JP5764995B2 - Lead-free thin film actuator - Google Patents
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Description
本発明は、電界印加時に発生する変位量の大きい非鉛薄膜アクチュエータ、それを用いた液体吐出ヘッド、および、インクジェットプリンタに関する。 The present invention relates to a lead-free thin film actuator that generates a large amount of displacement when an electric field is applied, a liquid discharge head using the same, and an inkjet printer.
インクジェット記録装置には、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり、安価な普通紙を使用できるなど多くの利点があるために、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として広く展開されている。
インクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。）と、液室内のインクを吐出するための液室毎に設けられた圧力発生手段で構成されている。
上記のような圧力発生手段の一つとして、圧電素子などの電気的入力を機械的な変形に変換する電気−機械変換素子を用いて、吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のものが挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。
従来、インクジェットプリンタのインクジェットヘッド部等のアクチュエータとして、ＰＺＴセラミックス等が用いられていたが（例えば特許文献１、２を参照）、環境規制物質である鉛を含んでいる為、鉛を含まない代替材料が強く望まれている。
Inkjet recording devices have a lot of advantages such as extremely low noise, high-speed printing, and the flexibility of ink and the ability to use inexpensive plain paper. Printers, facsimiles, copying machines, etc. It is widely deployed as an image recording apparatus or image forming apparatus.
A droplet discharge head used in an ink jet recording apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets, and a liquid chamber (also referred to as a discharge chamber, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, or an ink flow path) that communicates with the nozzle. The pressure generating means is provided for each liquid chamber for discharging ink in the liquid chamber.
As one of the pressure generating means as described above, an electro-mechanical conversion element that converts electrical input such as a piezoelectric element into mechanical deformation is used to deform and displace the diaphragm that forms the wall surface of the discharge chamber. A piezo type that ejects ink droplets (see, for example, Patent Document 1).
Conventionally, PZT ceramics and the like have been used as actuators for ink jet heads and the like of ink jet printers (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Materials are highly desired.
ＰＺＴ代替材料としてこれまで検討された代表的なものとして、以下のような材料系が挙げられる。
（１）チタン酸バリウムを主成分とする材料系
この材料の欠点として、キュリー点（圧電性が消失する温度に相当）が１２５℃に存在し、高温下での使用が困難、特に熱安定性を考えると、キュリー点の１／３以下での温度上限を持つ。すなわち約４０℃が上限温度に相当する。インクジェットなどの非共振モードでかつ１０ｋＨｚほどの高周波で駆動する場合、材料の持つ誘電損失からジュール熱が発生し、容易にこの上限温度に達してしまい、実用に適さない。
（２）ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、およびこれらの固溶体、添加物としてリチウムを添加したアルカリナイオベート系材料
これら材料のキュリー点は実使用温度を上昇させることが見込めるが、１５０℃付近に構造相転移による脱分極温度が存在するため、チタン酸バリウム系材料と同様、実用に適さない。またアルカリ元素を構成元素に含むため、長期安定動作に関連する信頼性に課題を持つ。
（３）ビスマスフェライト系材料
ＢｉＦｅＯ３として記述され、価数３価の元素として、Ｉｎ, Ｃｏなどによって鉄元素を置換する場合を含む材料である。係る材料は、５５０℃ほどの高いキュリー点を持つが、鉄元素の価数変化により容易に電気伝導性を示し、その圧電利用は極低温下でしか動作しないという欠点を持つ。低温合成すること、チタン酸バリウムのキュリー点を高めることを目的に、チタン酸バリウムとの固溶体も検討されているが、実用には至っていない。
（４）ビスマス層状構造強誘電体
キュリー点が７００℃と高温であり、機械的品質係数が高いが、圧電性が低いため、セラミックフィルターなどの用途に限定される。
（５）タングステンブロンズ構造を有する材料
機械的品質係数は高いものの、圧電性が低いため、超音波モータへの試作が行われるのみである。
以上のように、ＰＺＴ代替材料について検討はされてきているものの、ＰＺＴに匹敵する性能を有する材料は未だ創製されていない。
しかしながら、特定の用途に限定した場合、ＰＺＴの置換は可能である。これは、ＰＺＴを電気−機械変換素子に用いる場合、その共振状態を利用する形態と、非共振状態を利用する形態とに大別されるが、例えば、オンデマンド式インクジェットヘッド等に使用されている薄膜アクチュエータにおいては、非共振状態を利用するものであることが広く知られている。つまり、入力した電気信号に対して、機械的変位を与えるものであれば足りる。
As typical PZT substitute materials studied so far, the following material systems can be cited.
