JP7423967B2 - Electro-mechanical conversion element, liquid ejection head, liquid ejection unit, and liquid ejection device - Google Patents

Electro-mechanical conversion element, liquid ejection head, liquid ejection unit, and liquid ejection 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、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置に関する。 The present invention relates to an electro-mechanical conversion element, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and a device for ejecting liquid.

液体吐出ヘッドにおいて、ヘッドの吐出効率を向上させるため、電気-機械変換素子の変位特性の向上が求められている。電気-機械変換素子の変位特性を向上させるための一つの方法としては、電気-機械変換膜の膜厚を薄くして、電気-機械変換膜にかかる電界強度(電圧/電気-機械変換膜の膜厚)を上げることが考えられる。 In a liquid ejection head, in order to improve the ejection efficiency of the head, it is required to improve the displacement characteristics of the electro-mechanical conversion element. One way to improve the displacement characteristics of an electro-mechanical transducer is to reduce the thickness of the electro-mechanical transducer film to reduce the electric field strength (voltage/electrical-mechanical transducer film) applied to the electro-mechanical transducer film. It is possible to increase the film thickness).

しかし、電気-機械変換膜の膜厚が薄くなることで変位量は大きくなるが、電気-機械変換膜の剛性が弱くなるため、吐出対象の液体(例えばインク)に対して十分な力が伝わらず、結果的に吐出効率が上がらない。 However, as the film thickness of the electro-mechanical transducer becomes thinner, the amount of displacement increases, but the stiffness of the electro-mechanical transducer becomes weaker, so sufficient force cannot be transmitted to the liquid to be ejected (for example, ink). As a result, the ejection efficiency does not increase.

これに対して、特許文献1には、下部電極上に電気-機械変換膜と電極層を交互に形成することが開示されている。特許文献1によれば、電気-機械変換膜としては十分な剛性を確保した上で、電極層を電気-機械変換膜に何層か設けることによって、電界強度を上げてヘッドの吐出効率を上げることができるとも考えられる。 On the other hand, Patent Document 1 discloses that an electro-mechanical conversion film and an electrode layer are alternately formed on a lower electrode. According to Patent Document 1, after ensuring sufficient rigidity as an electro-mechanical conversion film, by providing several electrode layers on the electro-mechanical conversion film, the electric field strength is increased and the ejection efficiency of the head is increased. It is also possible to do so.

しかし、薄膜で電気-機械変換膜と電極層を交互に積層していった場合、電極層上の電気-機械変換膜の結晶配向制御において問題が生じる。電気-機械変換膜として例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を用いて高い圧電定数を確保し、PZT(100)配向制御を狙うこととなるが、電極層上のPZTに関しては(100)配向制御が難しく、十分な圧電性能が得られにくいという問題がある。そのため、十分な変位特性が得られておらず、ヘッドの吐出効率を高めることができていない。また、従来技術では、PZT(110)配向などの他の結晶ピークも見られており、完全なPZT(100)結晶膜とはなっていない。このため、十分な圧電性能が得られず、十分な変位特性が得られていないという問題があった。 However, when thin electro-mechanical transducer films and electrode layers are alternately laminated, a problem arises in controlling the crystal orientation of the electro-mechanical transducer film on the electrode layer. For example, PZT (lead zirconate titanate) is used as the electro-mechanical conversion film to ensure a high piezoelectric constant and aim to control the (100) orientation of PZT, but the (100) orientation control of PZT on the electrode layer There is a problem that it is difficult to obtain sufficient piezoelectric performance. Therefore, sufficient displacement characteristics are not obtained, and the ejection efficiency of the head cannot be improved. Furthermore, in the prior art, other crystal peaks such as PZT (110) orientation are also observed, and a perfect PZT (100) crystal film is not obtained. For this reason, there was a problem in that sufficient piezoelectric performance was not obtained, and sufficient displacement characteristics were not obtained.

そこで本発明は、良好な結晶配向を有する電気-機械変換膜が得られ、高い変位特性が得られる電気-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 an electro-mechanical transducer element in which an electro-mechanical transducer film having good crystal orientation can be obtained and high displacement characteristics can be obtained.

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、下部電極上に電気-機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層され、最上部に形成された前記電気-機械変換膜上に上部電極が形成された電気-機械変換素子であって、前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜との間には前記内部電極膜が形成されておらず、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜は、(100)配向率が95%以上であり、前記下部電極上及び前記上部電極上に第1の層間膜が形成され、前記電気-機械変換膜及び前記内部電極膜は、各層を比較したときに前記下部電極側から前記上部電極側にかけて徐々に面積が小さくなっており、前記下部電極から引き出した配線と、前記内部電極膜から引き出した配線と、前記上部電極から引き出した配線とを有し、これらの配線は前記第1の層間膜を通って引き出され、前記下部電極から引き出した配線、前記内部電極膜から引き出した配線及び前記上部電極から引き出した配線の一部が前記第1の層間膜上に存在することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the electro-mechanical transducer of the present invention has electro-mechanical transducer films and internal electrode films alternately laminated on a lower electrode, and the electro-mechanical transducer film formed on the top. An electro-mechanical conversion element having an upper electrode formed thereon, wherein the internal electrode film is not formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode, The electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode has a (100) orientation rate of 95% or more, a first interlayer film is formed on the lower electrode and the upper electrode, and the electro-mechanical conversion film is The area of the conversion film and the internal electrode film gradually decreases from the lower electrode side to the upper electrode side when comparing each layer. and a wiring drawn out from the upper electrode, and these wirings are drawn out through the first interlayer film, and the wiring drawn out from the lower electrode, the wiring drawn out from the internal electrode film, and the upper electrode. A part of the wiring drawn out from the electrode is present on the first interlayer film .

本発明によれば、良好な結晶配向を有する電気-機械変換膜が得られ、高い変位特性が得られる電気-機械変換素子を提供することができる。 According to the present invention, an electro-mechanical transducer film having good crystal orientation can be obtained, and an electro-mechanical transducer element with high displacement characteristics can be provided.

本発明に係る電気-機械変換素子の一例における断面模式図(A)及び従来例における電気-機械変換素子の断面模式図(B)である。1 is a schematic cross-sectional view (A) of an example of an electro-mechanical conversion element according to the present invention, and a schematic cross-sectional view (B) of an electro-mechanical conversion element in a conventional example. 1層目の電気-機械変換膜の(100)配向率と、Totalでの電気-機械変換膜の(100)配向率の関係の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the (100) orientation ratio of the first layer electro-mechanical conversion film and the (100) orientation ratio of the total electro-mechanical conversion film. X線回折法のθ-2θ測定で得られた電気機械変換膜の(200)面に対する回析ピーク位置を示すグラフである。2 is a graph showing the diffraction peak position for the (200) plane of the electromechanical transducer film obtained by θ-2θ measurement using X-ray diffraction. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における平面模式図である。FIG. 3 is a schematic plan view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る電気-機械変換素子の他の例における平面模式図である。FIG. 3 is a schematic plan view of another example of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of an example of a liquid ejection head according to the present invention. 本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例における断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of another example of the liquid ejection head according to the present invention. 本発明に係る液体を吐出する装置の一例における要部平面説明図である。1 is an explanatory plan view of a main part of an example of a device for discharging liquid according to the present invention; FIG. 本発明に係る液体を吐出する装置の一例における要部側面説明図である。FIG. 2 is a side view illustrating a main part of an example of a device for discharging liquid according to the present invention. 本発明に係る液体吐出ユニットの一例を示す模式図である。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. 液体を吐出する装置の一例を示す斜視図である。FIG. 1 is a 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側面図である。FIG. 2 is a side view showing an example of a device that discharges liquid.

以下、本発明に係る電気-機械変換素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An electro-mechanical transducer, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and a liquid ejection 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.

(電気-機械変換素子)
本発明の電気-機械変換素子は、下部電極上に電気-機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層され、最上部に形成された前記電気-機械変換膜上に上部電極が形成された電気-機械変換素子であって、前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜との間には前記内部電極膜が形成されておらず、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜は、(100)配向率が95%以上であることを特徴とする。
(Electro-mechanical conversion element)
In the electro-mechanical conversion element of the present invention, electro-mechanical conversion films and internal electrode films are alternately laminated on a lower electrode, and an upper electrode is formed on the electro-mechanical conversion film formed at the top. In the electro-mechanical conversion element, the internal electrode film is not formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode, and the internal electrode film is not formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode. - The mechanical transducer film is characterized by a (100) orientation rate of 95% or more.

本実施形態における電気-機械変換素子の断面図の一例及び従来の電気-機械変換素子の断面図の一例を図1に示す。図1では、基板10、振動板12、下部電極14、電気-機械変換膜16、内部電極18、上部電極20が図示されている。 FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of an electro-mechanical conversion element in this embodiment and an example of a cross-sectional view of a conventional electro-mechanical conversion element. In FIG. 1, a substrate 10, a diaphragm 12, a lower electrode 14, an electro-mechanical conversion film 16, an internal electrode 18, and an upper electrode 20 are illustrated.

図1(A)は本実施形態の電気-機械変換素子の一例を示すものであり、下部電極14上に電気-機械変換膜16と内部電極膜18とが交互に積層され、最上部に形成された電気-機械変換膜16上に上部電極20が形成されている。ここでは、電気-機械変換膜16の各層を電気-機械変換膜16a、16b、・・・16xと表し、内部電極膜の各層を内部電極膜18a、18b、・・・と表している。なお、電気-機械変換膜の各層を区別しない場合、単に電気-機械変換膜16と表し、内部電極膜の各層を区別しない場合、単に内部電極膜18と表すことがある。 FIG. 1(A) shows an example of the electro-mechanical transducer of this embodiment, in which electro-mechanical transducer films 16 and internal electrode films 18 are alternately laminated on the lower electrode 14, and an electro-mechanical transducer film 18 is formed on the top. An upper electrode 20 is formed on the electro-mechanical conversion film 16. Here, each layer of the electro-mechanical conversion film 16 is represented as an electro-mechanical conversion film 16a, 16b, . . . 16x, and each layer of the internal electrode film is represented as an internal electrode film 18a, 18b, . Note that when each layer of the electro-mechanical conversion film is not distinguished, it may be simply referred to as the electro-mechanical conversion film 16, and when each layer of the internal electrode film is not distinguished, it may be simply referred to as the internal electrode film 18.

