JP2000094674A - Ink-jet type recording head - Google Patents

Ink-jet type recording head

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JP2000094674A
JP2000094674A JP26958298A JP26958298A JP2000094674A JP 2000094674 A JP2000094674 A JP 2000094674A JP 26958298 A JP26958298 A JP 26958298A JP 26958298 A JP26958298 A JP 26958298A JP 2000094674 A JP2000094674 A JP 2000094674A
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JP
Japan
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thin film
recording head
piezoelectric
diaphragm
ink
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JP26958298A
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Japanese (ja)
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Koji Sumi
浩二 角
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ink-jet type recording head which has a superior ink discharge performance through the elimination of deflection of a diaphragm in manufacturing the head. SOLUTION: This ink-jet type recording head has a piezoelectric thin film element 60 arranged via a diaphragm 51 to at least one face of a pressure chamber substrate having a pressure chamber 10 filled with ink and also a bimetal layer 50 interposed between the diaphragm 51 and the piezoelectric thin film element 60. The bimetal layer 50 comprises a first thin film 52 formed to the side of the pressure chamber 10 and a second thin film 54 formed to the side of the piezoelectric thin film element. When a coefficient of linear expansion of the first thin film 52 is α1 and a coefficient of linear expansion of the second thin film 54 is α2, the bimetal layer is constituted to satisfy a relationship of α1>α2. When heat is applied to the bimetal layer 50, the diaphragm 51 displaces in a direction reducing a pressure of the pressure chamber 10, and therefore deflection of the diaphragm 51 is eliminated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はインク滴を吐出して
記録用紙に印字を行うオンデマンド型インクジェット式
記録ヘッドの改良に係わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement of an on-demand type ink jet recording head which performs printing on recording paper by discharging ink droplets.

【0002】[0002]

【従来の技術】入力される印字データに応じて選択的に
インク滴を記録用紙に吐出して文字、或いは所望の画像
を得るインクジェットプリンタに用いられるインクジェ
ット式記録ヘッドは、インク吐出の駆動源(アクチュエ
ータ)として機能する圧電体薄膜素子を備えている。こ
の圧電体薄膜素子はジルコン酸チタン酸鉛等の圧電性セ
ラミックスの薄膜、即ち、圧電体膜が上部電極と下部電
極で挟まれた構造をしている。この圧電体膜は電圧を印
加することで変形を生じ、また、圧力を加えることで電
圧を生ずるため、電気機械変換素子として機能する。ペ
ロブスカイト(perovskite)結晶構造を有するセラミッ
クスはこの作用を顕著に示すものが多いため、圧電体膜
の材料に用いられている。
2. Description of the Related Art An ink jet recording head used in an ink jet printer for selectively ejecting ink droplets onto recording paper in accordance with input print data to obtain a character or a desired image is provided with a driving source for ink ejection ( And a piezoelectric thin film element that functions as an actuator. This piezoelectric thin film element has a structure in which a piezoelectric ceramic thin film such as lead zirconate titanate, that is, a piezoelectric film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. The piezoelectric film is deformed by applying a voltage and generates a voltage by applying a pressure, and thus functions as an electromechanical transducer. Many ceramics having a perovskite crystal structure exhibit this effect remarkably, and are therefore used as a material for a piezoelectric film.

【0003】従来、このインクジェット式記録ヘッド
は、振動板として機能する二酸化珪素膜を基板表面に成
膜した後、この二酸化珪素膜上に下部電極、圧電体膜及
び上部電極を順次成膜し、この積層構造をエッチングし
て加圧室が形成されるべき位置に合わせて圧電体薄膜素
子を形成した後、基板の反対側に加圧室をエッチングす
ることで形成していた。
Conventionally, in this ink jet recording head, after a silicon dioxide film functioning as a diaphragm is formed on a substrate surface, a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially formed on the silicon dioxide film. This laminated structure is etched to form a piezoelectric thin-film element at a position where a pressure chamber is to be formed, and then formed by etching the pressure chamber on the opposite side of the substrate.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は上記の製造方法でインクジェット式記録ヘッドを製
造すると、加圧室形成後、膜内部の残留応力との関係
で、振動板が加圧室側へたわむことを見出した。例え
ば、図4(A)に示すように、インクジェット式記録ヘ
ッドの製造後、振動板51が加圧室10側へdx1変位
する。振動板の最大変位量を200nmとすると、dx
1は20nm前後であることが確認された(同図におい
て符号61は下部電極、62は圧電体膜、63は上部電
極、11は側壁、2はノズルプレートである。)。これ
は、熱等を加えられた振動板内に不均一な塑性変形が生
じており、熱等を除去した後にもそれが残って局所的に
大きさや方向の異なる内部応力が生じているためと考え
られる。このように、振動板が加圧室側へたわむと、圧
電体膜の引張り応力が緩和され、圧電体膜の圧電特性が
低下する問題がある。また、振動板の実質的な変位量が
減少するため、インクの吐出量が低下する原因にもな
る。さらに、インクの吐出回数の増加に伴い、圧電体薄
膜素子内の残留分極が大きくなり、振動板が元の位置に
戻らなくなる現象が生じる場合がある(以下、「分極疲
労」という)。
However, when the present inventor manufactures an ink jet recording head by the above-described manufacturing method, after the formation of the pressurizing chamber, the vibrating plate is moved due to the residual stress inside the film. I found it to bend to the side. For example, as shown in FIG. 4A, after manufacturing the ink jet recording head, the diaphragm 51 is displaced dx 1 toward the pressure chamber 10. Assuming that the maximum displacement of the diaphragm is 200 nm, dx
It was confirmed that 1 was about 20 nm (in the figure, reference numeral 61 is a lower electrode, 62 is a piezoelectric film, 63 is an upper electrode, 11 is a side wall, and 2 is a nozzle plate). This is because non-uniform plastic deformation has occurred in the diaphragm to which heat has been applied, which remains even after heat has been removed, and local internal stresses having different sizes and directions have occurred. Conceivable. As described above, when the diaphragm bends toward the pressurizing chamber, the tensile stress of the piezoelectric film is relaxed, and there is a problem that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film deteriorate. Further, since the substantial displacement amount of the vibration plate is reduced, the displacement amount of the ink is also reduced. Further, as the number of ink ejections increases, the residual polarization in the piezoelectric thin film element increases, and a phenomenon may occur in which the diaphragm does not return to its original position (hereinafter referred to as “polarization fatigue”).