(1) Material system mainly composed of barium titanate The disadvantage of this material is that it has a Curie point (corresponding to the temperature at which piezoelectricity disappears) at 125 ° C, making it difficult to use at high temperatures, especially thermal stability. , The upper temperature limit is 1/3 or less of the Curie point. That is, about 40 ° C. corresponds to the upper limit temperature. When driven in a non-resonant mode such as inkjet and at a high frequency of about 10 kHz, Joule heat is generated due to the dielectric loss of the material, and this upper limit temperature is easily reached, which is not suitable for practical use.
(2) Potassium niobate, sodium niobate, and their solid solutions, and alkaline niobate-based materials with lithium added as an additive. The Curie point of these materials can be expected to increase the actual use temperature, but the structure is around 150 ° C. Since there exists a depolarization temperature due to a phase transition, it is not suitable for practical use like the barium titanate material. In addition, since an alkali element is included as a constituent element, there is a problem in reliability related to long-term stable operation.
(3) A material that is described as a bismuth ferrite-based material BiFeO 3 and includes a case where an iron element is substituted by In, Co, or the like as a trivalent element. Such a material has a high Curie point of about 550 ° C., but easily exhibits electrical conductivity due to a change in the valence of the iron element, and has the disadvantage that its piezoelectric use operates only at extremely low temperatures. Solid solutions with barium titanate have been studied for the purpose of low-temperature synthesis and raising the Curie point of barium titanate, but they have not been put into practical use.
(4) Bismuth layered structure The ferroelectric Curie point is as high as 700 ° C., and the mechanical quality factor is high, but the piezoelectricity is low, so it is limited to applications such as ceramic filters.
(5) Although the material mechanical quality factor having a tungsten bronze structure is high, since the piezoelectricity is low, only trial production of an ultrasonic motor is performed.
As described above, although a PZT alternative material has been studied, a material having a performance comparable to PZT has not yet been created.
However, substitution for PZT is possible when limited to specific applications. When PZT is used for an electro-mechanical conversion element, it is roughly divided into a form using its resonance state and a form using a non-resonance state. For example, it is used for an on-demand type inkjet head or the like. It is widely known that a thin film actuator that uses a non-resonant state is used. That is, it suffices if it gives mechanical displacement to the input electrical signal.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、インクジェットヘッドのアクチュエータ部位に使用可能な非鉛薄膜アクチュエータ（非鉛薄膜電歪アクチュエータ）を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a lead-free thin film actuator (lead-free thin film electrostrictive actuator) that can be used in an actuator portion of an inkjet head.
上記目的を達成するために、本発明は、チタン酸バリウム、および、チタン酸ニッケル酸ビスマスを主成分とする複合酸化物薄膜を用いた非鉛薄膜アクチュエータであり、
前記複合酸化物薄膜の主成分が化式１で示され、式中、ｘが０＜ｘ≦０．１の範囲をとることを特徴とする非鉛薄膜アクチュエータを提供する。
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ ３ −ｘＢｉ（Ｎｉ ０．５ ，Ｔｉ ０．５ ）Ｏ ３ （化式１）
In order to achieve the above object, the present invention is a lead-free thin film actuator using a composite oxide thin film mainly composed of barium titanate and bismuth nickel titanate ,
A principal component of the composite oxide thin film is represented by Formula 1, wherein x is in a range of 0 <x ≦ 0.1 .
(1-x) BaTiO 3 —xBi (Ni 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (Formula 1)
本発明によれば、鉛成分を使用していないにも関わらず、残留分極が小さく、電圧印加時に電歪効果によりアクチュエータとしての使用に十分な変位を示す、圧電特性に優れた非鉛薄膜アクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, a lead-free thin film actuator having excellent piezoelectric characteristics that has a small remanent polarization and exhibits sufficient displacement for use as an actuator due to an electrostrictive effect when a voltage is applied, even though no lead component is used. Can be provided.
以下に、本発明の実施例を添付図面を参照にして説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the examples.
