies the liquid stored in the liquid cartridge 450 to the head tank 441 .

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 includes a cartridge holder 451, which is a filling section into which the liquid cartridge 450 is mounted, a tube 456, a liquid feeding unit 452 including a liquid feeding pump, and the like. Liquid cartridge 450 is removably attached to cartridge holder 451. Liquid is fed from the liquid cartridge 450 to the head tank 441 by a liquid feeding unit 452 via a 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 includes a transport mechanism 495 for transporting paper 410. The conveyance mechanism 495 includes a conveyance belt 412 that is a conveyance means, and a sub-scanning motor 416 for driving the conveyance 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 conveyance belt 412 attracts the paper 410 and conveys it to a position facing the liquid ejection head 404 . This conveyance belt 412 is an endless belt, and is stretched between a conveyance 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 conveyance belt 412 rotates in the sub-scanning direction by rotationally driving the conveyance roller 413 via the timing belt 417 and timing pulley 418 by the sub-scanning motor 416.

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, a maintenance and recovery mechanism 420 that maintains and recovers the liquid ejection head 404 is arranged on one side of the carriage 403 in the main scanning direction and on the side of the conveyor 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11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 and recovery mechanism 420 includes, for example, a cap member 421 that caps the nozzle surface (the surface on which the nozzles 11 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, the supply mechanism 494, the maintenance and recovery mechanism 420, and the transport mechanism 495 are attached to a housing including side plates 491A, 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 in this manner, the paper 410 is fed onto the conveyor belt 412 and adsorbed, and the paper 410 is conveyed in the sub-scanning direction by the rotational movement of the conveyor belt 412.

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, 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。 In this manner, since this apparatus includes the liquid ejection head according to the present invention, it is possible to stably form high-quality images.

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10を参照して説明する。図10は同ユニットの要部平面説明図である。 Next, another example of the liquid ejection unit according to the present invention will be described with reference to FIG. 10. FIG. 10 is an explanatory plan view of the main parts of the unit.

この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド404で構成されている。 This liquid ejection unit includes, among the members constituting the liquid ejecting device, a housing portion composed of side plates 491A, 491B and a back plate 491C, a main scanning movement mechanism 493, a carriage 403, and a liquid ejection unit. It is composed of a discharge 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。 Note that it is also possible to configure a liquid ejection unit in which at least one of the above-mentioned maintenance and recovery mechanism 420 and supply mechanism 494 is further attached to, for example, the side plate 491B of this 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11を参照して説明する。図11は同ユニットの正面説明図である。 Next, still another example of the liquid ejection unit according to the present invention will be described with reference to FIG. 11. FIG. 11 is an explanatory front view of the unit.

この液体吐出ユニットは、流路部品444が取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 includes 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 instead of the flow path component 444. Further, a connector 443 for electrically connecting with the liquid ejection head 404 is provided on the upper part of the flow path 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 for ejecting liquid" is a device that includes a liquid ejection head or a liquid ejection unit and drives the liquid ejection head to eject liquid. Devices that eject liquid include not only devices that are capable of ejecting liquid onto objects to which liquid can adhere, but also devices that eject liquid into air or into 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 "device for discharging liquid" may include means for feeding, transporting, and discharging objects to which liquid can adhere, as well as pre-processing devices, post-processing devices, 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, an image forming device is a device that ejects ink to form an image on paper as a “device that ejects liquid,” and an image forming device that forms layers of powder to form three-dimensional objects (three-dimensional objects). There is a three-dimensional modeling device (three-dimensional modeling device) that discharges a modeling liquid onto a 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 "device for ejecting liquid" is not limited to a device that can visualize significant images such as characters and figures using ejected liquid. For example, it includes those that form patterns that have no meaning in themselves, 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 "something to which a liquid can adhere" refers to something to which a liquid can adhere at least temporarily, such as something that adheres and sticks, something that adheres and penetrates. Specific examples include recording media such as paper, recording paper, recording paper, film, and cloth, electronic components such as electronic boards, piezoelectric elements, powder layers, organ models, and test cells. Unless otherwise specified, it includes everything to which liquid adheres.

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 above-mentioned "materials to which liquids can adhere" include paper, thread, fibers, fabrics, leather, metals, plastics, glass, wood, ceramics, building materials such as wallpaper and flooring, and textiles for clothing. However, it is fine as long as 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。 Furthermore, "liquid" includes ink, processing liquid, DNA sample, resist, pattern material, binder, modeling liquid, 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 discharging liquid" includes a device in which a liquid discharging head and an object to which liquid can be attached move relative to each other, but the present invention is not limited to this. Specific examples include a serial type device that moves a liquid ejection head, a line type device that does not move a liquid ejection head, and the like.

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, "devices that discharge liquid" include processing liquid coating devices that discharge processing liquid onto paper in order to apply processing liquid to the surface of paper for purposes such as modifying the surface of the paper, and raw materials. There is an injection granulation device that granulates fine particles of a raw material by injecting a composition liquid dispersed in a solution through a nozzle.

「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。 A "liquid ejection unit" is a liquid ejection head with functional parts and mechanisms integrated, and is an assembly of parts related to liquid ejection. For example, the "liquid ejection unit" includes a combination of a liquid ejection head and at least one of the following structures: a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism.

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 refers to, for example, a liquid ejection head, a functional component, or a mechanism fixed to each other by fastening, adhesion, engagement, etc., or one in which one is held movably relative to the other. include. Further, 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9で示した液体吐出ユニット440のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。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 unit such as a liquid ejection unit 440 shown in FIG. 9 in which a liquid ejection head and a head tank are integrated. In addition, there are devices in which a liquid ejection head and a head tank are integrated by being connected to each other with a tube or the like. Here, a unit including a filter may be added 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, some liquid ejection units have a liquid ejection head and a carriage 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10で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。 Further, some liquid ejection units have the liquid ejection head movably held by a guide member that constitutes a part of the scanning movement mechanism, so that the liquid ejection head and the scanning movement mechanism are integrated. Further, as shown in FIG. 10, 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。 Furthermore, some liquid ejection units have a cap member, which is part of the maintenance recovery mechanism, fixed to the carriage to which the liquid ejection head is attached, so that the liquid ejection head, the carriage, and the maintenance recovery mechanism are integrated. .

