JP3567970B2

JP3567970B2 - Ink jet recording head, method of manufacturing the same, and ink jet recording apparatus

Info

Publication number: JP3567970B2
Application number: JP28267698A
Authority: JP
Inventors: 真理酒井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2018-10-05
Also published as: JP2000108347A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部に振動板を介して圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子が軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その際、上電極及び圧電体層の内部応力緩和の影響により、振動板が圧力発生室側に撓んでしまい、この撓みが弾性膜の初期変形として残留してしまうという問題がある。
【０００８】
一般には、下電極が圧力発生室に対向する領域からその周壁上まで延設され弾性膜と共に振動板を構成しているため、変位効率が悪いという問題がある。また、圧力発生室の幅方向両側の、いわゆる腕部の下電極をオーバーエッチングして一部又は全部を除去して変位効率を高めた構造も知られているが、オーバーエッチングしたことにより初期撓みが増大し、排除体積の向上は望めない。これは、弾性膜の弾性領域を越えて塑性変形領域に達しているためであると考えられる。さらに下電極が薄いことにより、下電極の抵抗が大きくなり電力の供給に問題が生じたり、パターニングの際に下電極の一部が除去されてしまうなどの問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、変位効率を保持しつつ、圧電素子の特性低下を防止したインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、この圧力発生室の一部を構成する弾性膜と、該弾性膜上に設けられた下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記下電極は、少なくとも前記圧力発生室に対向する領域の膜厚が、その他の領域の膜厚より薄く形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１１】
かかる第１の態様では、圧力発生室に対向する領域で下電極の膜厚を薄くしているので、その応力変化が圧電体層に影響を与えることがなく、特性低下が回避される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧力発生室に対向する領域には前記圧電体層及び前記上電極からなる圧電体能動部が形成され、該圧電体能動部の下側の下電極とその幅方向両側の下電極の膜厚とが同一であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１３】
かかる第２の態様では、下電極の応力変化による圧電素子の特性低下が回避される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、圧力発生室同士を隔離する周壁に対向する領域の下電極は、前記圧力発生室に対向する領域より厚いことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１５】
かかる第３の態様では、周壁に対向する領域で下電極を厚くして全体の抵抗を小さくすることができる。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記下電極は、複数の材料からなる複数層の積層構造で、前記圧力発生室に対向する領域では前記複数層の一部がないことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第４の態様では、特定領域に応じて最適な下電極材質を選択してアクチュエータ特性を向上させることができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記下電極の前記複数層の積層構造のうち少なくとも前記圧力発生室に対向する領域に存在する層を形成する材料は、酸化物導電体層を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第５の態様では、振動板が塑性変形しにくくなり、圧力発生室形成後の圧電素子の特性変化が防止される。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第２〜５の何れかの態様において、前記下電極は、前記圧電体層の下側の領域の一部に他の部分より厚く形成された厚膜部を有し、該厚膜部が前記圧電体層が除去されている領域へ延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２１】
かかる第６の態様では、圧電体能動部の下電極と圧力発生室に対向する領域以外の下電極との電気的接続が確実になり、下電極全体の抵抗値が小さくなる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記下電極の厚膜部は、前記圧電体層パターンの長手方向の少なくとも一端部からその外側へ延設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２３】
かかる第７の態様では、圧電体能動部の駆動に影響を与えることなく下電極の電気的接続を確実に行うことができる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第６又は７の態様において、前記圧電体能動部の幅方向両側の下電極の少なくとも一部が実質的に除去されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２５】
かかる第８の態様では、圧電体能動部の幅方向両側で下電極が連続的に設けられていなくても厚膜部を介して電気的接続を行うことができる。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記下電極、圧電体層、上電極の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２７】
かかる第９の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００２９】
かかる第１０の態様では、圧電素子の変位効率を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、圧力発生室を形成するシリコン単結晶基板の一方面に設けられた弾性膜上の前記圧力発生室に対応する領域に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記弾性膜上に前記下電極層を成膜し、これをハーフエッチングでパターニングすることによって前記圧力発生室に対向する領域に下電極薄膜部を形成する工程と、該下電極層の上に圧電体層及び上電極層を形成する工程と、該圧電体層及び該上電極層をパターニングして当該圧力発生室に対向する領域内に前記圧電素子を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３１】
かかる第１１の態様では、下電極のハーフエッチングの後に圧電体層を形成するので、下電極の応力変化が圧電体層の特性に影響を与えることがない。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、圧力発生室を形成するシリコン単結晶基板の一方面に設けられた弾性膜上の前記圧力発生室に対応する領域に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記弾性膜上に第１の導電体層と圧電体膜と前記上電極層とを積層する工程と、前記圧電体層と前記上電極層とをパターニングして前記圧力発生室に対向する領域内に前記圧電素子を形成する工程と、前記第１の導電体層及び前記上電極層の上に直接あるいは他の層を挟んで第２の導電体層を積層する工程と、この第２の導電体層の少なくとも前記圧力発生室に対向する領域部分を除去する工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３３】
かかる第１２の態様では、特定の領域に応じて最適な下電極材料を選択することができ、高特性のアクチュエータを構成できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、平面図及びその１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００３６】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３７】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３８】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル開口１１、圧力発生室１２が形成されている。
【００３９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板を水酸化カリウム等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００４０】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【００４１】
一方、各圧力発生室１２の一端に連通する各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅く形成されている。すなわち、ノズル開口１１は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００４２】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００４３】
また、各圧力発生室１２と後述する共通インク室３１とは、後述する封止板２０の各圧力発生室１２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク供給連通口２１を介して連通されており、インクはこのインク供給連通口２１を介して共通インク室３１から供給され、各圧力発生室１２に分配される。
【００４４】
封止板２０は、前述の各圧力発生室１２に対応したインク供給連通口２１が穿設された、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^−６／℃］であるガラスセラミックスからなる。なお、インク供給連通口２１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各圧力発生室１２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂであってもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。
【００４５】
共通インク室形成基板３０は、共通インク室３１の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共通インク室形成基板３０の厚さは、０．２ｍｍとしている。
【００４６】
インク室側板４０は、ステンレス基板からなり、一方の面で共通インク室３１の一壁面を構成するものである。また、インク室側板４０には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成することにより薄肉壁４１が形成され、さらに、外部からのインク供給を受けるインク導入口４２が打抜き形成されている。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口１１と反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室１２に、共通インク室３１を経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。本実施形態では、インク導入口４２と外部のインク供給手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側板４０を０．２ｍｍとし、その一部を厚さ０．０２ｍｍの薄肉壁４１としているが、ハーフエッチングによる薄肉壁４１の形成を省略するために、インク室側板４０の厚さを初めから０．０２ｍｍとしてもよい。
【００４７】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２〜０．５μｍの下電極層６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極層８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極層６０、圧電体層７０、及び上電極層８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極層６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極層８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板と合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、後述する下電極薄膜部６０ａ及び弾性膜５０が振動板として作用するが、下電極薄膜部６０ａが弾性膜を兼ねてもよい。
【００４８】
ここで、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に、圧電体層７０等を形成するプロセスを図４を参照しながら説明する。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、まず、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成し、次に、弾性膜５０上にスパッタリングで下電極層６０を形成する。この下電極層６０の材料としては、白金等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極層６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００５０】