一方、従来の電気-機械変換素子では、内部電極膜が形成されておらず、下部電極14上に電気-機械変換膜16が形成され、さらに最表面に上部電極20が形成されている。 On the other hand, in the conventional electro-mechanical conversion element, no internal electrode film is formed, but an electro-mechanical conversion film 16 is formed on the lower electrode 14, and an upper electrode 20 is further formed on the outermost surface.

本実施形態(図1(A))と従来例(図1(B))とで、同じ電圧を印加したときに、両者で同じ電気-機械変換膜が形成されていたとしても、本実施形態のように内部電極膜を挟むことにより、電極間の電気-機械変換膜の膜厚が薄くなるため、電界強度は大きくなる。このため、電気-機械変換膜の変形量としては本実施形態の方が大きくなる。 Even if the same electro-mechanical conversion film is formed in the present embodiment (FIG. 1(A)) and the conventional example (FIG. 1(B)) when the same voltage is applied, the present embodiment By sandwiching the internal electrode films as shown in the figure, the thickness of the electro-mechanical conversion film between the electrodes becomes thinner, and the electric field strength increases. Therefore, the amount of deformation of the electro-mechanical transducer film is larger in this embodiment.

また、両者で同じ結晶配向膜が得られているかというと、そうはなっておらず、図1(A)における1層目の電気-機械変換膜16aの結晶配向の状態や内部電極膜18の材料によって、それ以降の、すなわち上層の電気-機械変換膜の結晶配向が変わってくることがわかった。電気-機械変換膜の結晶配向としては、(100)結晶配向を有していることが好ましく、この場合、高い変位特性が得られる。詳細に検討を行ったところ、1層目の電気-機械変換膜16aの(100)配向率が95%以上であることで、電気-機械変換膜の結晶配向を(100)結晶配向に制御できることがわかった。 Furthermore, whether the same crystal orientation film is obtained in both cases is not the case. It has been found that the crystal orientation of the subsequent electro-mechanical conversion film, that is, the upper layer, changes depending on the material. The electro-mechanical conversion film preferably has a (100) crystal orientation, and in this case, high displacement characteristics can be obtained. A detailed study revealed that the crystal orientation of the electro-mechanical conversion film 16a can be controlled to the (100) crystal orientation by having a (100) orientation rate of 95% or more. I understand.

図2に、1層目の電気-機械変換膜の配向率(結晶配向率、配向度などとも称する)と、Totalでの電気-機械変換膜の配向率との関係を示す。図2では、1層目の電気-機械変換膜(ここではPZTを例としている)の(100)配向率を横軸にし、Totalでの電気-機械変換膜の(100)配向率を縦軸にしている。また、図2では内部電極膜の材料を変更してプロットしている。なお、Totalでの電気-機械変換膜の配向率は、各層の電気-機械変換膜の配向率を用いて平均値を求めた値としている。 FIG. 2 shows the relationship between the orientation rate (also referred to as crystal orientation rate, degree of orientation, etc.) of the first layer electro-mechanical conversion film and the total orientation rate of the electro-mechanical conversion film. In Figure 2, the (100) orientation rate of the first layer electro-mechanical conversion film (PZT is taken as an example here) is taken as the horizontal axis, and the vertical axis is the (100) orientation rate of the total electro-mechanical conversion film. I have to. Moreover, in FIG. 2, the material of the internal electrode film is changed and plotted. Note that the total orientation ratio of the electro-mechanical conversion film is a value obtained by calculating an average value using the orientation ratio of the electro-mechanical conversion film of each layer.

図示されるように、1層目の時点で(100)配向率が低いと、それ以降に形成したPZTの(100)配向率が低いことが分かる。内部電極膜の材料にもよるが、TotalのPZTの(100)配向率を高くするには、1層目のPZTの(100)配向率を95%以上にすることが好ましい。 As shown in the figure, it can be seen that if the (100) orientation rate is low at the time of the first layer, the (100) orientation rate of the PZT formed thereafter is low. Although it depends on the material of the internal electrode film, in order to increase the total (100) orientation ratio of PZT, it is preferable that the (100) orientation ratio of the first layer PZT is 95% or more.

このように、本発明者の詳細な検討の結果、下部電極上に電気-機械変換膜と内部電極膜とを交互に積層し、更に下部電極に最も近い電気-機械変換膜の(100)配向率を95%以上にすることにより、良好な結晶配向を有する電気-機械変換膜が得られ、高い変位特性が得られる電気-機械変換素子が提供される。
以下、本実施形態における電気-機械変換素子の詳細を説明する。
As a result of detailed studies by the present inventors, the electro-mechanical transducer films and internal electrode films are alternately laminated on the lower electrode, and the electro-mechanical transducer film closest to the lower electrode is oriented in (100) orientation. By setting the ratio to 95% or more, an electro-mechanical transducer film having good crystal orientation can be obtained, and an electro-mechanical transducer element with high displacement characteristics can be provided.
The details of the electro-mechanical conversion element in this embodiment will be explained below.

<基板>
基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100~600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、液体吐出ヘッドでも主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用することができる。
<Substrate>
As the substrate, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 to 600 μm. There are three types of plane orientation: (100), (110), and (111), but (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry, and (100) is also mainly used in liquid ejection heads. ) can be used.

また、圧力室を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。なお、異方性エッチングとは、結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。 Further, when manufacturing a pressure chamber, a silicon single crystal substrate is processed using etching, and anisotropic etching is generally used as the etching method in this case. Note that anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs depending on the plane orientation of the crystal structure.

例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができる。そのため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるため、本実施形態でも(110)の面方位を持つ単結晶基板を使用してもよい。ただし、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされる点に留意が必要である。 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, with the (100) plane orientation, a structure with an inclination of about 54° can be produced, whereas with the (110) plane direction, a deep groove can be dug. Therefore, since the arrangement density can be increased while maintaining rigidity, a single crystal substrate having a (110) plane orientation may be used in this embodiment as well. However, in this case, it should be noted that the mask material SiO 2 is also etched.

<振動版>
振動板としては、電気-機械変換膜(例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛))によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室内のインク滴を吐出させる。そのため、振動板としては所定の強度を有したものであることが好ましい。具体的には、Si、SiO、Si等をCVD法等により作製したものが挙げられる。更に、振動板の材料としては、下部電極、電気-機械変換膜の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
<Vibration version>
The diaphragm is deformed and displaced by the force generated by an electro-mechanical transducer film (for example, PZT (lead zirconate titanate)), thereby ejecting ink droplets within the pressure chamber. Therefore, it is preferable that the diaphragm has a predetermined strength. Specifically, examples include those made of Si, SiO 2 , Si 3 N 4 , etc., by a CVD method or the like. Further, as the material of the diaphragm, it is preferable to select a material whose linear expansion coefficient is close to that of the lower electrode and the electro-mechanical conversion film.

特に、電気-機械変換膜としてPZTを使用する場合には、振動板の材料として、PZTの線膨張係数8×10-6(1/K)に近い5×10-6(1/K)~10×10-6(1/K)の線膨張係数を有した材料を選択することが好ましい。7×10-6(1/K)~9×10-6(1/K)の線膨張係数を有した材料を選択することがより好ましい。 In particular, when using PZT as an electro-mechanical conversion membrane, the linear expansion coefficient of PZT is 5×10 -6 (1/K) ~ 5×10 -6 (1/K), which is close to PZT's 8×10 -6 (1/K). Preferably, a material with a coefficient of linear expansion of 10×10 −6 (1/K) is selected. It is more preferable to select a material having a linear expansion coefficient of 7×10 −6 (1/K) to 9×10 −6 (1/K).

振動板の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それらの化合物等が挙げられる。これらは、スパッタ法若しくはSol-gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。 Specific materials for the diaphragm include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. These can be manufactured using a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method.

振動板の膜厚としては0.1~10μmが好ましく、0.5~3μmがより好ましい。この範囲内であると、圧力室の加工がしやすくなり、振動版が変形変位しやすくなる。 The thickness of the diaphragm is preferably 0.1 to 10 μm, more preferably 0.5 to 3 μm. If it is within this range, the pressure chamber will be easier to process and the diaphragm will be more likely to be deformed and displaced.

<下部電極>
下部電極としては、金属材料として高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができる。但し、白金は、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、その場合には、イリジウムや白金-ロジウム等の白金族元素や、これらの合金膜を用いることができる。
<Lower electrode>
As the lower electrode, platinum, which has high heat resistance and low reactivity as a metal material, can be used. However, platinum may not have sufficient barrier properties against lead, and in that case, platinum group elements such as iridium or platinum-rhodium, or alloy films of these may be used. .

また、下部電極として白金を使用する場合には、下地となる振動板(特にSiO)との密着性が悪くなることがあり、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等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、0.05~1μmが好ましく、0.1~0.5μmがより好ましい。 Furthermore, when platinum is used as the lower electrode , the adhesion to the underlying diaphragm ( particularly SiO 2 ) may deteriorate; It is preferable to laminate them first. As a manufacturing method, a vacuum film formation method such as a sputtering method or a vacuum evaporation method is generally used. The film thickness is preferably 0.05 to 1 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm.

さらに下部電極上に、電気-機械変換膜の結晶配向を制御するためのシード材料として、SrRuOやLaNiO、PbTiOやPZTをシード層として形成することが好ましい。中でも、PbTiOを用いた場合、電気-機械変換膜を(100)配向にさせやすく好ましい。 Further, it is preferable to form a seed layer of SrRuO 3 , LaNiO 3 , PbTiO 3 or PZT on the lower electrode as a seed material for controlling the crystal orientation of the electro-mechanical conversion film. Among these, it is preferable to use PbTiO 3 because it facilitates making the electro-mechanical conversion film (100) oriented.

<電気-機械変換膜、内部電極膜及びシード層>
電気機械変換膜としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を好適に用いることができる。PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体であり、PbZrOとPbTiOの比率によって、PZTの特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、例えばPbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合であり、これを化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)Oと表すことができ、一般的にはPZT(53/47)と示される。
<Electro-mechanical conversion film, internal electrode film and seed layer>
As the electromechanical conversion film, lead zirconate titanate (PZT) can be suitably used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics of PZT vary depending on the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 . A composition that generally exhibits excellent piezoelectric properties is, for example, a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47, which is represented by the chemical formula: Pb(Zr 0.53 , Ti 0.47 )O 3 It can be expressed as PZT (53/47) and is generally indicated as PZT (53/47).

PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。 Examples of complex oxides other than PZT include barium titanate, and in this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by using barium alkoxide and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in a common solvent. be.