本実施例においては、本発明に係る複合酸化物薄膜を図１に示す実験フローに従い、ＣＳＤ法によって形成した。使用した出発原料についてはその詳細を表１に示す。
（１）薄膜形成用基板の準備
本実施例においては薄膜電歪アクチュエータとするために、薄膜を形成する基板として、以下の工程で予め各部材を形成したものを使用した。
Ｓｉ基板上に振動板としてＳｉＯ２膜を配置し、その上に下部電極として第一の電極膜であるＰｔ膜を１００ｎｍの厚みでスパッタリング法により成膜した。このとき下地のＳｉＯ２膜との密着力向上のために、Ｔｉ，Ｔａ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５等の密着膜を振動板と下部電極の間に配置させることが好ましい。本実施例では１０ｎｍのＴｉ膜をスパッタリング法にて形成した。
（２）ＣＳＤ法による薄膜の形成
ＣＳＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の一種であるゾル−ゲル法により、目的とする非鉛系複合酸化物の薄膜を基板上に堆積する。
In this example, the complex oxide thin film according to the present invention was formed by the CSD method according to the experimental flow shown in FIG. Details of the starting materials used are shown in Table 1.
(1) Preparation of substrate for thin film formation In this example, in order to obtain a thin film electrostrictive actuator, a substrate on which each member was previously formed in the following steps was used as a substrate on which a thin film was formed.
A SiO 2 film was disposed as a vibration plate on a Si substrate, and a Pt film as a first electrode film was formed thereon with a thickness of 100 nm by sputtering as a lower electrode. At this time, in order to improve the adhesion with the underlying SiO 2 film, an adhesion film such as Ti, Ta, TiN, TaN, TiO 2 , Ta 2 O 5 is preferably disposed between the diaphragm and the lower electrode. In this example, a 10 nm Ti film was formed by sputtering.
(2) Formation of Thin Film by CSD Method A target lead-free complex oxide thin film is deposited on a substrate by a sol-gel method which is a kind of CSD method (Chemical Solution Deposition).
溶媒である２−メトキシエタノール（ＥＧＭＭＥ）と、メタノールとの混合溶液に、目的とする量論比になるようにＢａ(ＯＥｔ)２, Ｔｉ（ＯｉＰｒ）４， Ｂｉ（ＯｉＡｍ）３， Ｎｉ（ａｃａｃ）２を添加して原料混合溶液を作製する。
ここでは、溶媒としてＥＧＭＭＥとメタノールとを容量比６：４で混合した溶液を使用した。また、目的物質である（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＢｉ（Ｎｉ０．５，Ｔｉ０．５）Ｏ３の式中のｘが０．１， ０．２， ０．３となるように各原料を添加、混合した。さらに、比較のため、参照試料として、ｘ＝０の試料も作製した。
次に、前記工程により得られた原料混合溶液が溶解するように還流処理を行う。ここでは、８５〜９５℃の温度範囲で１８時間還流処理して反応させた。その後、得られた溶液はスピンコート法で成膜するのに適した濃度に調整する。本実施例では濃度０．３Ｍに調整した。なお、これらの工程は不活性雰囲気下で行った。
薄膜形成工程
前記薄膜形成用基板の準備工程で得られた、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に前駆体溶液をスピンコート法で前記第一の電極膜上に成膜（回転数 ２５００ｒｐｍ,３０秒）し、１２０℃、１分の乾燥の後、熱分解処理を行った。
熱分解処理条件は前駆体溶液から作製した乾燥ゲルのＴＧ−ＤＴＡ測定により見積ることができ、本実施例では４００℃、１０分の処理を行った。
熱分解後の膜はアモルファス状であるため、電歪特性を出現させるには結晶化処理を施す必要があり、例えば７００〜７５０℃で熱処理をすることによって行える。本実施例では７５０℃、１０分の処理を行った。
上記一連の操作を一回行うことによって堆積できる膜厚は５０ｎｍであった。しかしながら、アクチュエータとして利用する場合、発生力が振動板を変形させ、その変形量がインク室にあるインクを排除する為、おおよそ０．５〜２ミクロンの膜厚が必要となる。従って、前記スピンコート、乾燥、熱分解、結晶化の処理を所望する膜厚分、繰返し処理を行う。
本実施例ではこの操作を１０回行い、約０．５ミクロンの膜を形成した。
（３）後処理工程
前工程によって得られた薄膜上に、上部電極として第二の電極膜であるＰｔ膜をスパッタリング法で１００ｎｍの厚みで形成した。
ドライエッチングにより上部電極をパターニングし、アクチュエータの個別電極を形成する。引き続き、ドライエッチングにより（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＢｉ（Ｎｉ０．５，Ｔｉ０．５）Ｏ３膜（以下、単に「ＢＴ−ＢｉＮｉＴ膜」とする。また、付記するｘの値は膜の化学式中のｘの値を示す）をパターニングする。
Here, a solution in which EGMME and methanol were mixed at a volume ratio of 6: 4 was used as a solvent. Further, each of x in the formula of (1-x) BaTiO 3 -xBi (Ni 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 as the target substance is 0.1, 0.2, 0.3. Raw materials were added and mixed. For comparison, a sample with x = 0 was also produced as a reference sample.