次に、図４（ｂ）に示すように、下電極層６０をパターニングする。ここでは圧力発生室１２に対向する領域及びその周囲の圧力発生室周壁上の領域をハーフエッジングして、下電極を薄く形成する。
【００５１】
次に、図４（ｃ）に示すように、下電極層６０上に圧電体層７０及び上電極層８０を成膜する。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００５２】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００５３】
上電極層８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００５４】
次に、図４（ｄ）に示すように、圧電体層７０及び上電極層８０をエッチングして全体のパターニングを行い圧電体能動部３２０、下電極薄膜部６０ａ及び下電極厚膜部６０ｂを形成する。
【００５５】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図４（ｅ）に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。
【００５６】
このように形成した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの要部断面図を図５（ａ）に示す。
【００５７】
本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、圧力発生室１２に対応する領域の下電極薄膜部６０ａの上に、圧電体層７０及び上電極層８０からなる圧電体能動部３２０が設けられているため、圧電体層７０が下電極の応力変化の影響を受けることがない。
【００５８】
また、圧電体能動部３２０の一方の電極となる下電極薄膜部６０ａは、圧力発生室１２の周壁上で下電極厚膜部６０ｂに連結されて各圧電素子３００の共通電極となっており、図示しないが端部近傍で外部配線と接続されている。従って、下電極全体の抵抗が大きくならず、圧電体能動部３２０に十分な電力を供給することが可能である。
【００５９】
ここで、図５（ｂ）に示すように、周壁上の下電極厚膜部６１上に形成した圧電体層７１と上電極層８１をエッチングで除去せずにそのまま残す形態としてもよい。この構成では、周壁上の下電極厚膜部６１がオーバーエッチングされて薄くなることを回避できるため、下電極厚膜部６１の抵抗が高くなることを防止することができ、圧電体能動部３２０に十分な電力を供給することができる。
【００６０】
以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。また、分割した流路形成基板１０を、封止板２０、共通インク室形成基板３０、及びインク室側板４０と順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【００６１】
このように構成したインクジェットヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口４２からインクを取り込み、共通インク室３１からノズル開口１１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、下電極薄膜部６０ａと上電極層８０との間に電圧を印加し、圧電体能動部３２０を撓み変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出する。
【００６２】
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの薄膜製造工程を示す図である。
【００６３】
図６（ａ）に示すように、まず、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板上に弾性膜５０、第１の導電体層６２、圧電体層７０及び上電極層８０を順次成膜する。ここで、第１の導電体層６２は導電性酸化物からなる層であり、本実施形態では酸化イリジウムを成膜している。
【００６４】
次に、図６（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極層８０をエッチングしてパターニングを行い圧電体能動部３２０を形成し、さらに、図６（ｃ）に示すように、圧電体能動部３２０及び第１の導電体層６２上に第２の導電体層６３を成膜する。本実施形態では、第２の導電体層６３として白金を成膜している。
【００６５】
次に、図６（ｄ）に示すように、第２の導電体層６３をパターニングして、圧力発生室１２の周壁上に、第１の導電体層６２と第２の導電体層６３とからなる積層構造の下電極を形成する。
【００６６】
また、第２の導電体層６３を形成する前に、圧力発生室１２に対応する領域にレジストをパターニングしてリフトオフで第２の導電体層６３をパターニングしてもよい。
【００６７】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図６（ｅ）に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２等を形成する。
【００６８】
このように形成した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの要部断面図を図７に示す。
【００６９】
本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、下電極が第１の導電体層６２と第２の導電体層６３からなる積層構造であり、下電極は圧力発生室１２に対向する領域及びその周辺の領域で第２の導電体層６３がなく、その他の部分よりも薄い構造となっている。このため、実施形態１と同様、圧電体層が下電極の応力変化の影響を受けることがない。
【００７０】
また、本実施形態では、圧力発生室に対向する領域の第１の導電体層６２を比較的剛性が大きく塑性変形し難い材料で形成したので、圧力発生室１２を形成した後の振動板の塑性変形を抑えることができる。さらに、周壁上の下電極は導電性の良好な第２の導電体層６３と第１の導電体層６２との積層構造とすることにより、全体の抵抗増大を防止し、圧電体能動部３２０に十分な電力を供給することが可能である。
【００７１】
また、弾性膜５０をジルコニア等のセラミックス材料や、セラミックス材料層と二酸化シリコン層の積層構造とすることで、さらに振動板の変化を抑えることができ、安定したアクチュエータを作ることができる。
【００７２】
（実施形態３）
図８（ａ），（ｂ）は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部正面図及び要部断面図である。
【００７３】
本実施形態は、圧電体層７０及び上電極層８０からなる圧電体能動部３２０の長手方向端部の下側の領域の一部に下電極厚膜部６４を形成した以外は、実施形態１と同様である。この下電極厚膜部６４は上述した周壁部の下電極厚膜部６０ｂの形成の際に一緒にパターニングし、圧電体能動部３２０の長手方向外側で連結されている。
【００７４】
このように、本実施形態では圧電体能動部３２０の端部の下電極厚膜部６４を介して圧電体能動部３２０の下側の領域の下電極薄膜部６０ａに電気的接続を確実に行うことができ、圧電体能動部３２０に十分な電力を供給することができる。また、かかる構造にすると、圧電体能動部３２０をパターニングする際に、圧電体能動部３２０の幅方向両側の領域の下電極薄膜部６０ａをオーバーエッチングして一部完全に除去されてしまっても、電気的接続を確保できる。
【００７５】
このような下電極厚膜部６４は圧電体能動部３２０の長手方向両端部に設けるのが好ましいが、一方の端部のみに設けてもよい。
【００７６】
なお、本実施形態では、下電極厚膜部６４の上まで圧電体層７０及び上電極層８０を設けるようにしたが、これに限定されず、図９（ａ）に示すように、下電極薄膜部６０ａ上のみに圧電体能動部３２０をパターニングしてもよい。
【００７７】
また、図９（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極層８０を下電極厚膜部６４上に残るようにパターニングした後、圧電体層７０をハーフエッチングして圧電体層除去部７１を形成するようにしてもよい。
【００７８】
さらに、本実施形態では、下電極厚膜部６４は圧電体能動部３２０の長手方向から延設されているが、横方向から延設するようにしてもよく、また、複数の箇所に設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００７９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００８０】
例えば、上述した封止板２０の他、共通インク室形成板３０をガラスセラミックス製としてもよく、さらには、薄肉膜４１を別部材としてガラスセラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。
【００８１】
また、上述した実施形態では、ノズル開口を流路形成基板１０の端面に形成しているが、面に垂直な方向に接続するノズル開口を形成してもよい。
【００８２】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１０、その流路の断面を図１１にぞれぞれ示す。この実施形態では、ノズル開口１１が圧電素子とは反対のノズル基板１２０に穿設され、これらノズル開口１１と圧力発生室１２とを連通するノズル連通口２２が、封止板２０、共通インク室形成板３０及び薄肉板４１Ａ及びインク室側板４０Ａを貫通するように配されている。
【００８３】
なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１Ａとインク室側板４０Ａとを別部材とし、インク室側板４０Ａに開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述した実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００８４】
また、勿論、共通インク室を流路形成基板内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも同様に応用できる。
【００８５】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００８６】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００８７】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００８８】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００８９】
【発明の効果】
このように、本実施形態では、圧力発生室に対向する領域に下電極薄膜部が形成されているので、下電極の抵抗を小さく抑えて十分な電力を供給し、且つ圧電素子の特性を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図１の平面図及び断面図である。
【図３】図１の封止板の変形例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図及び変形例を示す要部断面図である。
【図６】本発明の実施形態２の薄膜製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図及び要部断面図である。
【図９】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す要部断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０流路形成基板
１２圧力発生室
５０弾性膜
６０下電極層
６０ａ下電極薄膜部
６０ｂ下電極厚膜部
７０圧電体層
８０上電極層
３００圧電素子
３２０圧電体能動部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head in which a piezoelectric element is formed via a vibration plate in a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging an ink droplet, and the ink droplet is discharged by displacement of the piezoelectric element, and manufacturing thereof. The present invention relates to a method and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening for discharging the ink droplet is constituted by a vibrating plate, and the vibrating plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generating chamber to discharge the ink droplet from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use, one using a vertical vibration mode piezoelectric actuator in which a piezoelectric element expands and contracts in the axial direction, and the other using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
In the former, the volume of the pressure generating chamber can be changed by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and a head suitable for high-density printing can be manufactured. There is a problem in that a difficult process of cutting the piezoelectric element into a comb shape in accordance with the pitch and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are required, and the manufacturing process is complicated.