また、液体吐出ユニットとして、図11で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取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。 Furthermore, as shown in FIG. 11, some liquid ejection units have a tube connected to a liquid ejection head to which a head tank or flow path components are attached, so that the liquid ejection head and 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。 The main scanning movement mechanism also includes a single guide member. Further, the supply mechanism includes a single tube and a single loading section.

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。 Furthermore, the pressure generating means used in the "liquid ejection head" is not limited. For example, in addition to the piezoelectric actuator (which may use a laminated piezoelectric element) as explained in the above embodiment, there is also a thermal actuator that uses an electrothermal transducer such as a heating resistor, and a thermal actuator that uses a diaphragm and a counter electrode. An electrostatic actuator or the like may also 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, in the terms of this application, image formation, recording, printing, imprinting, printing, modeling, etc. are all synonymous.

本実施形態の液体を吐出する装置は、駆動信号に基づいてノズルから液体を吐出させる液体吐出ヘッドを備えた液体を吐出する装置において、液体吐出ヘッドとして、上述の本実施形態の電気機械変換素子20を備えた液体吐出ヘッドを用いている。 The liquid ejecting device of this embodiment is a liquid ejecting device that includes a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle based on a drive signal. A liquid ejection head equipped with 20 is used.

本実施形態の液体を吐出する装置の一例としての画像形成装置を図12及び図13に示す。
図12は画像形成装置の斜視図であり、図13は画像形成装置の機構部の側面図である。
An image forming apparatus as an example of a liquid ejecting apparatus according to the present embodiment is shown in FIGS. 12 and 13.
FIG. 12 is a perspective view of the image forming apparatus, and FIG. 13 is a side view of a mechanical section of the image forming apparatus.

本実施形態の液体を吐出する装置(画像形成装置)には、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、キャリッジに搭載された液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドに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等が収納されている。 The liquid ejecting apparatus (image forming apparatus) of this embodiment includes a carriage movable in the main scanning direction inside the apparatus main body 81, a liquid ejection head mounted on the carriage, and an ink supplying ink to the liquid ejection head. A printing mechanism section 82 and the like made up of a cartridge and the like is housed.

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(または給紙トレイ)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができる。そして、給紙カセット84または手差しトレイ85から給送される用紙83が取り込まれ、印字機構部82によって所要の画像が記録された後、後面側に装着された排紙トレイ86に用紙83が排紙される。
印字機構部82には、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が主走査方向に摺動自在に保持されている。
A paper feed cassette (or paper feed tray) 84 that can load a large number of sheets of paper 83 from the front side can be removably attached to the lower part of the main body 81 of the apparatus, and the paper 83 can also be manually fed. The manual feed tray 85 can be opened and folded. Then, the paper 83 fed from the paper cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, the desired image is recorded by the printing mechanism section 82, and then the paper 83 is ejected to the paper ejection tray 86 attached to the rear side. It is papered.
A carriage 93 is held in the printing mechanism section 82 so as to be slidable in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92, which are guide members extending horizontally between left and right side plates.

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液体吐出ヘッドからなるヘッド94が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され、インク滴吐出方向を下方に向けて液体吐出ヘッドが装着されている。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が交換可能な態様で装着されている。 The carriage 93 has a head 94, which is a liquid ejection head according to the present invention that ejects ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk), and has a plurality of ink ejection ports ( The liquid ejection head is mounted with the nozzles (nozzles) arranged in a direction intersecting the main scanning direction, and the ink droplet ejection direction facing downward. Further, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the head 94 is attached to the carriage 93 in a replaceable manner.

インクカートリッジ95には上方に大気と連通する大気口、下方には液体吐出ヘッドに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が設けられている。この多孔質体の毛管力により、液体吐出ヘッドに供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液体吐出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個のヘッドとしてもよい。 The ink cartridge 95 is provided with an air port communicating with the atmosphere above, a supply port below that supplies ink to the liquid ejection head, and a porous body filled with ink inside. The capillary force of this porous body maintains the ink supplied to the liquid ejection head at a slight negative pressure. Further, although heads 94 of each color are used as the liquid ejection head here, it may be one head having nozzles that eject ink droplets of each color.

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、キャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100が張装されている。このタイミングベルト100はキャリッジ93に固定されており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。 Here, the carriage 93 is slidably fitted on the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and slidably placed on the slave guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). are doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a drive pulley 98 and a driven pulley 99, which are rotationally driven by a main scanning motor 97. This timing belt 100 is fixed to a carriage 93, and the carriage 93 is driven back and forth by forward and reverse rotation of a main scanning motor 97.

また、画像形成装置には、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が設けられている。さらに、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とが設けられている。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。 The image forming apparatus also includes a paper feed roller 101 and a friction pad 102 that separate and feed the paper 83 from the paper feed cassette 84 in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94. It is provided. Furthermore, a guide member 103 that guides the paper 83, a transport roller 104 that reverses and transports the fed paper 83, a transport roller 105 that is pressed against the circumferential surface of the transport roller 104, and the paper 83 from the transport roller 104. A tip roller 106 is provided to define the feeding angle of the roller. The conveyance roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 via a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液体吐出ヘッド(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が設けられている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112が設けられている。さらに、画像形成装置には、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が配設されている。 An impression receiving member 109 is a paper guide member that guides the paper 83 sent out from the transport roller 104 on the lower side of the liquid ejection head (recording head) 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. It is provided. On the downstream side of the print receiving member 109 in the paper transport direction, there are provided a transport roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper ejection direction. Further, the image forming apparatus is provided with a paper ejection roller 113 and a spur 114 that send out the paper 83 to the paper ejection tray 86, and guide members 115 and 116 that form a paper ejection path.