Next, a reflux treatment is performed so that the raw material mixed solution obtained in the above step is dissolved. Here, the reaction was performed by refluxing for 18 hours in a temperature range of 85 to 95 ° C. Thereafter, the obtained solution is adjusted to a concentration suitable for film formation by spin coating. In this example, the concentration was adjusted to 0.3M. These steps were performed in an inert atmosphere.
Thin Film Formation Step A precursor solution is formed on the first electrode film by spin coating on the Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate obtained in the preparation step of the thin film formation substrate (rotation speed: 2500 rpm, 30 seconds), and after drying at 120 ° C. for 1 minute, a thermal decomposition treatment was performed.
The thermal decomposition treatment conditions can be estimated by TG-DTA measurement of a dried gel prepared from the precursor solution. In this example, the treatment was performed at 400 ° C. for 10 minutes.
Since the film after pyrolysis is amorphous, it is necessary to perform crystallization treatment in order to make the electrostrictive characteristics appear. For example, it can be performed by heat treatment at 700 to 750 ° C. In this example, treatment was performed at 750 ° C. for 10 minutes.
The film thickness that can be deposited by performing the above series of operations once was 50 nm. However, when used as an actuator, the generated force deforms the diaphragm, and the amount of deformation eliminates ink in the ink chamber, so that a film thickness of approximately 0.5 to 2 microns is required. Therefore, the spin coating, drying, thermal decomposition, and crystallization are repeated for the desired film thickness.
In this example, this operation was performed 10 times to form a film of about 0.5 microns.
(3) Post-processing process On the thin film obtained by the pre-process, Pt film which is a 2nd electrode film was formed with the thickness of 100 nm as a top electrode by sputtering method.
The upper electrode is patterned by dry etching to form an individual electrode of the actuator. Subsequently, by dry etching, a (1-x) BaTiO 3 —xBi (Ni 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 film (hereinafter simply referred to as “BT-BiNiT film”) is used. (Showing the value of x in the chemical formula).
以上の工程により得られた本実施例の非鉛薄膜電歪アクチュエータの評価を行ったので、以下に詳述する。
図２に、作製したＢＴ−ＢｉＮｉＴ薄膜（ｘ＝０．１）について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた表面モホロジー観察の結果を示す。チタン酸ニッケル酸ビスマス添加量の増加に伴いグレインサイズは増加し、また表面粗さも上昇した。具体的にはｘ=０．１において、粒サイズは１００ｎｍ、ＲＭＳ（二乗平均平方根粗さ）は３．６ｎｍであった。
図３に、作製したＢＴ−ＢｉＮｉＴ薄膜（ｘ＝０．１）の比誘電率、誘電損失の周波数依存を示す。係る結果によれば、本試料が測定周波数範囲内で高い比誘電率、少ない誘電損失を持っていることが分かる。電歪材料は蓄えられる電荷密度に歪みが比例するため、この比誘電率は高いほうが好ましい。
既述のように、本実施例においては、チタン酸ニッケル酸ビスマス添加量をｘ＝０．１〜０．３に変化させて検討を行ったが、比誘電率とチタン酸ニッケル酸ビスマス添加量の関係において、比誘電率はｘ＝０．１で極値を示した。従って、チタン酸ニッケル酸ビスマス添加量ｘの範囲としては、０＜ｘ≦０．１とすることが好ましい。
図４に、作製したＢＴ−ＢｉＮｉＴ薄膜（ｘ＝０．１）について、室温、１ｋＨｚでのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。残留分極の小さいスリムループを示し、この点からも従来の圧電材料とは異なることがわかる。ここで、本発明は、残留分極が小さいことから、電界の増加に対する分極の変化量、すなわち体積の変化が大きく、少ない電界で大きな変位が得られる電気−機械変換素子であるといえる。
図５に、作製したＢＴ−ＢｉＮｉＴ薄膜（ｘ＝０．１）について、ＡＦＭを用いた圧電定数ｄ３３の測定結果を示す。これは、この薄膜が電気入力に対し歪みを示し、その比例定数が２４ｐｍ／Ｖであった。
本発明はインクジェットプリンタの液体吐出ヘッドに用いる薄膜電歪アクチュエータを主な用途としており、係る用途においてはｄ３１方向の変形を用いる。しかしながら、縦方向に伸びることは同時に横方向に縮むことを示すので、本材料が電気-機械変換素子、すなわち電歪素子として使えることがいえる。また、上記ｄ３３の値から、本発明の複合酸化物薄膜が、薄膜アクチュエータとして使用するのに十分な変位幅を有することがいえる。