[0004]
On the other hand, in the latter, a piezoelectric element can be formed on a diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of a piezoelectric material in accordance with the shape of the pressure generating chamber and firing the green sheet. However, there is a problem that a certain amount of area is required due to the use of, and that high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to solve the latter disadvantage of the recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-286131. A proposal has been made in which a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generating chamber by a lithography method and a piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber.
[0006]
According to this, the work of attaching the piezoelectric element to the diaphragm becomes unnecessary, and not only can the piezoelectric element be manufactured by the precise and simple method of lithography, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. There is an advantage that high-speed driving becomes possible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described manufacturing method using the thin film technology and the lithography method, the pressure generating chamber is formed after patterning the thin film. At this time, the vibration plate is placed on the side of the pressure generating chamber due to the internal stress relaxation of the upper electrode and the piezoelectric layer. There is a problem that this bending remains as initial deformation of the elastic film.
[0008]
Generally, since the lower electrode extends from the region facing the pressure generating chamber to the peripheral wall and constitutes the diaphragm together with the elastic film, there is a problem that the displacement efficiency is low. Also known is a structure in which the lower electrode on the both sides in the width direction of the pressure generating chamber, that is, the so-called lower electrode of the arm portion is over-etched to remove part or all of the lower electrode to increase the displacement efficiency. And the increase in excluded volume cannot be expected. This is considered to be because the elastic film reached the plastic deformation region beyond the elastic region. Furthermore, since the lower electrode is thin, the resistance of the lower electrode increases, causing a problem in power supply, and a problem that a part of the lower electrode is removed during patterning.
[0009]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head, a method of manufacturing the same, and an ink jet recording apparatus in which deterioration in characteristics of a piezoelectric element is prevented while maintaining displacement efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening, an elastic film constituting a part of the pressure generating chamber, a lower electrode provided on the elastic film, In an ink jet recording head including a piezoelectric layer formed on the lower electrode and an upper electrode formed on the piezoelectric layer, the lower electrode is a film at least in a region opposed to the pressure generating chamber. An ink jet recording head is characterized in that the thickness is formed smaller than the film thickness of other regions.
[0011]
In the first aspect, since the thickness of the lower electrode is reduced in the region facing the pressure generating chamber, the change in stress does not affect the piezoelectric layer, and deterioration in characteristics is avoided.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a piezoelectric active portion including the piezoelectric layer and the upper electrode is formed in a region facing the pressure generating chamber, and a piezoelectric active portion is formed below the piezoelectric active portion. The thickness of the lower electrode on the side and the thickness of the lower electrode on both sides in the width direction are the same.
[0013]
In the second aspect, deterioration of the characteristics of the piezoelectric element due to a change in stress of the lower electrode is avoided.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the lower electrode in a region facing the peripheral wall separating the pressure generating chambers is thicker than a region facing the pressure generating chamber. In the recording head.
[0015]
In the third aspect, the lower electrode can be made thicker in the region facing the peripheral wall to reduce the overall resistance.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the lower electrode has a multilayer structure of a plurality of layers made of a plurality of materials, and in a region opposed to the pressure generating chamber, the lower electrode has a plurality of layers. An ink jet recording head is characterized in that there is no part.
[0017]
According to the fourth aspect, the optimum lower electrode material can be selected according to the specific region to improve the actuator characteristics.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, a material forming at least a layer existing in a region facing the pressure generating chamber in the multilayer structure of the plurality of layers of the lower electrode is an oxide conductor. An ink jet recording head comprising a layer.
[0019]
In the fifth aspect, the vibration plate is less likely to be plastically deformed, and the characteristic change of the piezoelectric element after the formation of the pressure generating chamber is prevented.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the second to fifth aspects, the lower electrode includes a thick film portion formed thicker than another portion in a part of a region below the piezoelectric layer. And wherein the thick film portion extends to a region where the piezoelectric layer has been removed.
[0021]
In the sixth aspect, electrical connection between the lower electrode of the piezoelectric body active portion and the lower electrode other than the region facing the pressure generating chamber is ensured, and the resistance value of the entire lower electrode is reduced.
[0022]
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the thick film portion of the lower electrode extends outward from at least one end in the longitudinal direction of the piezoelectric layer pattern. In the ink jet recording head.