記録時には、キャリッジ93が移動しながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド(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、次の行の記録が行われる。記録終了信号又は用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83が排紙される。 During recording, while the carriage 93 is moving, a liquid ejection head (recording head) 94 is driven in accordance with an image signal to eject ink onto the stationary paper 83 to record one line. After being conveyed by a predetermined amount, the next line is recorded. By 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 completed and the paper 83 is ejected.

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が配置されており、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ことができる。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持することができる。
Further, a recovery device 117 for recovering ejection failure 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, and the recovery device 117 includes a cap means, a suction means, and a cleaning means. have.
During printing standby, the carriage 93 is moved to the recovery device 117 side and the head 94 is capped by a capping means, and by keeping the ejection opening in a moist state, it is possible to prevent ejection failure due to ink drying. Furthermore, by ejecting ink unrelated to printing during recording, the ink viscosity of all the ejection ports can be made constant and stable ejection performance can be 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をクリーニング手段により除去でき、吐出不良を回復することができる。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。 If an ejection failure occurs, the ejection port (nozzle) of the head 94 is sealed with a capping means, and air bubbles, etc., are sucked out together with the ink from the ejection port by a suction means through a tube, and ink, dust, etc. attached to the ejection port surface are removed. can be removed by cleaning means, and ejection failures can be recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the bottom of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

本実施形態の液体を吐出する装置(画像形成装置)においては、搭載される液体吐出ヘッドが、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続が可能であり、信頼性の高い電気機械変換素子を備えるため、安定したインク滴吐出特性が得られ、高い画像品質を維持することができる。 In the liquid ejecting device (image forming apparatus) of this embodiment, the mounted liquid ejecting head maintains electromechanical conversion characteristics even in a high humidity environment and can continue to drive without failure. Since it includes a highly reliable electromechanical transducer, stable ink droplet ejection characteristics can be obtained and high image quality can be maintained.

また、本発明に係る電気機械変換素子を備える圧電装置としては、上述の液体吐出ヘッド及び液体を吐出する装置(画像形成装置)の他、モータ、超音波振動子、圧電センサ、強誘電メモリ、発電装置、スピーカー等が挙げられる。 In addition to the above-mentioned liquid ejection head and liquid ejection device (image forming apparatus), examples of the piezoelectric device including the electromechanical transducer according to the present invention include a motor, an ultrasonic vibrator, a piezoelectric sensor, a ferroelectric memory, Examples include power generators and speakers.

[実施例]
本実施形態に係る電気機械変換素子(圧電アクチュエータ)及びこれを備える液体吐出ヘッドのより具体的な実施例を、比較例とともに説明する。
[Example]
More specific examples of the electromechanical transducer (piezoelectric actuator) according to this embodiment and a liquid ejection head including the same will be described together with comparative examples.

(実施例1)
<電気機械変換素子(圧電アクチュエータ)の作製>
基板13として6インチシリコンウェハを準備し、基板13にSiO(膜厚600nm)、Si(膜厚200nm)、SiO(膜厚100nm)、SiN(膜厚150nm)、SiO(膜厚130nm)、SiN(150nm)、SiO(膜厚100nm)、Si(200nm)、SiO(膜厚600nm)の膜を順に形成し、振動板14を作製した。
(Example 1)
<Production of electromechanical transducer (piezoelectric actuator)>
A 6-inch silicon wafer is prepared as the substrate 13, and the substrate 13 is coated with SiO 2 (film thickness 600 nm), Si (film thickness 200 nm), SiO 2 (film thickness 100 nm), SiN (film thickness 150 nm), SiO 2 (film thickness 130 nm). ), SiN (150 nm), SiO 2 (thickness 100 nm), Si (200 nm), and SiO 2 (thickness 600 nm) were sequentially formed to produce the diaphragm 14.

その後、振動板14となる部分の上に、下部電極(本実施形態では第1の電極15)を形成した。
下部電極は、密着層と金属電極膜とが積層された構造を有している。密着層は、チタン膜(膜厚20nm)を成膜温度350℃でスパッタ装置にて成膜した後、急速加熱アニーリング(RTA:Rapid Thermal Annealing)を用いて750℃で熱酸化することにより形成した。引き続き、金属電極膜として、白金膜(膜厚160nm)を成膜温度400℃でスパッタ装置にて成膜した。
Thereafter, a lower electrode (first electrode 15 in this embodiment) was formed on the portion that would become the diaphragm 14.
The lower electrode has a structure in which an adhesive layer and a metal electrode film are laminated. The adhesion layer was formed by forming a titanium film (film thickness 20 nm) using a sputtering device at a film formation temperature of 350°C, and then thermally oxidizing it at 750°C using rapid thermal annealing (RTA). . Subsequently, a platinum film (thickness: 160 nm) was formed as a metal electrode film using a sputtering device at a film formation temperature of 400°C.

次に、下地層となるPbTiO層(以下「PT層」という)としてPb:Ti=1:1に調整された溶液(以下「PT溶液」という)をスピンコート法により成膜し、120℃で乾燥し、膜厚が7nmの層を形成した。 Next, a solution (hereinafter referred to as "PT solution") adjusted to Pb:Ti=1:1 was formed as a PbTiO 3 layer (hereinafter referred to as "PT layer") as a base layer by spin coating, and the film was heated at 120°C. was dried to form a layer with a thickness of 7 nm.