Pb/(Zr+Ti)の組成比率については、0.9以上1.3以下が好ましく、1.0以上1.2以下がより好ましい。0.9以上であると、Pbの不足を防止でき、十分な変位量を確保できる。また1.3以下であると、Pbが過剰になることを防止でき、絶縁破壊を防止できる。 The composition ratio of Pb/(Zr+Ti) is preferably 0.9 or more and 1.3 or less, more preferably 1.0 or more and 1.2 or less. If it is 0.9 or more, a shortage of Pb can be prevented and a sufficient amount of displacement can be ensured. Moreover, when it is 1.3 or less, it is possible to prevent Pb from becoming excessive and prevent dielectric breakdown.

Zr/Tiの組成比率については、Ti/(Zr+Ti)で表したときに、0.40以上0.55以下が好ましく、0.45以上0.53以下がより好ましい。これらの組成比率を調整することによって、図3に示すようなθ-2θ測定において、PZT(200)面のピーク位置やピークの非対称性が異なってくる。
Ti/(Zr+Ti)が0.40以上である場合、回転歪をともなう変位量が少なくなることを防止できる。Ti/(Zr+Ti)が0.55以下である場合、圧電歪による変位量が少なくなることを防止でき、変位量を確保しやすくなる。
Regarding the composition ratio of Zr/Ti, when expressed as Ti/(Zr+Ti), it is preferably 0.40 or more and 0.55 or less, and more preferably 0.45 or more and 0.53 or less. By adjusting these composition ratios, the peak position and peak asymmetry of the PZT (200) plane differ in the θ-2θ measurement as shown in FIG. 3.
When Ti/(Zr+Ti) is 0.40 or more, it is possible to prevent the amount of displacement accompanied by rotational strain from decreasing. When Ti/(Zr+Ti) is 0.55 or less, the amount of displacement due to piezoelectric strain can be prevented from decreasing, and the amount of displacement can be easily ensured.

電気-機械変換膜の作製方法としては、Sol-gel法等が挙げられる。例えばPZTをSol-gel法により作製する場合には、まず出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を用いる。そして、共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミン等を適量、添加してもよい。 Examples of the method for producing the electro-mechanical conversion film include the Sol-gel method. For example, when producing PZT by the Sol-gel method, lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds are first used as starting materials. Then, a PZT precursor solution can be prepared by dissolving it in methoxyethanol, which is a common solvent, to obtain a homogeneous solution. Since metal alkoxide compounds are easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine, etc. may be added to the precursor solution as a stabilizer.

電気-機械変換膜の1層分の膜厚としては、0.2~3μmが好ましく、0.5~2μmがより好ましい。0.2μm以上の場合、電界強度が大きくなり過ぎることを防止し、耐圧を確保しやすくなるため、絶縁耐圧等の不具合を防止できる。3μm以下の場合、電界強度が小さくなり過ぎることを防止し、十分な変位を確保しやすくなる。 The thickness of one layer of the electro-mechanical conversion film is preferably 0.2 to 3 μm, more preferably 0.5 to 2 μm. When the thickness is 0.2 μm or more, the electric field strength is prevented from becoming too large and the withstand voltage is easily ensured, so that problems such as dielectric withstand voltage can be prevented. When it is 3 μm or less, the electric field strength is prevented from becoming too small, and it becomes easier to ensure sufficient displacement.

なお、1層分の膜厚とは、他の層を形成せずに、電気-機械変換膜を連続して形成した場合の膜の厚みを意味する。例えば、3層連続して電気-機械変換膜を形成した場合、連続して形成した3層をまとめて1層分の膜厚として考慮する。 Note that the film thickness of one layer means the thickness of a film when the electro-mechanical conversion film is continuously formed without forming any other layer. For example, when an electro-mechanical conversion film is formed in three consecutive layers, the three consecutively formed layers are collectively considered as the film thickness of one layer.

本実施形態の電気-機械変換素子は、電気-機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層されており、電気-機械変換膜のトータルの膜厚としては、1~10μmが好ましく、2~5μmがより好ましい。1μm以上の場合、十分な剛性を確保しやすくなり、吐出力を確保しやすくなる。10μm以下の場合、膜応力が大きくなり過ぎることを防止し、クラック等の信頼性不具合を抑制できる。 In the electro-mechanical conversion element of this embodiment, electro-mechanical conversion films and internal electrode films are alternately laminated, and the total thickness of the electro-mechanical conversion films is preferably 1 to 10 μm, and 2 to 2 μm. More preferably, the thickness is 5 μm. When the thickness is 1 μm or more, it becomes easier to ensure sufficient rigidity and ejection force. When the thickness is 10 μm or less, film stress can be prevented from becoming too large, and reliability problems such as cracks can be suppressed.

本実施形態では、下部電極上に電気-機械変換膜と内部電極膜とを交互に積層させ、下部電極と、下部電極に最も近い電気-機械変換膜との間には内部電極膜を形成せず、下部電極に最も近い電気-機械変換膜の(100)配向率を95%以上としている。これにより、良好な結晶配向を有する電気-機械変換膜が得られ、高い変位特性が得られる電気-機械変換素子が提供される。 In this embodiment, electro-mechanical conversion films and internal electrode films are alternately laminated on the lower electrode, and the internal electrode film is formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode. First, the (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode is set to 95% or more. As a result, an electro-mechanical transducer film having good crystal orientation can be obtained, and an electro-mechanical transducer element with high displacement characteristics can be provided.

本実施形態において、電気-機械変換膜の(100)配向率はEBSD(電子線後方散乱回折:Electron Back Scattered Diffraction Pattern)法を用いて求める。電気-機械変換膜が形成された電気-機械変換素子の断面に対して、EBSD法を用いて後方散乱電子回折を解析することで結晶粒ごとに方位解析を実施し、配向率を算出する。上記測定により(100)配向の領域や(100)配向以外の領域を有する画像が得られ、(100)配向率は、
(100)配向率[%]=(100)配向している結晶粒領域の面積/全領域の面積×100
により算出する。このような測定を1層目の電気-機械変換膜やその他の電気-機械変換膜に対して行うことにより、各層の(100)配向率を求める。
In this embodiment, the (100) orientation ratio of the electro-mechanical conversion film is determined using the EBSD (Electron Back Scattered Diffraction Pattern) method. For the cross section of the electro-mechanical conversion element on which the electro-mechanical conversion film is formed, backscattered electron diffraction is analyzed using the EBSD method to perform orientation analysis for each crystal grain and calculate the orientation rate. By the above measurement, an image having regions with (100) orientation and regions other than (100) orientation was obtained, and the (100) orientation rate was
(100) Orientation rate [%] = (100) Area of oriented crystal grain region/Area of total region x 100
Calculated by By performing such measurements on the first electro-mechanical conversion film and other electro-mechanical conversion films, the (100) orientation rate of each layer is determined.

上述したように、下部電極に最も近い電気-機械変換膜は、例えば図1(A)における1層目の電気-機械変換膜16aをいう。下部電極に最も近い電気-機械変換膜の(100)配向率が95%以上であることで、電気-機械変換膜全体の結晶配向を(100)結晶配向に制御しやすくなる。これにより、良好な結晶配向を有する電気-機械変換膜が得られ、高い変位特性が得られる電気-機械変換素子が提供される。 As described above, the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode is, for example, the first electro-mechanical conversion film 16a in FIG. 1(A). When the (100) orientation rate of the electro-mechanical transducer film closest to the lower electrode is 95% or more, the crystal orientation of the entire electro-mechanical transducer film can be easily controlled to the (100) crystal orientation. As a result, an electro-mechanical transducer film having good crystal orientation can be obtained, and an electro-mechanical transducer element with high displacement characteristics can be provided.

なお、下部電極に最も近い電気-機械変換膜を1層目の電気-機械変換膜と称して説明することがある。「1層目」とあるのは、下部電極に最も近い電気-機械変換膜であって、他の層を形成せずに電気-機械変換膜を連続して形成した層をいう。 Note that the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode is sometimes referred to as the first layer electro-mechanical conversion film. The term "first layer" refers to the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode, which is a layer in which the electro-mechanical conversion film is continuously formed without forming any other layer.

下部電極に最も近い電気-機械変換膜の(100)配向率を95%以上にするには、適宜変更することが可能であるが、例えば下部電極上にシードの役割を有する層を形成することが好ましい。特に、下部電極と、下部電極に最も近い電気-機械変換膜との間にPbTiOからなる層(PTシード層などとも称する)を形成し、該PbTiOからなる層を下部電極に最も近い電気-機械変換膜と接して形成することが好ましい。この場合、PTシード層上に形成された電気-機械変換膜の(100)配向率をより高めることができる。特に、下部電極としてPtを用いた場合に、下部電極層上にPTシード層を設けることで、電気-機械変換膜の(100)配向率をより高めることができる。また、PTシード層は、下部電極としてTiOと、さらにその上にPtとを積層させた構成を用いた場合においても特に有効である。 In order to make the (100) orientation rate of the electro-mechanical transducer film closest to the lower electrode 95% or more, it is possible to change it as appropriate, but for example, it is possible to form a layer having the role of a seed on the lower electrode. is preferred. In particular, a layer made of PbTiO 3 (also referred to as a PT seed layer) is formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode, and the layer made of PbTiO 3 is - It is preferable to form it in contact with the mechanical conversion film. In this case, the (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film formed on the PT seed layer can be further increased. In particular, when Pt is used as the lower electrode, the (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film can be further increased by providing a PT seed layer on the lower electrode layer. Further, the PT seed layer is particularly effective even when using a structure in which TiO 2 is laminated as the lower electrode and Pt is further laminated thereon.

電気-機械変換膜の全体の(100)配向率としては、各層の(100)配向率を用いて求められる(100)配向率の平均値が75%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることが更に好ましく、99%以上であることが特に好ましい。75%以上、特に90%以上である場合、良好な圧電歪が得られ、変位量を確保しやすくなる。また、チップ内での結晶配向のバラつきを抑え、ヘッド化した場合においても吐出のバラつきを抑えることができる。 As for the overall (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film, it is preferable that the average value of the (100) orientation rate determined using the (100) orientation rate of each layer is 75% or more, and 90% or more. It is more preferably at least 95%, even more preferably at least 99%. When it is 75% or more, particularly 90% or more, good piezoelectric strain can be obtained and the amount of displacement can be easily secured. Further, variations in crystal orientation within the chip can be suppressed, and variations in ejection can also be suppressed when a head is formed.