[0023]
In the seventh aspect, the electrical connection of the lower electrode can be reliably performed without affecting the driving of the piezoelectric active portion.
[0024]
An eighth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the sixth or seventh aspect, wherein at least a part of the lower electrodes on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion is substantially removed. It is in.
[0025]
In the eighth aspect, even if the lower electrodes are not continuously provided on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion, electrical connection can be made via the thick film portion.
[0026]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the pressure generation chamber is formed in a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each of the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode Is formed by film formation and a lithography method.
[0027]
In the ninth aspect, an ink jet recording head having high-density nozzle openings can be manufactured in a large amount and relatively easily.
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an ink jet recording apparatus including any one of the first to ninth ink jet recording heads.
[0029]
According to the tenth aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus in which the displacement efficiency of the piezoelectric element is improved.
[0030]
An eleventh aspect of the present invention comprises a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in a region corresponding to the pressure generating chamber on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber. In a method of manufacturing an ink jet recording head for forming a piezoelectric element, the lower electrode layer is formed on the elastic film, and the lower electrode layer is patterned by half-etching to form a lower electrode thin film portion in a region facing the pressure generating chamber. Forming a piezoelectric layer and an upper electrode layer on the lower electrode layer, and patterning the piezoelectric layer and the upper electrode layer in a region facing the pressure generating chamber. And a step of forming a piezoelectric element.
[0031]
In the eleventh aspect, since the piezoelectric layer is formed after the lower electrode is half-etched, the change in stress of the lower electrode does not affect the characteristics of the piezoelectric layer.
[0032]
A twelfth aspect of the present invention comprises a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in a region corresponding to the pressure generating chamber on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber. In a method of manufacturing an ink jet recording head for forming a piezoelectric element, a step of laminating a first conductor layer, a piezoelectric film, and the upper electrode layer on the elastic film; and a step of laminating the piezoelectric layer and the upper electrode layer. Patterning the piezoelectric element in a region opposed to the pressure generating chamber, and forming a second layer directly on the first conductor layer and the upper electrode layer or with another layer interposed therebetween. A method of manufacturing an ink jet recording head, comprising: a step of laminating a conductor layer; and a step of removing at least a region of the second conductor layer facing the pressure generating chamber.
[0033]
In the twelfth aspect, an optimum lower electrode material can be selected according to a specific region, and a high-characteristic actuator can be configured.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0035]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a diagram showing a cross-sectional structure of one of the pressure generating chambers in a longitudinal direction.
[0036]
As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment. As the flow path forming substrate 10, a substrate having a thickness of about 150 to 300 μm is usually used, and a substrate having a thickness of preferably about 180 to 280 μm, more preferably about 220 μm is suitable. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between the adjacent pressure generating chambers.
[0037]
One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and the other surface is formed with a 0.1 to 2 μm thick elastic film 50 made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation.
[0038]
On the other hand, nozzle openings 11 and pressure generating chambers 12 are formed on the opening surface of the flow path forming substrate 10 by anisotropically etching a silicon single crystal substrate.
[0039]
Here, in the anisotropic etching, when the silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as potassium hydroxide, the substrate is gradually eroded and a first (111) plane perpendicular to the (110) plane is formed. A second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (111) plane and forms an angle of about 35 degrees with the (110) plane appears, and is compared with the etching rate of the (110) plane by ( This is performed by utilizing the property that the etching rate of the (111) plane is about 1/180. By such anisotropic etching, precision processing can be performed based on depth processing of a parallelogram formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. , The pressure generating chambers 12 can be arranged at a high density.
[0040]
In this embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane, and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generating chambers 12 are formed by substantially penetrating the flow path forming substrate 10 and etching until reaching the elastic film 50. The amount of the elastic film 50 that is attacked by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small.
[0041]
On the other hand, each nozzle opening 11 communicating with one end of each pressure generating chamber 12 is formed narrower and shallower than the pressure generating chamber 12. That is, the nozzle opening 11 is formed by partially etching (half-etching) the silicon single crystal substrate in the thickness direction. Note that the half etching is performed by adjusting the etching time.
[0042]
Here, the size of the pressure generating chamber 12 that applies the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 11 that ejects the ink droplet are optimized according to the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. You. For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle openings 11 need to be formed with a groove width of several tens of μm with high accuracy.