次に、電気機械変換膜として下記3通りの比に調整されたPZT前駆体溶液1~3を準備し、PZT前駆体溶液1、PZT前駆体溶液2、PZT前駆体溶液3の順でスピンコート法により成膜した。
〔PZT前駆体溶液1〕Pb:Zr:Ti=115:58:42
〔PZT前駆体溶液2〕Pb:Zr:Ti=115:53:47
〔PZT前駆体溶液3〕Pb:Zr:Ti=110:48:52
Next, prepare PZT precursor solutions 1 to 3 adjusted to the following three ratios as an electromechanical conversion film, and spin coat in the order of PZT precursor solution 1, PZT precursor solution 2, and PZT precursor solution 3. The film was formed by the method.
[PZT precursor solution 1] Pb:Zr:Ti=115:58:42
[PZT precursor solution 2] Pb:Zr:Ti=115:53:47
[PZT precursor solution 3] Pb:Zr:Ti=110:48:52

具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学量論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。
この際PZT前駆体溶液中のPZT濃度は0.5mol/Lにした。PT溶液に関しても、PZT前駆体溶液と同様に作製した。
Regarding the synthesis of a specific precursor coating liquid, lead acetate trihydrate, titanium isopropoxide, and zirconium isopropoxide were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The amount of lead is excessive compared to the stoichiometric composition. This is to prevent a decrease in crystallinity due to so-called lead removal during heat treatment. A PZT precursor solution was synthesized by dissolving titanium isopropoxide and zirconium isopropoxide in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with the methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved.
At this time, the PZT concentration in the PZT precursor solution was set to 0.5 mol/L. The PT solution was also prepared in the same manner as the PZT precursor solution.

次に、最初にPT溶液を用いてPT層をスピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥を実施した。その後、PZT前駆体溶液をスピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥、400℃熱分解を行った。そして、成膜、乾燥、熱分解の工程を繰り返し行い、積層膜を形成した。 Next, a PT layer was first formed by spin coating using a PT solution, and after the film was formed, it was dried at 120°C. Thereafter, a PZT precursor solution was formed into a film by spin coating, and after the film formation, it was dried at 120°C and thermally decomposed at 400°C. Then, the steps of film formation, drying, and thermal decomposition were repeated to form a laminated film.

3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度700℃、10分間)をRTA(急速熱処理)にて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。
この工程を計8回行い、合計で24層積層し、膜厚が約2μmのPZT膜である電気機械変換膜を得た。
After the thermal decomposition treatment of the third layer, a crystallization heat treatment (temperature 700° C., 10 minutes) was performed by RTA (rapid thermal treatment). At this time, the film thickness of PZT was 240 nm.
This step was repeated 8 times in total, and a total of 24 layers were laminated to obtain an electromechanical transducer film that was a PZT film with a film thickness of approximately 2 μm.

次に、上部電極(本実施形態では第2の電極17)を形成した。まず酸化物電極膜として、SrRuO膜(膜厚40nm)を形成し、さらに、金属電極膜として白金(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2に示すようなパターンを作製した。 Next, an upper electrode (second electrode 17 in this embodiment) was formed. First, a SrRuO 3 film (40 nm thick) was formed as an oxide electrode film, and then a platinum (Pt) film (125 nm thick) was sputtered as a metal electrode film. Thereafter, a film of photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by spin coating, and a resist pattern was formed by ordinary photolithography, and then a pattern as shown in Figure 2 was formed using an ICP etching device (manufactured by Samco). Created.

このとき、上部電極(白金)のエッジと、電気機械変換膜16のエッジとの距離を4μm確保するようにパターン形成した。上部電極のエッジはパターニングされた上部電極の縁部、電気機械変換膜16の端部はパターニングされた電気機械変換膜16の最表面の縁部を指し、エッジの距離を確保することにより、主に表面リークを抑制することができる。 At this time, a pattern was formed to ensure a distance of 4 μm between the edge of the upper electrode (platinum) and the edge of the electromechanical conversion film 16. The edge of the upper electrode refers to the edge of the patterned upper electrode, and the end of the electromechanical conversion film 16 refers to the edge of the outermost surface of the patterned electromechanical conversion film 16. By ensuring the distance between the edges, the main Surface leakage can be suppressed.

次に、第1の絶縁保護膜21として、ALD(原子層堆積)工法を用いてAl膜を膜厚が80nmになるように成膜した。このとき、原材料としてAlについては、TMA(トリメチルアルミニウム:シグマアルドリッチ社製)を、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を交互に供給、積層させることで、成膜を進めた。 Next, as the first insulating protective film 21, an Al 2 O 3 film was formed to a thickness of 80 nm using an ALD (atomic layer deposition) method. At this time, as raw materials for Al, TMA (trimethylaluminum, manufactured by Sigma-Aldrich) was alternately supplied, and for O, O 3 generated by an ozone generator was alternately supplied and laminated to proceed with film formation.

その後、図2に示すように、エッチングによりコンタクトホール25を形成した。
そして、共通・個別電極引き出し配線(第3の電極27、第4の電極28)として、Al-Cu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。
Thereafter, as shown in FIG. 2, contact holes 25 were formed by etching.
Then, as common/individual electrode lead wiring (third electrode 27, fourth electrode 28), an Al--Cu film was formed by sputtering and patterned by etching.

次に、第2の絶縁保護膜22としてSiをプラズマCVD法により膜厚が500nmになるように成膜した。
第2の絶縁保護膜に開口部を設け、共通・個別電極引き出し配線(第3の電極27、第4の電極28)に接続するための共通電極パッド23、個別電極パッド24を形成した。個別電極パッド24間の距離は80μmとした。
Next, a Si 3 N 4 film was formed as a second insulating protective film 22 to a thickness of 500 nm by plasma CVD.
Openings were provided in the second insulating protective film, and common electrode pads 23 and individual electrode pads 24 for connection to common/individual electrode lead wiring (third electrode 27, fourth electrode 28) were formed. The distance between individual electrode pads 24 was 80 μm.