内部電極膜としては、例えば、Pt、SrRuO、PbTiO等を用いることができる。中でも、SrRuOを用いることが好ましい。また、下部電極側から順にSrRuOとPtを積層して内部電極膜とすることも好ましい。この場合、上に積層される電気-機械変換膜の(100)配向率をより高めることができる。
なお、下部電極側から順にSrRuOとPtを積層した場合を「SrRuO/Pt」と表記することもある。
As the internal electrode film, for example, Pt, SrRuO, PbTiO 3 or the like can be used. Among these, it is preferable to use SrRuO. It is also preferable to form an internal electrode film by laminating SrRuO and Pt in order from the lower electrode side. In this case, the (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film laminated thereon can be further increased.
Note that the case where SrRuO and Pt are laminated in order from the lower electrode side is sometimes expressed as "SrRuO/Pt".

内部電極膜としてPZTと格子定数の差が非常に小さいSrRuO(もしくはSrRuO/Pt)を用いることにより、SrRuOが(100)配向することで、本来Ptは(111)優先配向であるが、その上に作製したPtを(100)結晶配向させることができる。このため、内部電極膜上に形成される電気-機械変換膜も結晶情報を引き継いで、(100)配向率をより高めることができる。 By using SrRuO (or SrRuO/Pt), which has a very small difference in lattice constant from PZT, as the internal electrode film, SrRuO becomes (100) oriented, and Pt originally has a (111) preferential orientation, but It is possible to make Pt prepared in a (100) crystal orientation. Therefore, the electro-mechanical conversion film formed on the internal electrode film also inherits the crystal information, making it possible to further increase the (100) orientation rate.

なお、PbTiOについても同様のことがいえ、PtとPZTの格子定数の差が若干大きいため、間にSrRuOやPbTiOを設けた方が下地の結晶情報が引き継がれやすくなる。格子定数としては、PZT<PbTiO、SrRuO<Ptのようになる。 Note that the same can be said for PbTiO 3 , and since the difference in lattice constant between Pt and PZT is slightly large, providing SrRuO or PbTiO 3 in between makes it easier for the underlying crystal information to be carried over. The lattice constants are as follows: PZT<PbTiO 3 and SrRuO<Pt.

上述した図2では、1層目の電気-機械変換膜の配向率と、Totalでの電気-機械変換膜の配向率との関係において、内部電極膜の材料を変更してプロットしている。図示されるように、内部電極層の材料によっても傾向が異なり、内部電極膜をPt単層とした場合よりも、SrRuO/Ptとした場合の方がTotalでの電気-機械変換膜の(100)配向率が高くなっている。 In FIG. 2 described above, the relationship between the orientation ratio of the first-layer electro-mechanical conversion film and the total orientation ratio of the electro-mechanical conversion film is plotted by changing the material of the internal electrode film. As shown in the figure, the tendency differs depending on the material of the internal electrode layer, and the total electromechanical conversion film (100 ) The orientation rate is high.

内部電極膜の1層分の膜厚としては、10nm~200nmが好ましく、20nm~100nmがより好ましい。 The thickness of one layer of the internal electrode film is preferably 10 nm to 200 nm, more preferably 20 nm to 100 nm.

このように、内部電極膜の構成を適宜変更することが好ましく、1層目の電気-機械変換膜の(100)配向率や電気-機械変換膜の全体の(100)配向率を向上させることができる。 In this way, it is preferable to change the structure of the internal electrode film as appropriate, and improve the (100) orientation ratio of the first layer electro-mechanical conversion film and the overall (100) orientation ratio of the electro-mechanical conversion film. Can be done.

本実施形態では、内部電極膜上にシード層が形成されていることが好ましい。シード層としては、SrRuO、PbTiO等を用いることができる。シード層を用いることにより、上に形成される電気-機械変換膜の(100)配向をより制御しやすくなる。 In this embodiment, it is preferable that a seed layer is formed on the internal electrode film. As the seed layer, SrRuO, PbTiO 3 or the like can be used. By using the seed layer, it becomes easier to control the (100) orientation of the electro-mechanical conversion film formed thereon.

図4に、シード層を形成した場合の一例における断面模式図を示す。図示されるように、本実施形態では内部電極膜18が複数形成されるため、シード層22も複数形成されていてもよい。 FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an example in which a seed layer is formed. As illustrated, since a plurality of internal electrode films 18 are formed in this embodiment, a plurality of seed layers 22 may also be formed.

また、上述した図2では、1層目の電気-機械変換膜の配向率と、Totalでの電気-機械変換膜の配向率との関係において、シード層の有無や種類を変更してプロットしている。図示されるように、シード層の有無や材料によっても傾向が異なり、シード層を形成した場合、Totalでの電気-機械変換膜の(100)配向率が高くなっている。例えば、SrRuO/Pt(シード層なし)とSrRuO/Pt/SrRuO(シード層あり)とを比べると、シード層を形成したSrRuO/Pt/SrRuOの方がTotalでの電気-機械変換膜の(100)配向率が高くなっている。 In addition, in FIG. 2 described above, the relationship between the orientation rate of the first layer electro-mechanical conversion film and the total orientation rate of the electro-mechanical conversion film is plotted by changing the presence or absence and type of the seed layer. ing. As shown in the figure, the tendency differs depending on the presence or absence of the seed layer and the material, and when the seed layer is formed, the total (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film is high. For example, when comparing SrRuO/Pt (without seed layer) and SrRuO/Pt/SrRuO (with seed layer), SrRuO/Pt/SrRuO with a seed layer has a total electromechanical conversion film (100 ) The orientation rate is high.

ここで示される例では、シード層としてSrRuOを用いた場合とPbTiOを用いた場合とで、Totalでの電気-機械変換膜の(100)配向率が異なっている。そのため、シード層の種類についても適宜選択することが好ましい。 In the example shown here, the total (100) orientation ratio of the electro-mechanical conversion film is different depending on whether SrRuO is used as the seed layer or PbTiO 3 is used as the seed layer. Therefore, it is preferable to appropriately select the type of seed layer.

なお、例えば「SrRuO/Pt/PbTiO」とあるのは、下部電極側から内部電極膜としてSrRuOとPtを積層し、さらにその上にシード層としてPbTiOを積層した構成を意味する。 Note that, for example, "SrRuO/Pt/PbTiO 3 " means a structure in which SrRuO and Pt are laminated as an internal electrode film from the lower electrode side, and PbTiO 3 is further laminated thereon as a seed layer.

シード層の1層分の膜厚としては、1nm~20nmが好ましく、3nm~10nmがより好ましい。 The thickness of one seed layer is preferably 1 nm to 20 nm, more preferably 3 nm to 10 nm.

本実施形態において、上部電極に最も近い電気-機械変換膜の(100)配向率が95%以上であることが好ましい。この場合、電気-機械変換膜の全体の(100)配向率が大きく、良好な圧電歪が得られ、変位量を確保しやすくなる。 In this embodiment, it is preferable that the (100) orientation rate of the electro-mechanical conversion film closest to the upper electrode is 95% or more. In this case, the overall (100) orientation ratio of the electro-mechanical transducer film is large, good piezoelectric strain can be obtained, and the amount of displacement can be easily ensured.

<上部電極>
上部電極としては、例えば、Pt、SrRuO、LaNiO等を用いることができる。中でも、下層側から順に、SrRuOとPtを積層させる構成やLaNiOとPtを積層させる構成など、酸化物電極層とPtからなる層とを積層させる構成が好ましい。Pt自体の密着性が低いために、間に酸化物電極層を加えることで密着力向上を図るとともに、PZTの酸素欠損による連続駆動耐久時の性能低下を抑制する機能も併せて持たせることができる。
<Top electrode>
As the upper electrode, for example, Pt, SrRuO, LaNiO 3 or the like can be used. Among these, preferred is a configuration in which an oxide electrode layer and a layer made of Pt are laminated in order from the bottom layer, such as a configuration in which SrRuO and Pt are laminated or a configuration in which LaNiO 3 and Pt are laminated. Since the adhesion of Pt itself is low, it is necessary to add an oxide electrode layer in between to improve the adhesion and to also have the function of suppressing the performance deterioration during continuous operation due to oxygen vacancies in PZT. can.

上部電極の膜厚としては、10nm~200nmが好ましく、20nm~100nmがより好ましい。 The thickness of the upper electrode is preferably 10 nm to 200 nm, more preferably 20 nm to 100 nm.

<他の構成例>
次に、本実施形態の電気-機械変換素子における他の構成例について、配線、層間膜等とあわせて説明する。本例について図5を用いて説明する。図5は図1と同様に、電気-機械変換素子の断面模式図を示すものである。
<Other configuration examples>
Next, other configuration examples of the electro-mechanical transducer of this embodiment will be described together with wiring, interlayer films, and the like. This example will be explained using FIG. 5. Similar to FIG. 1, FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of the electro-mechanical conversion element.

電気-機械変換膜及び内部電極膜は、例えば図5に示すように、各層を比較したときに下部電極側から上部電極側にかけて徐々に面積が小さくなっていてもよい。これにより、下部電極、内部電極膜、上部電極から引き出した配線を形成しやすくなる。 The area of the electro-mechanical conversion film and the internal electrode film may gradually decrease from the lower electrode side to the upper electrode side when comparing each layer, as shown in FIG. 5, for example. This makes it easier to form wiring drawn out from the lower electrode, internal electrode film, and upper electrode.

徐々に面積が小さくなるように形成する方法としては、適宜変更することが可能であるが、例えば、上部電極まで作製した後、上部電極からエッチングを行うことにより、図に示すような形状を作製することができる。この場合、その後、層間膜を作製した後のコンタクトホールを一度のエッチングで作製することができるためプロセスとしても簡略化できる。 The method of forming the area so that it gradually decreases can be changed as appropriate, but for example, after fabricating up to the upper electrode, etching is performed from the upper electrode to produce the shape shown in the figure. can do. In this case, the contact hole after the interlayer film has been formed can be formed by a single etching process, thereby simplifying the process.