[0043]
Each pressure generating chamber 12 communicates with a common ink chamber 31 described below via an ink supply communication port 21 formed at a position corresponding to one end of each pressure generating chamber 12 of the sealing plate 20 described later. The ink is supplied from the common ink chamber 31 through the ink supply communication port 21 and is distributed to the pressure generating chambers 12.
[0044]
The sealing plate 20 has, for example, a thickness of 0.1 to 1 mm and a linear expansion coefficient of 300 ° C. or lower, for example, 2 It is made of glass ceramics having a density of 0.5 to 4.5 [× 10 ⁻⁶ / ° C.]. In addition, as shown in FIGS. 3A and 3B, the ink supply communication port 21 may be a single slit hole 21A crossing the vicinity of the ink supply side end of each pressure generating chamber 12, or a plurality of slit holes. The hole 21B may be used. The sealing plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate for protecting the silicon single crystal substrate from impact and external force. The other surface of the sealing plate 20 forms one wall surface of the common ink chamber 31.
[0045]
The common ink chamber forming substrate 30 forms the peripheral wall of the common ink chamber 31, and is formed by punching a stainless steel plate having an appropriate thickness according to the number of nozzles and the ink droplet ejection frequency. In the present embodiment, the thickness of the common ink chamber forming substrate 30 is 0.2 mm.
[0046]
The ink chamber side plate 40 is made of a stainless steel substrate, and one surface of the ink chamber side plate 40 constitutes one wall surface of the common ink chamber 31. In the ink chamber side plate 40, a thin wall 41 is formed by forming a concave portion 40a by half etching on a part of the other surface, and an ink introduction port 42 for receiving ink supply from the outside is punched and formed. ing. The thin wall 41 is for absorbing the pressure generated at the time of discharging the ink droplet toward the side opposite to the nozzle opening 11, and is unnecessary for the other pressure generating chambers 12 via the common ink chamber 31. Prevents the application of positive or negative pressure. In the present embodiment, the ink chamber side plate 40 has a thickness of 0.2 mm and a part thereof has a thickness of 0.02 mm in consideration of rigidity required when the ink introduction port 42 is connected to an external ink supply unit. Although the wall 41 is used, the thickness of the ink chamber side plate 40 may be 0.02 mm from the beginning in order to omit the formation of the thin wall 41 by half etching.
[0047]
On the other hand, the lower electrode layer 60 having a thickness of, for example, about 0.2 to 0.5 μm and a thickness of, for example, about 1 μm are formed on the elastic film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. The piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated and formed by a process to be described later to configure the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode layer 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode layer 80. Generally, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each of the pressure generating chambers 12. Here, a portion which is constituted by one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which a piezoelectric strain is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In the present embodiment, the lower electrode layer 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode layer 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. In any case, the piezoelectric active portion is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate whose displacement is generated by driving the piezoelectric element 300 are referred to as a piezoelectric actuator. In the present embodiment, the lower electrode thin film portion 60a and the elastic film 50 described later function as a diaphragm, but the lower electrode thin film portion 60a may also serve as an elastic film.
[0048]
Here, a process of forming the piezoelectric layer 70 and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIG.
[0049]
As shown in FIG. 4A, first, a silicon single crystal substrate wafer serving as a flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide. Then, the lower electrode layer 60 is formed on the elastic film 50 by sputtering. As a material of the lower electrode layer 60, platinum or the like is preferable. This is because the piezoelectric layer 70 described below, which is formed by sputtering or a sol-gel method, needs to be crystallized by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. It is. That is, the material of the lower electrode layer 60 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere. In particular, when lead zirconate titanate is used as the piezoelectric layer 70, It is desirable that the change in conductivity due to the diffusion of lead is small, and for these reasons, platinum is preferred.
[0050]
Next, as shown in FIG. 4B, the lower electrode layer 60 is patterned. Here, the lower electrode is thinly formed by half-edging the region facing the pressure generation chamber 12 and the surrounding region on the peripheral wall of the pressure generation chamber.
[0051]
Next, as shown in FIG. 4C, a piezoelectric layer 70 and an upper electrode layer 80 are formed on the lower electrode layer 60. In the present embodiment, a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a catalyst is applied and dried to form a gel, and further, baked at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide, that is, a so-called sol-gel method is used. Formed. As a material of the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate (PZT) -based material is suitable when used in an ink jet recording head. The method for forming the piezoelectric layer 70 is not particularly limited, and may be, for example, a sputtering method.
[0052]
Further, a method of forming a precursor film of lead zirconate titanate by a sol-gel method, a sputtering method, or the like, and then performing crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0053]
The upper electrode layer 80 only needs to be a material having high conductivity, and can use many metals such as aluminum, gold, nickel, and platinum, and a conductive oxide. In the present embodiment, platinum is formed by sputtering.