電気機械変換素子20は、1つのチップ内に300個が1列に並ぶようにレイアウトした。 The electromechanical transducers 20 were laid out so that 300 electromechanical transducers were lined up in one row within one chip.

また、本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、図2に示す電気機械変換素子20に保持基板を接合するための接合段差を形成した。
接合面段差は、加圧室18の隔壁に対応する位置に設けられ、第1の絶縁保護膜21、共通・個別電極引き出し配線(第3の電極27、第4の電極28)、第2の絶縁保護膜の各層と同じ層が積層されたもので構成されているが、電気機械変換素子の活性部、加圧室18の隔壁部の外側には設けられていないため、振動板14の変形領域には影響を及ぼさない。
Furthermore, in the liquid ejection head of this embodiment, a bonding step for bonding the holding substrate to the electromechanical transducer 20 shown in FIG. 2 was formed.
The bonding surface level difference is provided at a position corresponding to the partition wall of the pressurizing chamber 18, and includes the first insulating protective film 21, the common/individual electrode lead wiring (third electrode 27, fourth electrode 28), and the second Although it is composed of laminated layers that are the same as each layer of the insulating protective film, it is not provided on the active part of the electromechanical transducer element or on the outside of the partition wall of the pressurizing chamber 18, so that the diaphragm 14 may be deformed. It has no effect on the area.

この後、図3に示す分極処理装置を用いて、コロナ帯電処理により分極処理を行った。
コロナ帯電処理に用いるコロナ電極としては、φ50μmのタングステンのワイヤーを用い、グリッド電極としては開口率60%のステンレス製グリッド電極を用いた。
分極処理条件としては、処理温度80℃、コロナ電極の電圧9kV、グリッド電極の電圧1.5kV、処理時間30s、コロナ電極-グリッド電極間の距離4mm、グリッド電極-ステージ間の距離4mmにて行った。
Thereafter, polarization treatment was performed by corona charging using the polarization treatment apparatus shown in FIG.
A tungsten wire with a diameter of 50 μm was used as the corona electrode used in the corona charging process, and a stainless steel grid electrode with an aperture ratio of 60% was used as the grid electrode.
The polarization treatment conditions were a treatment temperature of 80°C, a corona electrode voltage of 9 kV, a grid electrode voltage of 1.5 kV, a treatment time of 30 seconds, a distance of 4 mm between the corona electrode and the grid electrode, and a distance of 4 mm between the grid electrode and the stage. Ta.

<液体吐出ヘッドの作製>
その後、基板13の裏面をエッチングし、図6に示すような加圧室18(短尺方向の長さ(幅)が60μm)を形成し、ノズル11が形成されたノズル板12を接合し、液体吐出ヘッドを作製した。
基板13のエッチングは、加圧室18を保持するため、保持基板を接合した後に行った。なお、保持基板の開口部の幅は75μmとした。
<Fabrication of liquid ejection head>
Thereafter, the back surface of the substrate 13 is etched to form a pressurizing chamber 18 (length (width) in the short direction is 60 μm) as shown in FIG. A discharge head was manufactured.
Etching of the substrate 13 was performed after the holding substrate was bonded to hold the pressurizing chamber 18. Note that the width of the opening of the holding substrate was 75 μm.

<組成分析>
(1)平均Pb含有率
電気機械変換膜(PZT膜)の組成分析として、ICP発光分析によりPb、Zr及びTiの含有量を測定した。組成比としては、膜に含まれるZrとTiの含有量の和を100%とし、これに対するPb含有量比を平均Pb含有率として算出した。
(2)結晶粒界Pbと粒子Pbの含有量比
また、粒子内部のPb含有量と結晶粒界を含む領域におけるPb含有量を、任意の4点についてTEM-EDSにより分析し、粒子内部のPb含有量に対する結晶粒界のPb含有量比(測定した4点の平均値)を算出した。
結果を表1に示す。
<Composition analysis>
(1) Average Pb Content As a composition analysis of the electromechanical conversion film (PZT film), the contents of Pb, Zr, and Ti were measured by ICP emission spectrometry. As for the composition ratio, the sum of the Zr and Ti contents contained in the film was taken as 100%, and the Pb content ratio with respect to this was calculated as the average Pb content.
(2) Content ratio of grain boundary Pb and grain Pb In addition, the Pb content inside the grain and the Pb content in the region including the grain boundary were analyzed by TEM-EDS at four arbitrary points. The ratio of Pb content at grain boundaries to Pb content (average value of four measured points) was calculated.
The results are shown in Table 1.

<膜厚方向のPb含有率分布>
上述の電気機械変換膜(PZT膜)に含まれるPb含有率について、膜厚方向およそ10μmごとに1000μmまで測定した。
測定結果を図14のグラフに示す。
図14のグラフの縦軸は、Pb/(Zr+Ti)の含有量比(単位:%)を示し、横軸は、膜厚方向における膜表面からの位置(単位:μm)を示している。
また、Pb含有率分布の評価として、膜厚方向において測定されたPb含有率が平均値に対し±4%の範囲内(測定値の差異が8%の範囲内)であるものを「略均一(○)」として表1に示す。
<Pb content distribution in film thickness direction>
The Pb content contained in the electromechanical transducer film (PZT film) described above was measured approximately every 10 μm in the film thickness direction up to 1000 μm.
The measurement results are shown in the graph of FIG.
The vertical axis of the graph in FIG. 14 indicates the content ratio (unit: %) of Pb/(Zr+Ti), and the horizontal axis indicates the position from the film surface in the film thickness direction (unit: μm).
In addition, as an evaluation of the Pb content distribution, a film in which the Pb content measured in the film thickness direction is within ±4% of the average value (difference in measured value is within 8%) is considered to be "approximately uniform". (○)” is shown in Table 1.