本例において、配線を形成した場合の例を図6、図7に示す。図6は、図5において配線を形成した場合の断面図であり、図7は、図6における平面模式図である。図6及び図7には、下部電極14から引き出した配線26a、内部電極膜18から引き出した配線26b、上部電極20から引き出した配線26cが図示されており、また図6では第1の層間膜32が図示されている。 In this example, examples in which wiring is formed are shown in FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a cross-sectional view when wiring is formed in FIG. 5, and FIG. 7 is a schematic plan view in FIG. 6. 6 and 7 show a wiring 26a drawn out from the lower electrode 14, a wiring 26b drawn out from the internal electrode film 18, and a wiring 26c drawn out from the upper electrode 20, and in FIG. 32 is shown.

符号28a’、28b’、28c’は配線におけるコンタクトホール部に対応する箇所を示す。符号28a’、28b’、28c’はそれぞれ配線26a、26b、26cに対応している。 Reference numerals 28a', 28b', and 28c' indicate locations corresponding to contact hole portions in the wiring. Symbols 28a', 28b', and 28c' correspond to wirings 26a, 26b, and 26c, respectively.

なお、図6及び図7では、2つの内部電極膜18(内部電極膜18a、内部電極膜18b)が例として示されており、それぞれ配線が形成されているが、一方の配線のみに符号(26b)を付け、他方の配線には符号を省略している。 In addition, in FIGS. 6 and 7, two internal electrode films 18 (internal electrode film 18a, internal electrode film 18b) are shown as an example, and wiring is formed on each, but only one of the wirings is marked with a symbol ( 26b), and the reference numeral is omitted for the other wiring.

このように、下部電極14側から上部電極20側にかけて電気-機械変換膜16及び内部電極膜18の面積が徐々に小さくなっていることにより、下部電極、内部電極膜、上部電極から引き出した配線26a、26b、26cを形成しやすくなる。 In this way, the area of the electro-mechanical conversion film 16 and internal electrode film 18 gradually decreases from the lower electrode 14 side to the upper electrode 20 side, so that the wiring drawn out from the lower electrode, internal electrode film, and upper electrode It becomes easier to form 26a, 26b, and 26c.

図7において、電気-機械変換膜は積層方向と垂直な方向(方向)に長手方向と短手方向を有していることが図示されている(内部電極膜も同様)。ここで示される例では、配線26a、26b、26cは、長手方向に沿った左右のうちの一方に引き出されている。
In FIG. 7, it is shown that the electro-mechanical conversion film has a longitudinal direction and a transverse direction in a direction ( plane direction) perpendicular to the stacking direction (the same applies to the internal electrode film). In the example shown here, the wirings 26a, 26b, and 26c are drawn out to either the left or right along the longitudinal direction.

また、図示されるように、下部電極14から引き出した配線26a、内部電極膜18から引き出した配線26b及び上部電極20から引き出した配線26cの一部が同一平面上に存在している。ここでは、第1の層間膜32上に形成されている。これにより、配線レイアウトの簡略化や短絡の防止などの利点が得られる。 Further, as shown in the figure, a portion of the wiring 26a drawn out from the lower electrode 14, the wiring 26b drawn out from the internal electrode film 18, and the wiring 26c drawn out from the upper electrode 20 exist on the same plane. Here, it is formed on the first interlayer film 32. This provides advantages such as simplifying the wiring layout and preventing short circuits.

配線としては、例えばAg合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかからなる金属電極材料であることが好ましい。作製方法としては、例えばスパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
配線の厚みとしては、0.1~20μmが好ましく、0.2~10μmがさらに好ましい。0.1μm以上にすることで、抵抗が大きくなり過ぎることを防止し、電極に十分な電流を流しやすくなる。これによりヘッドの吐出安定性を向上させることができる。20μm以下にすることで、プロセス時間が長くなり過ぎることを防止できる。
The wiring is preferably made of a metal electrode material made of, for example, Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, or Ir. As a manufacturing method, for example, a sputtering method or a spin coating method is used for manufacturing, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
The thickness of the wiring is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm. Setting the thickness to 0.1 μm or more prevents the resistance from becoming too large and makes it easier to flow a sufficient current through the electrode. Thereby, the ejection stability of the head can be improved. By setting the thickness to 20 μm or less, it is possible to prevent the process time from becoming too long.

コンタクトホール部(例えば10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極としては10Ω以下が好ましく、個別電極、内部電極膜としては1Ω以下が好ましい。さらに好ましくは、共通電極としては5Ω以下がより好ましく、個別電極、内部電極層としては0.5Ω以下がより好ましい。上記の範囲である場合、十分な電流を供給でき、インク吐出をする際の不具合を防止しやすくなる。
なお、本実施形態においては、上部電極を個別電極、下部電極を共通電極としてもよいし、上部電極を共通電極、下部電極を個別電極としてもよい(後述の図11参照)。
The contact resistance at the contact hole portion (for example, 10 μm x 10 μm) is preferably 10 Ω or less for the common electrode, and 1 Ω or less for the individual electrodes and internal electrode films. More preferably, the common electrode is more preferably 5Ω or less, and the individual electrodes and internal electrode layers are more preferably 0.5Ω or less. When the current is within the above range, sufficient current can be supplied, making it easier to prevent problems when ejecting ink.
In this embodiment, the upper electrode may be an individual electrode and the lower electrode may be a common electrode, or the upper electrode may be a common electrode and the lower electrode may be an individual electrode (see FIG. 11 described below).

第1の層間膜(第1の絶縁膜とも称する)は、成膜・エッチングの工程による電気-機械変換素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しにくい材料を選定することが好ましく、緻密な無機材料であることが好ましい。有機材料では十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要がある。厚い膜とした場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低いインクジェットヘッドになってしまうことがある。 The first interlayer film (also referred to as the first insulating film) is preferably made of a material that prevents damage to the electro-mechanical transducer due to film formation and etching processes, and that is difficult for atmospheric moisture to pass through. , is preferably a dense inorganic material. With organic materials, it is necessary to increase the film thickness in order to obtain sufficient protection performance. If the film is thick, the vibration displacement of the diaphragm will be significantly inhibited, resulting in an inkjet head with poor ejection performance.

薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いるのが好ましい。このとき、第1の層間膜の下地となる、電極の材料、電気-機械変換膜の材料、振動板の材料と密着性が高い材料を選定することが好ましい。 In order to obtain high protective performance with a thin film, it is preferable to use an oxide, nitride, or carbide film. At this time, it is preferable to select a material that has high adhesion to the electrode material, the electro-mechanical conversion film material, and the diaphragm material, which are the base of the first interlayer film.

また、成膜法も電気-機械変換素子を損傷しない成膜方法を選定することが好ましい。反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は、損傷が生じる可能性があり、留意する。好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD(Atomic Layer Deposition)法などが例示でき、使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。 Furthermore, it is preferable to select a film forming method that does not damage the electro-mechanical transducer. The plasma CVD method, in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, and the sputtering method, in which a film is formed by colliding plasma with a target material to form a film, may cause damage, so care should be taken. Preferred film-forming methods include vapor deposition, ALD (Atomic Layer Deposition), and the like, with ALD being preferred because it allows for a wide selection of usable materials.

第1の層間膜の好ましい材料としては、例えばAl、ZrO、Y、Ta、TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜が挙げられる。特にこれらの材料とALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制することができる。 Preferred materials for the first interlayer film include, for example, oxide films used in ceramic materials such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , and TiO 2 . In particular, by using these materials and the ALD method, a thin film with extremely high film density can be produced and damage during the process can be suppressed.

第1の層間膜の膜厚は、電気-機械変換素子の保護性能を確保できる十分な薄膜とすることが好ましく、振動板の変位を阻害しないように可能な限り薄くすることが好ましい。例えば膜厚としては20nm~100nmが好ましい。20nm以上の場合、保護層としての機能を確保することができ、電気-機械変換素子の性能が低下することを防止できる。100nm以下の場合、振動板の変位が低下することを防止でき、吐出効率を向上させることができる。 The thickness of the first interlayer film is preferably thin enough to ensure the protection performance of the electro-mechanical conversion element, and preferably as thin as possible so as not to inhibit the displacement of the diaphragm. For example, the film thickness is preferably 20 nm to 100 nm. When the thickness is 20 nm or more, the function as a protective layer can be ensured, and the performance of the electro-mechanical conversion element can be prevented from deteriorating. When the thickness is 100 nm or less, it is possible to prevent the displacement of the diaphragm from decreasing and improve the ejection efficiency.

素子作製のプロセスにおいては、第1の層間膜を作製した後のコンタクトホールを一度のエッチングで作製することができるため、プロセスの簡略化を図ることができる。その後、配線を層間膜上に作製する。 In the process of manufacturing the element, the contact hole can be created by one etching after the first interlayer film is created, so the process can be simplified. After that, wiring is produced on the interlayer film.

本実施形態においては、第2の層間膜(第2の絶縁膜とも称する)を形成するようにしてもよい。本例を説明するための図を図8に示す。図8は、図6において第2の層間膜34が形成された場合の例である。また、ここではコンタクトホール28a、28b、28cが図示されている。 In this embodiment, a second interlayer film (also referred to as a second insulating film) may be formed. A diagram for explaining this example is shown in FIG. FIG. 8 shows an example in which the second interlayer film 34 is formed in FIG. 6. Also shown here are contact holes 28a, 28b, and 28c.

なお、電気-機械変換素子上とその周囲の振動板上の第2の層間膜を開口させてもよい。この場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうことを防止し、吐出効率や信頼性を向上させることができる。 Note that the second interlayer film on the electro-mechanical transducer and the diaphragm around it may be opened. In this case, it is possible to prevent the vibration displacement of the diaphragm from being significantly inhibited, and to improve discharge efficiency and reliability.

第2の層間膜は、例えば下部電極の配線や上部電極の配線を保護する保護層の機能を有するパシベーション層として用いることができる。図示されるように、配線部分を除き、電極を被覆する。第2の層間膜を用いることにより、例えば電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。 The second interlayer film can be used, for example, as a passivation layer that functions as a protective layer that protects the wiring of the lower electrode and the wiring of the upper electrode. As shown in the figure, the electrodes are covered except for the wiring portions. By using the second interlayer film, for example, inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material.

第2の層間膜としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とすることが好ましい。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、パターニングに適さないことがある。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましく、特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。 Any inorganic or organic material can be used as the second interlayer film, but it is preferable to use a material with low moisture permeability. Examples of inorganic materials include oxides, nitrides, carbides, etc., and examples of organic materials include polyimide, acrylic resin, urethane resin, etc. In the case of organic materials, it is necessary to form a thick film, which may not be suitable for patterning. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function in a thin film, and it is particularly preferable to use Si 3 N 4 on Al wiring because it is a proven technology in semiconductor devices.