[0054]
Next, as shown in FIG. 4 (d), the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 are etched and the whole is patterned to form the piezoelectric active section 320, the lower electrode thin section 60a and the lower electrode thick section 60b. Form.
[0055]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, as shown in FIG. 4E, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the above-described alkali solution to form the pressure generating chamber 12 and the like.
[0056]
FIG. 5A is a cross-sectional view of a main part of the ink jet recording head of the present embodiment thus formed.
[0057]
In the ink jet type recording head of the present embodiment, the piezoelectric active portion 320 including the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 is provided on the lower electrode thin film portion 60a corresponding to the pressure generating chamber 12. In addition, the piezoelectric layer 70 is not affected by the change in the stress of the lower electrode.
[0058]
The lower electrode thin film portion 60a, which is one electrode of the piezoelectric active portion 320, is connected to the lower electrode thick film portion 60b on the peripheral wall of the pressure generating chamber 12 and serves as a common electrode for each piezoelectric element 300. Although not shown, it is connected to an external wiring near the end. Therefore, the resistance of the lower electrode as a whole does not increase, and sufficient power can be supplied to the piezoelectric active portion 320.
[0059]
Here, as shown in FIG. 5B, the piezoelectric layer 71 and the upper electrode layer 81 formed on the lower electrode thick film portion 61 on the peripheral wall may be left as they are without being removed by etching. In this configuration, the lower electrode thick film portion 61 on the peripheral wall can be prevented from being over-etched and thinned, so that the resistance of the lower electrode thick film portion 61 can be prevented from increasing, and the piezoelectric active portion 320 can be prevented. Enough power can be supplied.
[0060]
In the series of film formation and anisotropic etching described above, a number of chips are simultaneously formed on one wafer, and after the process is completed, each chip-shaped flow path forming substrate 10 as shown in FIG. To divide. Further, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially adhered and integrated with the sealing plate 20, the common ink chamber forming substrate 30, and the ink chamber side plate 40 to form an ink jet recording head.
[0061]
The ink-jet head thus configured takes in ink from an ink inlet 42 connected to an external ink supply unit (not shown), fills the interior from the common ink chamber 31 to the nozzle opening 11 with ink, and then supplies the external ink (not shown). According to the recording signal from the drive circuit, a voltage is applied between the lower electrode thin film section 60a and the upper electrode layer 80, and the piezoelectric active section 320 is bent and deformed. Ink droplets are ejected from 11.
[0062]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a diagram illustrating a thin film manufacturing process of the ink jet recording head according to the second embodiment.
[0063]
As shown in FIG. 6A, first, an elastic film 50, a first conductor layer 62, a piezoelectric layer 70, and an upper electrode layer 80 are sequentially formed on a silicon single crystal substrate serving as the flow path forming substrate 10. I do. Here, the first conductor layer 62 is a layer made of a conductive oxide, and in this embodiment, iridium oxide is formed.
[0064]
Next, as shown in FIG. 6B, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 are etched and patterned to form a piezoelectric active portion 320. Further, as shown in FIG. A second conductor layer 63 is formed on the piezoelectric active part 320 and the first conductor layer 62. In the present embodiment, platinum is formed as the second conductor layer 63.
[0065]
Next, as shown in FIG. 6D, the second conductor layer 63 is patterned to form a first conductor layer 62 and a second conductor layer 63 on the peripheral wall of the pressure generating chamber 12. Is formed.
[0066]
Further, before forming the second conductive layer 63, a resist may be patterned in a region corresponding to the pressure generating chamber 12, and the second conductive layer 63 may be patterned by lift-off.
[0067]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, as shown in FIG. 6E, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the above-described alkali solution to form the pressure generating chamber 12 and the like.
[0068]
FIG. 7 is a sectional view of a main part of the ink jet recording head of the present embodiment thus formed.
[0069]
The ink jet recording head according to the present embodiment has a laminated structure in which the lower electrode is composed of the first conductor layer 62 and the second conductor layer 63, and the lower electrode has a region facing the pressure generating chamber 12 and a peripheral region thereof. There is no second conductor layer 63 in the region, and the structure is thinner than other portions. Therefore, similarly to the first embodiment, the piezoelectric layer is not affected by the change in the stress of the lower electrode.
[0070]
Further, in the present embodiment, the first conductor layer 62 in the region facing the pressure generating chamber is formed of a material having relatively high rigidity and difficult to be plastically deformed. Plastic deformation can be suppressed. Further, the lower electrode on the peripheral wall has a laminated structure of the second conductive layer 63 and the first conductive layer 62 having good conductivity, thereby preventing the overall resistance from increasing and allowing the piezoelectric active portion 320 Enough power can be supplied.
[0071]
Further, by forming the elastic film 50 with a ceramic material such as zirconia or a laminated structure of a ceramic material layer and a silicon dioxide layer, a change in the diaphragm can be further suppressed, and a stable actuator can be manufactured.
[0072]
(Embodiment 3)
FIGS. 8A and 8B are a front view and a cross-sectional view of a main part of an inkjet recording head according to a third embodiment.
[0073]