<電気機械変換特性の評価>
(1)絶縁耐圧及び故障発生率の評価
絶縁耐圧として、TZDB評価として、0~200Vまで、1Vステップで電圧を印加したときのリーク電流を測定した。
故障発生率としては、TDDB評価として、DC電圧50Vにおいて1×10秒駆動させたときの故障発生率を算出した。
結果をそれぞれ表1に示す。
なお、故障発生率の評価は、0.5%未満を「優良(◎)」、0.5以上1.0%未満を「良(○)」、1.0%以上を「不良(×)」とし、「良(○)」以上のものを実用に適するものとする。
<Evaluation of electromechanical conversion characteristics>
(1) Evaluation of dielectric strength voltage and failure rate For dielectric strength voltage and TZDB evaluation, leakage current was measured when voltage was applied from 0 to 200 V in 1 V steps.
As for the failure rate, the failure rate when driven for 1×10 6 seconds at a DC voltage of 50 V was calculated as a TDDB evaluation.
The results are shown in Table 1.
In addition, the evaluation of the failure rate is as follows: less than 0.5% is "excellent (◎)", 0.5 or more and less than 1.0% is "good (○)", and 1.0% or more is "poor (x)". ”, and those rated “Good (○)” or higher are considered suitable for practical use.

(2)リーク電流密度及びバルクリーク電流密度の測定
恒温槽(エスペック社製)を用い、水蒸気圧300kPaの高湿度環境にて測定を行った。
水蒸気圧は、下記のWagnerの式により導出した飽和水蒸気圧に対し、相対湿度を掛けることにより導出した。
(2) Measurement of leak current density and bulk leak current density Measurement was performed in a high humidity environment with a water vapor pressure of 300 kPa using a constant temperature bath (manufactured by ESPEC).
The water vapor pressure was derived by multiplying the relative humidity by the saturated water vapor pressure derived from the Wagner equation below.

Figure 0007351106000001
Figure 0007351106000001

ただし、Pc=22120kPa:臨界圧、Tc=647.3K:臨界温度、T=絶対温度(K)
A=-7.76451、B=1.45838、C=-2.7758、D=-1.23303
However, Pc=22120kPa: critical pressure, Tc=647.3K: critical temperature, T=absolute temperature (K)
A=-7.76451, B=1.45838, C=-2.7758, D=-1.23303

上記環境下において、DC電圧40V時のリーク電流密度を測定した。
リーク電流密度に関しては、電気機械変換素子20とそれ以外を区別するために、第3の電極27、第4の電極28に関して電極面積をほぼ同等の状態で電極の周囲長だけ変えることによってバルク中を流れるリーク電流を数値化し、合わせて第2の電極17、共通・個別電極引き出し配線(第3の電極27、第4の電極28)、第2の絶縁保護膜22のシート抵抗値から電気機械変換素子外の電流を区別することにより測定した。
また、端子間で測定されるリーク電流密度の値をLa、電気機械変換膜中を流れるバルクリーク電流密度をLbとし、Lb/Laの値をあわせて算出した。
結果を表1に示す。
Under the above environment, the leakage current density at a DC voltage of 40 V was measured.
Regarding the leakage current density, in order to distinguish between the electromechanical transducer 20 and the others, the third electrode 27 and the fourth electrode 28 can be reduced in bulk by changing the peripheral length of the electrodes while keeping the electrode areas approximately the same. The electric machine It was measured by distinguishing the current outside the conversion element.
Furthermore, the value of the leakage current density measured between the terminals was taken as La, the bulk leakage current density flowing in the electromechanical transducer film was taken as Lb, and the value of Lb/La was calculated.
The results are shown in Table 1.

(3)圧電定数d31
圧電定数d31に関し、レーザードップラー振動計により電界強度150kV/cm時の変位量を計測し、得られた変位量を元にシミュレーションにより算出した。
結果を表1に示す。
(3) Piezoelectric constant d31
Regarding the piezoelectric constant d31, the amount of displacement at an electric field strength of 150 kV/cm was measured using a laser Doppler vibrometer, and the amount of displacement was calculated by simulation based on the obtained amount of displacement.
The results are shown in Table 1.

(実施例2)
PZT前駆体溶液をスピンコートにより成膜して積層膜を形成し、3層目の熱分解処理後に行う結晶化熱処理条件を温度730℃、10分間とした以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子及び液体吐出ヘッドを作製した。
また、実施例1と同様にして組成分析、膜厚方向のPb含有率分布測定、及び電気機械変換特性の評価を行った。
結果を表1に示す。また、膜厚方向のPb含有率分布の測定結果を図14に示す。
(Example 2)
The PZT precursor solution was deposited by spin coating to form a laminated film, and the crystallization heat treatment conditions performed after the third layer thermal decomposition treatment were performed in the same manner as in Example 1, except that the temperature was 730 ° C. for 10 minutes. An electromechanical transducer element and a liquid ejection head were manufactured.
Further, in the same manner as in Example 1, compositional analysis, measurement of Pb content distribution in the film thickness direction, and evaluation of electromechanical conversion characteristics were performed.
The results are shown in Table 1. Further, the measurement results of the Pb content distribution in the film thickness direction are shown in FIG.

(実施例3)
第1の絶縁保護膜をAlN膜とした以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子及び液体吐出ヘッドを作製した。
また、実施例1と同様にして組成分析、膜厚方向のPb含有率分布測定、及び電気機械変換特性の評価を行った。
結果を表1に示す。また、膜厚方向のPb含有率分布の測定結果を図14に示す。
(Example 3)
An electromechanical transducer and a liquid ejection head were manufactured in the same manner as in Example 1 except that the first insulating protective film was an AlN film.
Further, in the same manner as in Example 1, compositional analysis, measurement of Pb content distribution in the film thickness direction, and evaluation of electromechanical conversion characteristics were performed.
The results are shown in Table 1. Further, the measurement results of the Pb content distribution in the film thickness direction are shown in FIG.