成膜は任意の手法を用いることができ、CVD法、スパッタリング法が例示でき、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。 Any method can be used for film formation, such as CVD and sputtering. Considering step coverage of pattern forming areas such as electrode forming areas, it is preferable to use CVD, which allows for isotropic film formation.

第2の層間膜の膜厚は、下部電極と上部電極の配線に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚にすることが好ましく、第2の層間膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定することが好ましい。また、第2の層間膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、膜厚は200nm以上が好ましく、500nm以上がより好ましい。200nm以上であることで、十分なパシベーション機能を発揮でき、配線材料の腐食による断線を防止し、インクジェットの信頼性が低下することを防止できる。 The thickness of the second interlayer film is preferably such that it does not cause dielectric breakdown due to the voltage applied to the wiring between the lower electrode and the upper electrode, and the electric field strength applied to the second interlayer film does not cause dielectric breakdown. It is preferable to set it within a range. Further, in consideration of the surface properties of the base of the second interlayer film, pinholes, etc., the film thickness is preferably 200 nm or more, more preferably 500 nm or more. When the thickness is 200 nm or more, a sufficient passivation function can be exhibited, and disconnection due to corrosion of the wiring material can be prevented, and reliability of inkjet can be prevented from decreasing.

次に、本実施形態における更に他の構成例について図9を用いて説明する。図9は、図7と同様に本実施形態における電気-機械変換素子の平面図を示す。
本例において、配線は、電気-機械変換膜(又は内部電極膜)の長手方向に沿った左右に引き出され、配線を下部電極側から上部電極側へ番号付けしたときに、奇数番号の配線は同じ方向に引き出され、偶数番号の配線は奇数番号の配線とは異なる方向に引き出されている。
Next, still another configuration example in this embodiment will be described using FIG. 9. Similar to FIG. 7, FIG. 9 shows a plan view of the electro-mechanical conversion element in this embodiment.
In this example, the wires are drawn out to the left and right along the longitudinal direction of the electro-mechanical conversion film (or internal electrode film), and when the wires are numbered from the lower electrode side to the upper electrode side, odd numbered wires are The even-numbered wires are pulled out in the same direction, and the even-numbered wires are pulled out in a different direction than the odd-numbered wires.

図9において、下部電極14から引き出した配線26a、内部電極膜18から引き出した配線26b(ここでは、26b1と26b2)、上部電極20から引き出した配線26cについて、番号付けを行う。図9に示される例では、配線26a、26b1、26b2、26cの番号をそれぞれ1、2、3、4としている。そして、奇数番目の配線1、3を同方向に引き出し、偶数番目の配線2、4を奇数番目の配線とは別の方向から引き出している。すなわち、下部電極から数えたときに、奇数番号n+1の配線と偶数番号2nの配線に分け、奇数番号の配線と偶数番号の配線を各々図9に示すように、途中を一つの配線にまとめている。 In FIG. 9, the wiring 26a drawn out from the lower electrode 14, the wiring 26b drawn out from the internal electrode film 18 (here, 26b1 and 26b2), and the wiring 26c drawn out from the upper electrode 20 are numbered. In the example shown in FIG. 9, the numbers of the wirings 26a, 26b1, 26b2, and 26c are 1, 2, 3, and 4, respectively. Then, the odd-numbered wirings 1 and 3 are drawn out in the same direction, and the even-numbered wirings 2 and 4 are drawn out in a different direction from the odd-numbered wirings. In other words, when counting from the lower electrode, the wires are divided into odd-numbered wires (n+1) and even-numbered wires (2n), and the odd-numbered wires and even-numbered wires are combined into one wire in the middle, as shown in FIG. There is.

このように、電気-機械変換膜の長手方向に沿った左右から配線を引き出す(引き回す)ことにより、配線レイアウトを簡略化することが可能となる。 In this way, by drawing out (routing) the wiring from the left and right along the longitudinal direction of the electro-mechanical conversion film, it is possible to simplify the wiring layout.

上記の例では、電気-機械変換膜及び内部電極膜の面積を徐々に小さくする例において、配線や層間膜を図示して説明したが、本発明においては、これに限られるものではない。すなわち、配線、第1の層間膜、第2の層間膜を形成する構成は、図5に示されるように、電気-機械変換膜及び内部電極膜の面積を徐々に小さくする場合に限られるものではなく、図1に示す構成にも適用可能である。 In the above example, wiring and interlayer films were illustrated and explained in an example in which the areas of the electro-mechanical conversion film and the internal electrode film were gradually reduced, but the present invention is not limited to this. In other words, the configuration in which the wiring, the first interlayer film, and the second interlayer film are formed is limited to the case where the areas of the electro-mechanical conversion film and the internal electrode film are gradually reduced, as shown in FIG. Instead, it is also applicable to the configuration shown in FIG.

(液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置)
次に、本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置について説明する。
(Liquid ejection head, liquid ejection unit, and device that ejects liquid)
Next, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, and a device for ejecting liquid according to the present invention will be described.

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧室と、該加圧室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備え、前記圧力発生手段として、本発明の電気-機械変換素子を用いている。 The liquid ejection head of the present invention includes a nozzle for ejecting liquid, a pressurizing chamber communicating with the nozzle, and a pressure generating means for generating pressure in the liquid in the pressurizing chamber. The electro-mechanical conversion element of the invention is used.

本発明の液体吐出ユニットは、本発明の液体吐出ヘッドを備えている。また、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ていてもよい。 The liquid ejection unit of the invention includes the liquid ejection head of the invention. Further, 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 recovery mechanism that maintains and recovers the liquid ejection head, The liquid ejection head may be integrated with at least one of the main scanning movement mechanisms that move the liquid ejection head in the main scanning direction.

本発明の液体を吐出する装置は、本発明の液体吐出ヘッド、又は、本発明の液体吐出ユニットを備えている。 A device for discharging a liquid according to the present invention includes a liquid discharge head according to the present invention or a liquid discharge unit according to the present invention.

まず、本発明の液体吐出ヘッドの一例を図10、図11に示す。図10では、ノズル11、ノズル11に連通する加圧室41、ノズル11を有するノズル板43が図示されている。また、図11は、図10に示す液体吐出ヘッドが連なった場合の例である。なお、本実施形態においては、図11(A)のように、上部電極20を個別電極、下部電極14を共通電極としてもよいし、図11(B)のように、上部電極20を共通電極、下部電極14を個別電極としてもよい。 First, an example of the liquid ejection head of the present invention is shown in FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows a nozzle 11, a pressurizing chamber 41 communicating with the nozzle 11, and a nozzle plate 43 having the nozzle 11. Further, FIG. 11 is an example in which the liquid ejection heads shown in FIG. 10 are connected. In this embodiment, the upper electrode 20 may be an individual electrode and the lower electrode 14 may be a common electrode as shown in FIG. 11(A), or the upper electrode 20 may be a common electrode as shown in FIG. 11(B). , the lower electrode 14 may be an individual electrode.

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12及び図13を参照して説明する。図12は同装置の要部平面説明図、図13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. 12 and 13. FIG. 12 is a plan view of the main part of the device, and FIG. 13 is a side view of the main part of the device.

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。 This 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14を参照して説明する。図14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. 14. FIG. 14 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15を参照して説明する。図15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. 15. FIG. 15 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13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, there is a liquid ejection unit in which a liquid ejection head and a head tank are integrated, such as a liquid ejection unit 440 shown in FIG. 13. 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14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. Furthermore, as shown in FIG. 14, 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15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. 15, 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.

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載した液体を吐出する装置の一例について図16及び図17を参照して説明する。なお、図16は同記録装置の斜視説明図、図17は同記録装置の機構部の側面説明図である。 Next, an example of a liquid ejecting device equipped with a liquid ejecting head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 16 and 17. 16 is a perspective view of the recording apparatus, and FIG. 17 is a side view of the mechanism of the recording apparatus.

ここでは、液体を吐出する装置としてインクジェット記録装置の例を挙げて説明する。このインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部82等を収納している。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(あるいは給紙トレイでもよい)84を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84あるいは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。 Here, an example of an inkjet recording apparatus will be described as an apparatus for ejecting liquid. This inkjet recording device includes a carriage that is movable in the main scanning direction inside a recording device main body 81, a recording head that is an inkjet head that implements the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge that supplies ink to the recording head, and the like. It houses the printing mechanism section 82 and the like. A paper feed cassette (or paper feed tray may be used) 84 that can load a large number of sheets of paper 83 from the front side can be detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. Moreover, the manual feed tray 85 for manually feeding paper 83 can be opened and folded, and the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 can be taken in, and the desired image can be printed by the printing mechanism section 82. After recording, the paper is ejected to a paper ejection tray 86 mounted on the rear side.

印字機構部82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を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ93にはイエロー(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インクジェットヘッドからなるヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。 The printing mechanism section 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a subordinate guide rod 92, which are guide members that are horizontally suspended between left and right side plates. This carriage 93 is equipped with a head 94 consisting of an inkjet head that ejects ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). They are arranged in a direction that intersects with the direction of the ink droplets, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward.

また、キャリッジ93にはヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。 Further, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the head 94 is replaceably mounted on the carriage 93. The ink cartridge 95 has an air port communicating with the atmosphere at the top, a supply port for supplying ink to the inkjet head at the bottom, and a porous body filled with ink inside, and the capillary force of the porous body This maintains the ink supplied to the inkjet head at a slight negative pressure. Further, although heads 94 of each color are used as recording heads here, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of each color may be used.

ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ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 driving pulley 98 and a driven pulley 99 which are rotationally driven by a main scanning motor 97. The carriage 93 is driven back and forth by the forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。 On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94, a paper feed roller 101 and a friction pad 102, which separate and feed the paper 83 from the paper feed cassette 84, and a friction pad 102 are used to guide the paper 83. A guide member 103, a conveyance roller 104 that reverses and conveys the fed paper 83, a conveyance roller 105 that is pressed against the circumferential surface of the conveyance roller 104, and a tip that defines the feeding angle of the paper 83 from the conveyance roller 104. A roller 106 is provided. 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を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。 An impression receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent out from the conveyance roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. On the downstream side of the print receiving member 109 in the paper transport direction, a transport roller 111 and a spur 112 which are rotatably driven to send out the paper 83 in the paper ejection direction are provided, and a paper ejection roller 112 is provided to send out the paper 83 to the paper ejection tray 86. A roller 113, a spur 114, and guide members 115 and 116 forming a paper ejection path are provided.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙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を排紙する。 During recording, by driving the recording head 94 according to the image signal while moving the carriage 93, ink is ejected onto the stationary paper 83 to record one line, and after conveying the paper 83 a predetermined amount, the next Record the line. 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を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。 Further, a recovery device 117 for recovering from an 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. The recovery device 117 has a cap means, a suction means, and a cleaning means. During printing standby, the carriage 93 is moved to the recovery device 117 side, and the head 94 is capped by a capping means to keep the ejection opening in a moist state to prevent ejection failure due to ink drying. Furthermore, by ejecting ink unrelated to printing during printing, the ink viscosity of all ejection ports is made constant, and stable ejection performance is maintained.