なお、ここで、ｄ３１とは、横振動の変位量を見積もる上で慣例的に用いられる圧電定数である。添字の３１は、分極軸を３にとり、分極軸と同方向に電界を印加したときに、電界と直行する方向を１で示したものであり、発生する歪み量に対する比例定数である。
Since the lead-free thin film electrostrictive actuator of this example obtained by the above steps was evaluated, it will be described in detail below.
FIG. 2 shows the results of surface morphology observation of the produced BT-BiNiT thin film (x = 0.1) using an atomic force microscope (AFM). Grain size increased and surface roughness increased with increasing amount of bismuth titanate nickelate. Specifically, at x = 0.1, the grain size was 100 nm, and the RMS (root mean square roughness) was 3.6 nm.
FIG. 3 shows the frequency dependence of the dielectric constant and dielectric loss of the produced BT-BiNiT thin film (x = 0.1). According to the results, it can be seen that this sample has a high relative dielectric constant and a small dielectric loss within the measurement frequency range. Since the strain is proportional to the charge density stored in the electrostrictive material, it is preferable that the relative dielectric constant is high.
As described above, in this example, the bismuth titanate titanate addition amount was changed to x = 0.1 to 0.3, but the relative dielectric constant and the bismuth titanate titanate addition amount were examined. In this relationship, the relative dielectric constant showed an extreme value at x = 0.1. Accordingly, the range of the addition amount x of bismuth nickel titanate is preferably 0 <x ≦ 0.1.
FIG. 4 shows a PE hysteresis curve at room temperature and 1 kHz for the produced BT-BiNiT thin film (x = 0.1). It shows a slim loop with a small remanent polarization, which is also different from the conventional piezoelectric material in this respect. Here, since the residual polarization is small, it can be said that the present invention is an electro-mechanical conversion element in which the amount of change in polarization with respect to an increase in electric field, that is, the change in volume is large and a large displacement is obtained with a small electric field.
5, the BT-BINIT films prepared (x = 0.1), shows the results of measurement of the piezoelectric constant d 33 with AFM. This was because the thin film showed distortion with respect to the electric input, and its proportionality constant was 24 pm / V.
The present invention is for the main use of the thin film electrostrictive actuator used in the liquid discharge head of an ink jet printer, using the d 31 direction of deformation in applications according. However, it can be said that this material can be used as an electro-mechanical conversion element, that is, an electrostrictive element, because extending in the vertical direction indicates simultaneously shrinking in the horizontal direction. Further, the value of the d 33, a composite oxide thin film of the present invention, it can be said to have sufficient displacement range for use as a thin film actuator.
Here, d 31 is a piezoelectric constant conventionally used in estimating the amount of displacement of lateral vibration. The subscript 31 indicates that the polarization axis is 3, and when the electric field is applied in the same direction as the polarization axis, the direction orthogonal to the electric field is 1 and is a proportional constant for the amount of distortion generated.