(実施例4)
共通・個別電極引き出し配線(第3の電極27、第4の電極28)のエッジと、電気機械変換膜16のエッジとの距離を1μm確保するようにパターン形成した以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子及び液体吐出ヘッドを作製した。
また、実施例1と同様にして組成分析、膜厚方向のPb含有率分布評価、及び電気機械変換特性の評価を行った。
結果を表1に示す。
(Example 4)
Same as Example 1 except that the pattern was formed to ensure a distance of 1 μm between the edge of the common/individual electrode lead wiring (third electrode 27, fourth electrode 28) and the edge of the electromechanical conversion film 16. An electromechanical transducer and a liquid ejection head were manufactured using the following methods.
Further, in the same manner as in Example 1, compositional analysis, evaluation of Pb content distribution in the film thickness direction, and evaluation of electromechanical conversion characteristics were performed.
The results are shown in Table 1.

(比較例1)
PZT前駆体溶液として、PZT前駆体溶液2(Pb:Zr:Ti=115:53:47)を用い、スピンコートにより成膜し、乾燥、熱分解の工程後、結晶化熱処理を温度700℃、3分間の条件で行った以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子及び液体吐出ヘッドを作製した。
また、実施例1と同様にして組成分析及び電気機械変換特性の評価を行った。
結果を表1に示す。
(Comparative example 1)
A film was formed by spin coating using PZT precursor solution 2 (Pb:Zr:Ti=115:53:47) as the PZT precursor solution, and after drying and thermal decomposition steps, crystallization heat treatment was performed at a temperature of 700°C. An electromechanical transducer and a liquid ejection head were produced in the same manner as in Example 1, except that the test was carried out for 3 minutes.
In addition, compositional analysis and electromechanical conversion characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.
The results are shown in Table 1.

(比較例2)
PZT前駆体溶液として、PZT前駆体溶液2(Pb:Zr:Ti=115:53:47)を用い、スピンコートにより成膜し、乾燥、熱分解の工程後、結晶化熱処理を温度730℃、3分間の条件で行った以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子及び液体吐出ヘッドを作製した。
また、実施例1と同様にして組成分析及び電気機械変換特性の評価を行った。
結果を表1に示す。
(Comparative example 2)
A film was formed by spin coating using PZT precursor solution 2 (Pb:Zr:Ti=115:53:47) as the PZT precursor solution, and after drying and thermal decomposition steps, crystallization heat treatment was performed at a temperature of 730°C. An electromechanical transducer and a liquid ejection head were produced in the same manner as in Example 1, except that the test was carried out for 3 minutes.
In addition, compositional analysis and electromechanical conversion characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.
The results are shown in Table 1.

Figure 0007351106000002
なお、表中※1(Pb含有率分布)の「○」は略均一であることを示し、「-」は評価を行っていないか、均一ではないことを示す。
また、表中※2(故障発生率)の「◎」は優良、「○」は良、「×」は不良を示し、「○」以上が実用に適していることを意味する。
Figure 0007351106000002
In addition, "○" in *1 (Pb content distribution) in the table indicates that it is approximately uniform, and "-" indicates that no evaluation has been performed or it is not uniform.
In addition, in the table *2 (failure incidence), "◎" indicates excellent, "○" indicates good, and "x" indicates poor, and "○" or higher means suitable for practical use.

表1に示されたように、実施例1~4の電気機械変換素子は、水蒸気圧が300kPaの環境において、前記一対の電極から電気的に接続された端子間で測定されるリーク電流密度が4.2×10-6A/cm以下であり、かつ電気機械変換膜(PZT膜)に含まれるPb含有率について、膜厚方向に略均一である。 As shown in Table 1, the electromechanical transducers of Examples 1 to 4 have leakage current densities measured between terminals electrically connected from the pair of electrodes in an environment where the water vapor pressure is 300 kPa. It is 4.2×10 −6 A/cm 2 or less, and the Pb content contained in the electromechanical conversion film (PZT film) is approximately uniform in the film thickness direction.

また、バルクリーク電流密度(Lb)の値とリーク電流密度(La)の値は、Lb/La≧0.30の関係を満たし、リーク電流が非常に小さいことがわかる。これは、平均Pb含有量が100~110%であり、粒子内部のPb含有量に対する結晶粒界のPb含有量の比が105%以下という条件を満たしていることにより、バルクリークの低減が実現したことによると考えられる。これらの値は、PZTのチタン酸鉛とジルコン酸鉛が、焼成プロセスにおいて十分に固溶する条件に設定することにより達成できるものと考えられる。 Further, it can be seen that the value of the bulk leak current density (Lb) and the value of the leak current density (La) satisfy the relationship of Lb/La≧0.30, and the leak current is extremely small. This is achieved by satisfying the conditions that the average Pb content is 100 to 110% and the ratio of the Pb content at the grain boundaries to the Pb content inside the grains is 105% or less, thereby reducing bulk leak. This is probably due to what happened. It is considered that these values can be achieved by setting conditions in which lead titanate and lead zirconate of PZT are sufficiently dissolved in solid solution during the firing process.

さらに、実施例1~4の電気機械変換素子の絶縁耐圧の値は十分高く、故障発生率も1.0%未満であり、圧電定数d31の値も良好である。 Further, the dielectric strength values of the electromechanical transducers of Examples 1 to 4 are sufficiently high, the failure rate is less than 1.0%, and the piezoelectric constant d31 is also good.