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

このように、本発明の液体吐出ヘッド、液体を吐出する装置は本発明の電気-機械変換素子を備えているので、圧電特性や絶縁耐圧が良好で故障の発生が少ない。また、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良を防止し、変位の変動も抑制できるため、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質が向上する。 As described above, since the liquid ejection head and the device for ejecting liquid of the present invention are equipped with the electro-mechanical conversion element of the present invention, the piezoelectric characteristics and dielectric strength are good, and failures are less likely to occur. In addition, it is possible to prevent ink droplet ejection failure due to poor driving of the diaphragm and to suppress fluctuations in displacement, resulting in stable ink droplet ejection characteristics and improved image quality.

以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
基板としての6インチシリコンウェハ上に、振動板としてSiO膜(膜厚約2.5μm)を形成した。このSiO膜上に、スパッタ法により350℃でTi膜(膜厚約20nm)成膜し、RTA(急速熱処理)により750℃で熱酸化した。引き続き、下部電極としてPt膜(膜厚約160nm)をスパッタ法により約300℃で成膜した。なお、Ti膜を熱酸化したTiO膜は、SiO膜とPt膜との間の密着層としての役割を持つ。
(Example 1)
A SiO 2 film (film thickness: about 2.5 μm) was formed as a diaphragm on a 6-inch silicon wafer as a substrate. A Ti film (approximately 20 nm thick) was formed on this SiO 2 film at 350° C. by sputtering, and thermally oxidized at 750° C. by RTA (rapid thermal treatment). Subsequently, a Pt film (about 160 nm thick) was formed as a lower electrode by sputtering at about 300°C. Note that the TiO 2 film obtained by thermally oxidizing the Ti film serves as an adhesion layer between the SiO 2 film and the Pt film.

次いで、Pt膜上にPbTiO層(PTシード層とも称する)を形成するため、Pb:Ti=1:1に調整した溶液を準備した。準備した溶液(以下のPT塗布液)を用いて、6nmのPTシード層を形成した。PTシード層はシードとしての役割を持つ。 Next, in order to form a PbTiO 3 layer (also referred to as a PT seed layer) on the Pt film, a solution adjusted to Pb:Ti=1:1 was prepared. A 6 nm PT seed layer was formed using the prepared solution (PT coating solution below). The PT seed layer has a role as a seed.

次いで、電気-機械変換膜(PZT膜)を形成する。
PZT膜の材料としてPb:Zr:Ti=115:49:51の組成比で調合したPZT前駆体塗布液を準備した。具体的なPZT前駆体塗布液の合成は次のように行った。まず、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することで、PZT前駆体塗布液を合成した。このPZT濃度は0.5mol/lにした。
Next, an electro-mechanical conversion film (PZT film) is formed.
A PZT precursor coating liquid prepared at a composition ratio of Pb:Zr:Ti=115:49:51 was prepared as a material for the PZT film. A specific PZT precursor coating solution was synthesized as follows. First, lead acetate trihydrate, 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 coating liquid was synthesized by dissolving isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with the above methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved. . This PZT concentration was set to 0.5 mol/l.

なお、PT層を形成するためのPT塗布液に関してもPZT前駆体塗布液と同様に合成した。PT塗布液はイソプロポキシドジルコニウムを用いずに合成している。 Note that the PT coating liquid for forming the PT layer was also synthesized in the same manner as the PZT precursor coating liquid. The PT coating liquid is synthesized without using zirconium isopropoxide.

これらの塗布液を用いて、最初にPTシード層をスピンコートにより成膜し、その後、ホットプレートにより120℃で乾燥を行った。
次いで、PZT前駆体塗布液をスピンコートにより成膜し、120℃で乾燥した後、380℃で熱分解を行った。なお、熱分解は仮焼とも称する。更に塗布、乾燥、仮焼を繰り返し、PZT膜を合計で3層形成した。3層目の熱分解処理の後に、結晶化のための熱処理(温度730℃)をRTA(急速熱処理)にて行った。この結晶化の熱処理が終わったときのPZT膜の膜厚は240nmであった。このPZT前駆体溶液の塗布、乾燥、熱分解及び結晶化の熱処理の工程を合計4回実施し、約1μmの膜厚のPZT膜を得た。すなわち、結晶化の熱処理までにPZT膜は3層であり、4回で合計12層形成している。
Using these coating solutions, a PT seed layer was first formed by spin coating, and then dried at 120° C. using a hot plate.
Next, a PZT precursor coating liquid was formed into a film by spin coating, dried at 120°C, and then thermally decomposed at 380°C. Note that thermal decomposition is also referred to as calcination. Furthermore, coating, drying, and calcination were repeated to form a total of three layers of PZT film. After the thermal decomposition treatment of the third layer, heat treatment (temperature 730° C.) for crystallization was performed by RTA (rapid thermal treatment). The thickness of the PZT film when this heat treatment for crystallization was completed was 240 nm. The heat treatment steps of applying this PZT precursor solution, drying, thermal decomposition, and crystallization were performed a total of four times to obtain a PZT film with a thickness of about 1 μm. That is, the PZT film had three layers before the crystallization heat treatment, and a total of 12 layers were formed in four times.

次いで、内部電極膜としてSrRuO膜(膜厚40nm)と、更にその上にPt膜(膜厚125nm)をスパッタ成膜した。次いで、シード層としてSrRuO膜(膜厚20nm)を作製した。 Next, a SrRuO film (40 nm thick) was formed as an internal electrode film, and a Pt film (125 nm thick) was further formed thereon by sputtering. Next, a SrRuO film (thickness: 20 nm) was formed as a seed layer.

次に、上記と同様にして、約1μmの膜厚のPZT膜の形成と、内部電極膜及びシード層の形成を行い、更に約1μmの膜厚のPZT膜を形成した。従ってPZT膜のTotal膜厚としては約3μmとなる。 Next, in the same manner as above, a PZT film with a thickness of about 1 μm was formed, an internal electrode film and a seed layer were formed, and a PZT film with a thickness of about 1 μm was further formed. Therefore, the total thickness of the PZT film is approximately 3 μm.

次に、PZT膜上に上部電極としてSrRuO膜(膜厚40nm)と、更にその上にPt膜(膜厚125nm)をスパッタ成膜した。 Next, a SrRuO film (40 nm thick) was formed as an upper electrode on the PZT film, and a Pt film (125 nm thick) was further formed thereon by sputtering.

その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて図5に示すようなパターンを作製した。
次に、第1の層間膜として、ALD工法を用いてAl膜を50nm成膜した。このとき原材料として、AlについてはTMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたOを用い、交互に積層させることで成膜を進めた。
その後、図8に示すように、エッチングによりコンタクトホール部を形成する。
次いで、図9に示すように、配線電極としてAlをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成し、第2の層間膜としてSiをプラズマCVDにより500nm成膜した。このようにして、本実施例の電気-機械変換素子を作製した。
After that, 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 FIG. 5 was formed using an ICP etching device (manufactured by Samco). Created.
Next, as a first interlayer film, an Al 2 O 3 film was formed to a thickness of 50 nm using the ALD method. At this time, as raw materials, TMA (Sigma-Aldrich) was used for Al and O 3 generated by an ozone generator was used for O, and film formation was proceeded by alternately stacking them.
Thereafter, as shown in FIG. 8, a contact hole portion is formed by etching.
Next, as shown in FIG. 9, an Al film was formed by sputtering as a wiring electrode, patterned by etching, and a 500 nm thick film of Si 3 N 4 was formed as a second interlayer film by plasma CVD. In this manner, the electro-mechanical transducer of this example was produced.

(実施例2~5、比較例1)
実施例2、3はシード層を表1に示すように変更した。
実施例4はシード層を表1に示すように変更し、更に下部電極上のPbTiO層(PTシード層)の膜厚を6nmから3nmに変更した。
実施例5は内部電極膜及びシード層を表1に示すように変更した。
比較例1は表1に示すように、内部電極膜を設けず、PZT膜を約3μm形成した。
上記実施例及び比較例の構成を下記表1に示す。
(Examples 2 to 5, Comparative Example 1)
In Examples 2 and 3, the seed layer was changed as shown in Table 1.
In Example 4, the seed layer was changed as shown in Table 1, and the thickness of the PbTiO 3 layer (PT seed layer) on the lower electrode was changed from 6 nm to 3 nm.
In Example 5, the internal electrode film and seed layer were changed as shown in Table 1.
As shown in Table 1, in Comparative Example 1, no internal electrode film was provided, and a PZT film was formed with a thickness of about 3 μm.
The configurations of the above examples and comparative examples are shown in Table 1 below.

(測定及び評価)
<(100)配向率>
得られた電気-機械変換素子の断面を形成し、各電気-機械変換膜に対してEBSD法を用いて後方散乱電子回折を解析することで結晶粒ごとに方位解析を実施した。これにより(100)配向の領域や(100)配向以外の領域を有する画像を得て、
(100)配向率[%]=(100)配向している結晶粒領域の面積/全領域の面積×100
により(100)配向率を算出した。なお、全領域の面積は各電気-機械変換膜に対して測定したときの測定領域の面積である。
(Measurement and evaluation)
<(100) orientation rate>
A cross section of the obtained electro-mechanical transducer was formed, and orientation analysis was performed for each crystal grain by analyzing the backscattered electron diffraction of each electro-mechanical transducer film using the EBSD method. As a result, an image having regions with (100) orientation and regions other than (100) orientation is obtained,
(100) Orientation rate [%] = (100) Area of oriented crystal grain region/Area of total region x 100
The (100) orientation rate was calculated. Note that the area of the total area is the area of the measurement area when measuring each electro-mechanical conversion film.