Ｂａサイトにイオン半径の小さい元素を置換することが可能で、置換可能な元素としてＳｒ、Ｃａがある。またＮｉ、Ｔｉサイトに置換可能な元素としてＺｒ，Ｈｆがある。これらは誘電特性の温度依存性を制御するために使われている。
ここでは（１−ｘ）（Ｂａ０．９５Ｓｒ０．０５）ＴｉＯ３−ｘＢｉ（Ｎｉ０．５，Ｔｉ０．５）Ｏ３（ｘ＝０．１）となるように、Ｂａサイトを０．０５のＳｒで置換した膜について記す。
Ｓｒの出発材料としてＳｒ（ＯＥｔ）２を用い、前駆体溶液の調整工程において量論となるように混合溶媒に添加した。他の条件は実施例１と同じである。
図６に比誘電率と誘電損失の温度依存性を示す。純粋なＢａＴｉＯ３は１２５℃にキュリー点を持つが、本試料では明確な誘電率異常を示すことなく、−１５０℃から０℃にかけて緩やかに上昇し、０℃以上の測定温度範囲内でほぼ平坦な比誘電率を示す。
すなわち、この温度範囲においてキュリー点を有さず、温度変動の少ない電気-機械変換素子が得られていることが分かる。
図７に、本実施例で得られた試料について、室温、１ｋＨｚで測定したＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。これによれば、Ｓｒ添加により、残留分極をさらに低減していることが分かる。
An element having a small ionic radius can be substituted at the Ba site, and Sr and Ca are elements that can be substituted. Further, Zr and Hf are elements that can be substituted for Ni and Ti sites. These are used to control the temperature dependence of dielectric properties.
Here, the Ba site is set to 0 so that (1-x) (Ba 0.95 Sr 0.05 ) TiO 3 -xBi (Ni 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (x = 0.1). The film substituted with Sr of .05 will be described.
Sr (OEt) 2 was used as a starting material for Sr, and was added to the mixed solvent so as to be stoichiometric in the step of preparing the precursor solution. Other conditions are the same as those in Example 1.
FIG. 6 shows the temperature dependence of the dielectric constant and dielectric loss. Pure BaTiO 3 has a Curie point at 125 ° C., but this sample shows a clear dielectric constant anomaly, rises slowly from −150 ° C. to 0 ° C., and is almost flat within a measurement temperature range of 0 ° C. or higher. The relative dielectric constant is shown.
That is, it can be seen that an electromechanical conversion element having no Curie point in this temperature range and having little temperature fluctuation is obtained.
FIG. 7 shows a PE hysteresis curve measured at room temperature and 1 kHz for the sample obtained in this example. This shows that the residual polarization is further reduced by the addition of Sr.
図８に本発明の非鉛薄膜アクチュエータを複数個配置した液体吐出ヘッドを示す。既に実施例１において、Ｓｉ基板（圧力室基板）（２０）上に振動板（３０）、密着層（４１）、下部電極（４２）、本発明の複合酸化物薄膜（積層体）からなる圧電素子（電気−機械変換素子）（４０）、上部電極（４３）の順に各部材が形成されている。従って、圧電素子を形成した面の反対面に圧力室(２１)形成のためのエッチング処理を行い、次いでノズル孔（１１）を有するノズル板(１０)を接合することで液体吐出ヘッドができる。上記構成において、本発明の複合酸化物薄膜を採用することによって、鉛を使用していない圧電材料を用いたにも関わらず、ＰＺＴ等を使用した従来品と同程度の吐出性能を有する。
図中には液体供給手段、流路、流体抵抗等についての記述は省略した。
FIG. 8 shows a liquid discharge head in which a plurality of lead-free thin film actuators of the present invention are arranged. Already in Example 1, a piezoelectric substrate comprising a diaphragm (30), an adhesion layer (41), a lower electrode (42), and a complex oxide thin film (laminated body) of the present invention on a Si substrate (pressure chamber substrate) (20). Each member is formed in the order of an element (electro-mechanical conversion element) (40) and an upper electrode (43). Accordingly, an etching process for forming the pressure chamber (21) is performed on the surface opposite to the surface on which the piezoelectric element is formed, and then the nozzle plate (10) having the nozzle holes (11) is joined to form a liquid discharge head. In the above configuration, by adopting the composite oxide thin film of the present invention, the discharge performance is comparable to that of a conventional product using PZT or the like, although a piezoelectric material not using lead is used.