このように、実施例1~4の電気機械変換素子は、高湿度環境下においても電気機械変換特性が維持され、故障することなく駆動の継続が可能であり、信頼性が高いものであることが確認された。 As described above, the electromechanical conversion elements of Examples 1 to 4 maintain electromechanical conversion characteristics even in a high humidity environment, can continue driving without failure, and are highly reliable. was confirmed.

一方、比較例1及び2では、リーク電流密度の値が非常に大きく、故障発生率も1.0%以上であった。なお、駆動開始から5時間程度で故障の発生がみられた。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the value of leakage current density was very large, and the failure rate was also 1.0% or more. It should be noted that a failure occurred approximately 5 hours after the start of operation.

11 ノズル
12 ノズル板
13 基板
14 振動板
15 第1の電極
16 電気機械変換膜
17 第2の電極
18 圧力室
20 電気機械変換素子
21 第1の絶縁保護膜
22 第2の絶縁保護膜
23 共通電極パッド
24 個別電極パッド
27 第3の電極(共通引き出し配線)
28 第4の電極(個別引き出し配線)
40 分極処理装置
11 nozzle 12 nozzle plate 13 substrate 14 diaphragm 15 first electrode 16 electromechanical conversion film 17 second electrode 18 pressure chamber 20 electromechanical conversion element 21 first insulating protective film 22 second insulating protective film 23 common electrode Pad 24 Individual electrode pad 27 Third electrode (common lead wiring)
28 Fourth electrode (individual extraction wiring)
40 Polarization processing device

特許第3552013号公報Patent No. 3552013 特許第4463766号公報Patent No. 4463766

Claims (12)

Pb、Zr及びTiを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物で構成され、膜厚が1.0μm~3.0μmである電気機械変換膜と、
前記電気機械変換膜を挟んで配置された一対の電極と、
前記電気機械変換膜及び前記一対の電極を被覆する絶縁保護膜と、を有し、
前記電気機械変換膜中のPb含有率が膜厚方向に略均一であり、
水蒸気圧が300kPaの環境において、前記一対の電極から電気的に接続された端子間で測定されるDC電圧40V時のリーク電流密度が4.2×10-6A/cm以下であることを特徴とする電気機械変換素子。
An electromechanical transducer film made of a complex oxide having a perovskite structure containing at least Pb, Zr, and Ti, and having a film thickness of 1.0 μm to 3.0 μm ;
a pair of electrodes disposed with the electromechanical conversion membrane in between;
an insulating protective film covering the electromechanical conversion film and the pair of electrodes,
The Pb content in the electromechanical conversion film is substantially uniform in the film thickness direction,
In an environment where the water vapor pressure is 300 kPa, the leakage current density at a DC voltage of 40 V measured between the terminals electrically connected from the pair of electrodes is 4.2 × 10 -6 A/cm 2 or less. Characteristic electromechanical transducer.
前記一対の電極から電気的に接続された端子間で測定されるリーク電流密度の値をLa、前記電気機械変換膜中を流れるバルクリーク電流密度をLbとしたとき、0.32≦Lb/La≦0.38の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換素子。 When the value of the leakage current density measured between the terminals electrically connected from the pair of electrodes is La, and the bulk leakage current density flowing in the electromechanical conversion film is Lb, 0.32≦Lb/La The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the electromechanical transducer satisfies the relationship: ≦0.38 . 絶縁耐圧が100V以上であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電気機械変換素子。 3. The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the electromechanical transducer has a dielectric strength of 100V or more. 前記電気機械変換膜中の平均Pb含有率が、ZrとTiの含有量の和に対して106.1~108.2%であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電気機械変換素子。 4. The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the average Pb content in the electromechanical conversion film is 106.1 to 108.2% with respect to the sum of Zr and Ti contents. Electromechanical conversion element. 前記電気機械変換膜は、複数の粒子と前記複数の粒子間に存在する結晶粒界とを有し、
前記複数の粒子内部のPb含有量に対し、前記結晶粒界を含む領域におけるPb含有量が102.2~103.6%であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電気機械変換素子。
The electromechanical conversion film has a plurality of particles and grain boundaries existing between the plurality of particles,
5. The Pb content according to claim 1, wherein the Pb content in the region including the grain boundaries is 102.2 to 103.6% with respect to the Pb content inside the plurality of grains. Electromechanical conversion element.
前記絶縁保護膜が、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、及び窒化シリコンのいずれかからなることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電気機械変換素子。 6. The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the insulating protective film is made of any one of aluminum oxide, silicon oxide, aluminum nitride, and silicon nitride. 前記電気機械変換膜は(100)面に優先配向した結晶膜であり、
前記電気機械変換膜の結晶粒が、膜厚方向に成長した柱状の結晶粒であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電気機械変換素子。
The electromechanical conversion film is a crystal film preferentially oriented in the (100) plane,
7. The electromechanical transducer element according to claim 1, wherein the crystal grains of the electromechanical transducer film are columnar crystal grains grown in the film thickness direction.
請求項1から7のいずれかに記載の電気機械変換素子を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A liquid ejection head comprising the electromechanical transducer according to claim 1. 請求項8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 8. 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9に記載の液体吐出ユニット。 A head tank that stores liquid to be supplied to the liquid ejection head, a carriage that mounts the liquid ejection head, a supply mechanism that supplies liquid to the liquid ejection head, a maintenance and recovery mechanism that maintains and recovers the liquid ejection head, and the liquid. 10. The liquid ejection unit according to claim 9, wherein the liquid ejection head is integrated with at least one of a main scanning movement mechanism that moves the ejection head in the main scanning direction. 請求項8に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項9若しくは10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。 An apparatus for ejecting liquid, comprising the liquid ejection head according to claim 8 or the liquid ejection unit according to claim 9 or 10. 請求項1から7のいずれかに記載の電気機械変換素子を備えることを特徴とする圧電装置。
A piezoelectric device comprising the electromechanical transducer according to claim 1.
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