<変位量>
作製した電気-機械変換素子を用いて変位特性の評価を行った。変位評価については、図10に示すように、基板裏面側から掘加工(短手方向の幅:60μm、長手方向の幅900μm)を行い、振動評価を実施している。図9に示すように、配線として奇数番号となるものを基準に、偶数番号となるものに30V印加し、そのときの変形量をレーザードップラー振動計で計測することにより変位量を求めた。結果を表1に示す。
<Displacement amount>
Displacement characteristics were evaluated using the fabricated electro-mechanical transducer. Regarding the displacement evaluation, as shown in FIG. 10, digging was performed from the back side of the substrate (width in the transverse direction: 60 μm, width in the longitudinal direction: 900 μm), and vibration evaluation was performed. As shown in FIG. 9, the amount of displacement was determined by applying 30V to the even numbered wires with the odd numbered wires as a reference, and measuring the amount of deformation at that time with a laser Doppler vibrometer. The results are shown in Table 1.

<吐出評価>
実施例1~5で作製した電気-機械変換素子を用いて、図11(A)の液体吐出ヘッドを作製し、液体の吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により-10~-30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出できていることを確認した。
<Discharge evaluation>
A liquid ejection head shown in FIG. 11(A) was manufactured using the electro-mechanical transducer elements manufactured in Examples 1 to 5, and liquid ejection was evaluated. Using ink whose viscosity was adjusted to 5 cp, we checked the ejection status when applying an applied voltage of -10 to -30V using a simple push waveform, and it was confirmed that all ink could be ejected from any nozzle hole.

各実施例、比較例の構成の一部と測定及び評価結果を表1に示す。 Table 1 shows part of the structure and measurement and evaluation results of each example and comparative example.

Figure 0007423967000001
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実施例1~4では、1層目及びTotalの(100)配向率として、高い値が得られている。実施例4の結果から、1層目の配向率が下がったことでTotalの配向率が低下していることが分かった。また、実施例5のように内部電極層をPtとしたものは1層目の(100)配向率は高いものの、Totalの配向率は低くなっていることが分かった。 In Examples 1 to 4, high values were obtained for the first layer and total (100) orientation ratios. From the results of Example 4, it was found that the total orientation rate decreased as the orientation rate of the first layer decreased. Furthermore, it was found that in the case where the internal electrode layer was made of Pt as in Example 5, although the (100) orientation ratio of the first layer was high, the total orientation ratio was low.

変位量については、実施例1~5では良好な結果が得られている。一方、内部電極を設けなかった比較例1では良好な変位量が得られなかった。また、Totalの配向率が低い実施例5は、比較例1に比べて変位量は高くなっているものの、実施例1~4に比べると性能が劣っていることが確認された。 Regarding the amount of displacement, good results were obtained in Examples 1 to 5. On the other hand, in Comparative Example 1 in which no internal electrodes were provided, a good amount of displacement could not be obtained. Furthermore, it was confirmed that Example 5, which had a low total orientation rate, had a higher displacement amount than Comparative Example 1, but was inferior in performance compared to Examples 1 to 4.

10 基板
11 ノズル
12 振動板
14 下部電極
16 電気-機械変換膜
18 内部電極膜
20 上部電極
22 シード層
26 配線
28 コンタクトホール
32 第1の層間膜
34 第2の層間膜
41 加圧室
43 ノズル板
81 記録装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112、114 拍車
113 排紙ローラ
115、116 ガイド部材
117 回復装置
10 Substrate 11 Nozzle 12 Vibration plate 14 Lower electrode 16 Electro-mechanical conversion film 18 Internal electrode film 20 Upper electrode 22 Seed layer 26 Wiring 28 Contact hole 32 First interlayer film 34 Second interlayer film 41 Pressure chamber 43 Nozzle plate 81 Recording device main body 82 Printing mechanism section 83 Paper 84 Paper feed cassette 85 Manual feed tray 86 Paper ejection tray 91 Main guide rod 92 Secondary guide rod 93 Carriage 94 Head 95 Ink cartridge 97 Main scanning motor 98 Drive pulley 99 Driven pulley 100 Timing belt 101 Paper feed roller 102 Friction pad 103 Guide member 104 Conveyance roller 105 Conveyance roller 106 Leading edge roller 107 Sub-scanning motor 109 Imprint receiving member 111 Conveyance roller 112, 114 Spur 113 Paper discharge roller 115, 116 Guide member 117 Recovery device

特開2013-080886号公報JP2013-080886A

Claims (13)

下部電極上に電気-機械変換膜と内部電極膜とが交互に積層され、最上部に形成された前記電気-機械変換膜上に上部電極が形成された電気-機械変換素子であって、
前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜との間には前記内部電極膜が形成されておらず、
前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜は、(100)配向率が95%以上であり、
前記下部電極上及び前記上部電極上に第1の層間膜が形成され、
前記電気-機械変換膜及び前記内部電極膜は、各層を比較したときに前記下部電極側から前記上部電極側にかけて徐々に面積が小さくなっており、
前記下部電極から引き出した配線と、前記内部電極膜から引き出した配線と、前記上部電極から引き出した配線とを有し、これらの配線は前記第1の層間膜を通って引き出され、
前記下部電極から引き出した配線、前記内部電極膜から引き出した配線及び前記上部電極から引き出した配線の一部が前記第1の層間膜上に存在することを特徴とする電気-機械変換素子。
An electro-mechanical conversion element in which an electro-mechanical conversion film and an internal electrode film are alternately laminated on a lower electrode, and an upper electrode is formed on the electro-mechanical conversion film formed at the top,
The internal electrode film is not formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode,
The electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode has a (100) orientation rate of 95% or more,
a first interlayer film is formed on the lower electrode and the upper electrode,
The area of the electro-mechanical conversion film and the internal electrode film gradually decreases from the lower electrode side to the upper electrode side when comparing each layer,
It has a wiring drawn out from the lower electrode, a wiring drawn out from the internal electrode film, and a wiring drawn out from the upper electrode, and these wirings are drawn out through the first interlayer film,
An electro-mechanical conversion element characterized in that a part of the wiring drawn out from the lower electrode, the wiring drawn out from the internal electrode film, and the wiring drawn out from the upper electrode exists on the first interlayer film .
前記下部電極と、前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜との間にPbTiOからなる層が形成されており、該PbTiOからなる層は前記下部電極に最も近い前記電気-機械変換膜と接して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気-機械変換素子。 A layer made of PbTiO 3 is formed between the lower electrode and the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode, and the layer made of PbTiO 3 is formed between the electro-mechanical conversion film closest to the lower electrode. The electro-mechanical transducer according to claim 1, wherein the electro-mechanical transducer is formed in contact with a film. 前記内部電極膜は、SrRuOである、又は、前記下部電極側から順にSrRuOとPtを積層してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気-機械変換素子。 3. The electro-mechanical transducer according to claim 1, wherein the internal electrode film is made of SrRuO, or is formed by laminating SrRuO and Pt in order from the lower electrode side. 前記内部電極膜上にSrRuOが形成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の電気-機械変換素子。 The electro-mechanical transducer according to claim 1, wherein SrRuO is formed on the internal electrode film. 前記第1の層間膜に複数のコンタクトホールが形成されており、前記下部電極から引き出した配線、前記内部電極膜から引き出した配線及び前記上部電極から引き出した配線は、各々の前記コンタクトホールから引き出されて前記第1の層間膜上に形成されていることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の電気-機械変換素子。A plurality of contact holes are formed in the first interlayer film, and the wiring drawn out from the lower electrode, the wiring drawn out from the internal electrode film, and the wiring drawn out from the upper electrode are drawn out from each of the contact holes. The electro-mechanical transducer according to claim 1, wherein the electro-mechanical transducer is formed on the first interlayer film. 前記第1の層間膜上に第2の層間膜が形成されており、前記第2の層間膜は、前記第1の層間膜上に形成された配線を保護することを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の電気-機械変換素子。1. A second interlayer film is formed on the first interlayer film, and the second interlayer film protects wiring formed on the first interlayer film. 5. The electro-mechanical conversion element according to any one of 5 to 5. 前記電気-機械変換膜は、積層方向と垂直な方向に長手方向と短手方向を有し、
前記配線は、前記長手方向に沿った左右に引き出され、前記配線を前記下部電極側から前記上部電極側へ番号付けしたときに、奇数番号の前記配線は同じ方向に引き出され、偶数番号の前記配線は奇数番号の前記配線とは異なる方向に引き出されていることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の電気-機械変換素子。
The electro-mechanical conversion film has a longitudinal direction and a transverse direction in a direction perpendicular to the stacking direction,
The wires are drawn out to the left and right along the longitudinal direction, and when the wires are numbered from the lower electrode side to the upper electrode side, the odd numbered wires are drawn out in the same direction, and the even numbered wires are drawn out in the same direction. 7. The electro-mechanical conversion element according to claim 1, wherein the wiring is drawn out in a direction different from that of the odd-numbered wiring.
前記電気-機械変換膜は、各層の(100)配向率を用いて求められる(100)配向率の平均値が95%以上であることを特徴とする請求項1~7のいずれかに記載の電気-機械変換素子。 The electro-mechanical conversion film according to any one of claims 1 to 7, wherein the average value of the (100) orientation rate determined using the (100) orientation rate of each layer is 95% or more. Electrical-mechanical conversion element. 液体を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧室と、該加圧室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備え、
前記圧力発生手段として、請求項1~8のいずれかに記載の電気-機械変換素子を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
A nozzle for discharging a liquid, a pressurizing chamber communicating with the nozzle, and a pressure generating means for generating pressure in the liquid in the pressurizing chamber,
A liquid ejection head characterized in that the electro-mechanical conversion element according to any one of claims 1 to 8 is used as the pressure generating means.
前記電気-機械変換膜及び前記内部電極膜は、前記ノズル側とは反対側の方向に向かって徐々に面積が小さくなっていることを特徴とする請求項9に記載の液体吐出ヘッド。10. The liquid ejection head according to claim 9, wherein the electro-mechanical conversion film and the internal electrode film have an area that gradually decreases in a direction opposite to the nozzle side. 請求項9又は10に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。 A liquid ejection unit comprising the liquid ejection head according to claim 9 or 10 . 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする請求項11に記載の液体吐出ユニット。 A head tank 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. 12. The liquid ejection unit according to claim 11 , 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9若しくは10に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項11若しくは12に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。 An apparatus for ejecting liquid, comprising the liquid ejection head according to claim 9 or 10 or the liquid ejection unit according to claim 11 or 12 .
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