The present embodiment is similar to the first embodiment except that a lower electrode thick film portion 64 is formed in a part of a region below a longitudinal end of a piezoelectric active portion 320 including a piezoelectric layer 70 and an upper electrode layer 80. Is the same as The lower electrode thick film portion 64 is patterned together when the lower electrode thick film portion 60b is formed on the peripheral wall portion, and is connected outside the piezoelectric active portion 320 in the longitudinal direction.
[0074]
As described above, in the present embodiment, the electrical connection is reliably made to the lower electrode thin film portion 60 a in the region below the piezoelectric active portion 320 via the lower electrode thick film portion 64 at the end of the piezoelectric active portion 320. Thus, sufficient electric power can be supplied to the piezoelectric active section 320. Further, with such a structure, when patterning the piezoelectric active portion 320, even if the lower electrode thin film portion 60a in the region on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion 320 is over-etched, it is partially removed completely. , Electrical connection can be secured.
[0075]
The lower electrode thick film portion 64 is preferably provided at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric active portion 320, but may be provided only at one end.
[0076]
In the present embodiment, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 are provided up to the lower electrode thick film portion 64. However, the present invention is not limited to this. As shown in FIG. The piezoelectric active part 320 may be patterned only on the thin film part 60a.
[0077]
Further, as shown in FIG. 9B, after the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 are patterned so as to remain on the lower electrode thick film portion 64, the piezoelectric layer 70 is half-etched to remove the piezoelectric layer. The portion 71 may be formed.
[0078]
Further, in the present embodiment, the lower electrode thick film portion 64 extends from the longitudinal direction of the piezoelectric body active portion 320, but may extend from the lateral direction, or may be provided at a plurality of locations. Needless to say, this may be done.
[0079]
(Other embodiments)
As described above, each embodiment of the present invention has been described, but the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to the above.
[0080]
For example, in addition to the sealing plate 20 described above, the common ink chamber forming plate 30 may be made of glass ceramic, and the thin film 41 may be made of glass ceramic as a separate member. It is.
[0081]
Further, in the above-described embodiment, the nozzle opening is formed on the end surface of the flow path forming substrate 10, but a nozzle opening connected in a direction perpendicular to the surface may be formed.
[0082]
FIG. 10 is an exploded perspective view of the embodiment configured as described above, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the channel. In this embodiment, the nozzle opening 11 is formed in the nozzle substrate 120 opposite to the piezoelectric element, and the nozzle communication port 22 that connects the nozzle opening 11 and the pressure generating chamber 12 is formed with the sealing plate 20 and the common ink chamber. It is arranged so as to penetrate the forming plate 30, the thin plate 41A, and the ink chamber side plate 40A.
[0083]
The present embodiment is basically the same as the above-described embodiment except that the thin plate 41A and the ink chamber side plate 40A are separate members, and the opening 40b is formed in the ink chamber side plate 40A. Are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0084]
Further, needless to say, the present invention can be similarly applied to an ink jet recording head of a type in which a common ink chamber is formed in a passage forming substrate.
[0085]
As described above, the present invention can be applied to ink jet recording heads having various structures, as long as the gist of the present invention is not contradicted.
[0086]
Further, the ink jet recording head of each of the embodiments constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 12 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0087]
As shown in FIG. 12, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording heads are provided with detachable cartridges 2A and 2B constituting an ink supply unit, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B discharge, for example, a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0088]
Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears (not shown) and the timing belt 7, so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. You. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is wound around the platen 8. It is designed to be transported.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, in the present embodiment, since the lower electrode thin film portion is formed in the region facing the pressure generating chamber, sufficient electric power is supplied by suppressing the resistance of the lower electrode, and the characteristics of the piezoelectric element are improved. It has the effect that it can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of the inkjet recording head according to the first embodiment of the present invention, illustrating the same.
FIG. 3 is a view showing a modification of the sealing plate of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are a main part cross-sectional view and a main part cross-sectional view illustrating a modified example of the inkjet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a thin film manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of a main part of an ink jet recording head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 8 is a plan view and a cross-sectional view of a main part of an inkjet recording head according to a third embodiment of the invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part showing a modification of the ink jet recording head according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 flow path forming substrate 12 pressure generating chamber 50 elastic film 60 lower electrode layer 60a lower electrode thin film portion 60b lower electrode thick film portion 70 piezoelectric layer 80 upper electrode layer 300 piezoelectric element 320 piezoelectric active portion