In the figure, descriptions of liquid supply means, flow paths, fluid resistance, etc. are omitted.
次に、実施例３で作製した液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例として、インクジェットプリンタについて図９及び図１０を参照して説明する。なお、図９は同記録装置の斜視説明図、図１０は同記録装置の機構部の側面説明図である。
このインクジェットプリンタは、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（液体吐出ヘッド）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等を収納する。そして、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。
印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持している。そして、このキャリッジ９３には各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド９４を、複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３にはヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。そして、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。
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に固定している。前記、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。
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙ローラ１０１、フリクションパッド１０２、用紙８３を案内するガイド部材１０３、搬送ローラ１０４、搬送コロ１０５、先端コロ１０６の各部材が設けられている。
ここで、給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２は用紙８３を分離給装し、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搬送ローラ１０４、および、その周面に押し付けられる搬送コロ１０５は、給紙された用紙８３を反転させて搬送する。また、先端コロ１０６は、搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する働きをする。
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を設けている。そして、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。
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
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。
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（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明の非鉛薄膜アクチュエータを有するインクジェットヘッドを搭載しているため、ＰＺＴ等を使用した従来品と同等のインク滴吐出特性を有する。
Next, an ink jet printer will be described with reference to FIGS. 9 and 10 as an example of an ink jet recording apparatus on which the liquid discharge head manufactured in Example 3 is mounted. FIG. 9 is an explanatory perspective view of the recording apparatus, and FIG. 10 is an explanatory side view of a mechanism portion of the recording apparatus.
The ink jet printer includes a carriage that is movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, a recording head that includes the ink jet head (liquid ejection head) that is mounted on the carriage, and that supplies ink to the recording head. A printing mechanism 82 composed of a cartridge or the like is accommodated. A paper feed cassette (or a paper feed tray) 84 in which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side can be detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. Further, the manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be opened, the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and a required image is displayed by the printing mechanism unit 82. After recording, the paper is discharged to a paper discharge tray 86 mounted on the rear side.
The printing mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). In this carriage 93, a head 94 comprising an inkjet head according to the present invention for ejecting ink droplets of each color is arranged in a direction intersecting the main scanning direction, and a plurality of ink ejection ports (nozzles) are arranged. Is attached facing down. In addition, 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 that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the heads 94 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.
Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. It is fixed to. The carriage 93 is reciprocated by forward and reverse rotations of the main scanning motor 97.
On the other hand, in order to transport the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94, the paper feed roller 101, the friction pad 102, the guide member 103 for guiding the paper 83, the transport roller 104, the transport roller 105, the tip Each member of the roller 106 is provided.
Here, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 separate and supply the paper 83, and the transport roller 104 that is rotationally driven by the sub-scanning motor 107 through the gear train, and the transport roller 105 that is pressed against the peripheral surface thereof. Then, the fed paper 83 is reversed and conveyed. Further, the leading end roller 106 serves to define the feed angle of the paper 83 from the transport roller 104.
A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport 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 printing receiving member 109 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send out the sheet 83 in the sheet discharge direction are provided. Further, a paper discharge roller 113 and a spur 114 for sending the paper 83 to the paper discharge tray 86, and guide members 115 and 116 for forming a paper discharge path are provided.
At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.
Further, a recovery device 117 for recovering defective ejection of the head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 117 side during printing standby and the head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with the suction unit through the tube. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
Thus, since this inkjet recording apparatus is equipped with the inkjet head having the lead-free thin film actuator of the present invention, it has ink droplet ejection characteristics equivalent to those of conventional products using PZT or the like.
Claims (5)
前記複合酸化物薄膜の主成分が化式１で示され、式中、ｘが０＜ｘ≦０．１の範囲をとることを特徴とする非鉛薄膜アクチュエータ。
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ ３ −ｘＢｉ（Ｎｉ ０．５ ，Ｔｉ ０．５ ）Ｏ ３ （化式１） It is a lead-free thin film actuator using a complex oxide thin film mainly composed of barium titanate and bismuth nickel titanate ,
A lead-free thin film actuator, wherein a main component of the composite oxide thin film is represented by Formula 1, wherein x is in a range of 0 <x ≦ 0.1.
(1-x) BaTiO 3 —xBi (Ni 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (Formula 1)
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