Claims

A pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, an elastic film forming a part of the pressure generating chamber, a lower electrode provided on the elastic film, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, In an ink jet recording head having an upper electrode formed on the piezoelectric layer,
The ink jet recording head according to claim 1, wherein the lower electrode is formed so that at least a region facing the pressure generating chamber has a smaller thickness than other regions.

2. A piezoelectric active portion comprising the piezoelectric layer and the upper electrode is formed in a region facing the pressure generating chamber, and a lower electrode on the lower side of the piezoelectric active portion and both sides in the width direction thereof. An ink jet recording head, wherein the thickness of the lower electrode is the same.

3. The ink jet recording head according to claim 1, wherein a lower electrode in a region facing the peripheral wall separating the pressure generating chambers is thicker than a region facing the pressure generating chambers.

The ink-jet according to any one of claims 1 to 3, wherein the lower electrode has a multilayer structure of a plurality of layers made of a plurality of materials, and has no part of the plurality of layers in a region facing the pressure generating chamber. Type recording head.

5. The ink-jet method according to claim 4, wherein a material forming at least a layer existing in a region facing the pressure generating chamber in the multilayer structure of the lower electrode includes an oxide conductor layer. Recording head.

The lower electrode according to any one of claims 2 to 5, wherein the lower electrode has a thick film portion formed in a part of a region below the piezoelectric layer so as to be thicker than another portion, and the thick film portion is formed of the piezoelectric film. An ink jet recording head extending to a region where a body layer has been removed.

7. The ink jet recording head according to claim 6, wherein the thick film portion of the lower electrode extends outward from at least one end in the longitudinal direction of the piezoelectric layer pattern.

8. The ink jet recording head according to claim 6, wherein at least a part of the lower electrode on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion is substantially removed.

9. The pressure generating chamber according to claim 1, wherein the pressure generating chamber is formed by anisotropic etching on a silicon single crystal substrate, and the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are formed by film formation and lithography. An ink jet recording head, characterized in that:

An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 1.

An ink jet recording head for forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in a region corresponding to the pressure generating chamber on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber. Forming the lower electrode layer on the elastic film and patterning the lower electrode layer by half-etching to form a lower electrode thin film portion in a region facing the pressure generating chamber; Forming a piezoelectric layer and an upper electrode layer on the layer; and patterning the piezoelectric layer and the upper electrode layer to form the piezoelectric element in a region facing the pressure generating chamber. A method for manufacturing an ink jet recording head, comprising:

An ink jet recording head for forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in a region corresponding to the pressure generating chamber on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber. A step of laminating a first conductive layer, a piezoelectric film, and the upper electrode layer on the elastic film, and patterning the piezoelectric layer and the upper electrode layer to form the pressure generating chamber. Forming the piezoelectric element in a region opposed to, and laminating a second conductor layer directly or with another layer interposed on the first conductor layer and the upper electrode layer, Removing at least a region of the second conductor layer facing the pressure generating chamber.