【0005】そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、こ
のような振動板のたわみを解消し、インク吐出特性に優
れたインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題
とする。
[0005] In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an ink jet recording head which eliminates such deflection of the diaphragm and has excellent ink ejection characteristics.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
式記録ヘッドは、インクが充填される加圧室を備える加
圧室基板の少なくとも一方の面に、振動板を介して圧電
体薄膜素子を配置したインクジェット式記録ヘッドにお
いて、振動板と圧電体薄膜素子の間に線膨張係数の異な
る2層の薄膜(バイメタル層:bimetal layer)を積層
したものである。
According to the ink jet recording head of the present invention, a piezoelectric thin film element is disposed via a diaphragm on at least one surface of a pressurizing chamber substrate having a pressurizing chamber filled with ink. In this ink jet recording head, two thin films (bimetal layers) having different linear expansion coefficients are laminated between the vibration plate and the piezoelectric thin film element.

【0007】バイメタル層は加圧室側に成膜された第1
の薄膜と、圧電体薄膜素子側に成膜された第2の薄膜と
から成膜され、第1の薄膜の線膨張係数をα1、第2の
薄膜の線膨張係数をα2とすると、α1<α2の関係を満
たすように成膜する。このように、第2の薄膜の線膨張
係数を第1の薄膜の線膨張係数よりも大きくすること
で、バイメタル層に熱を与えれば、加圧室を減圧する方
向(たわみの方向と逆方向)に振動板が変位するため、
振動板のたわみを解消することができる。
The first bimetal layer is formed on the side of the pressure chamber.
And a second thin film formed on the piezoelectric thin film element side, where a linear expansion coefficient of the first thin film is α 1 , and a linear expansion coefficient of the second thin film is α 2 , The film is formed so as to satisfy the relationship of α 12 . As described above, by making the linear expansion coefficient of the second thin film larger than the linear expansion coefficient of the first thin film, if heat is applied to the bimetal layer, the pressure in the pressure chamber is reduced (the direction opposite to the direction of deflection). ) Because the diaphragm is displaced
The deflection of the diaphragm can be eliminated.

【0008】例えば、バイメタル層は、第2の薄膜と第
1の薄膜の組み合わせを、Ni/W,Cu/W,Cr/
W,Al/Cr,ガラス/W,Au/W,α−Al23
/W,TiO2/Wのうち何れかとする。
For example, the bimetal layer is formed by combining a combination of the second thin film and the first thin film with Ni / W, Cu / W, Cr /
W, Al / Cr, glass / W, Au / W, α-Al 2 O 3
/ W or TiO 2 / W.

【0009】好ましくは、振動板と圧電体薄膜素子の間
に上記2層の薄膜を加熱するための薄膜(発熱層)を備
える。この発熱層は、例えば、窒化タンタル、酸化ルビ
ジウム又はTa−Al合金等から成膜され、ヒータの役
割を担うものである。この発熱層は第1の薄膜と第2の
薄膜の間に介在しても良く、また、下部電極と第2の薄
膜の間若しくは振動板と第1の薄膜の間に介在させても
良い。
Preferably, a thin film (heating layer) for heating the two thin films is provided between the diaphragm and the piezoelectric thin film element. The heat generating layer is formed of, for example, tantalum nitride, rubidium oxide, a Ta-Al alloy, or the like, and plays a role of a heater. This heat generating layer may be interposed between the first thin film and the second thin film, or may be interposed between the lower electrode and the second thin film or between the diaphragm and the first thin film.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本実施の形態を図1乃至図
4を参照して説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present embodiment will be described below with reference to FIGS.

【0011】(インクジェット式記録ヘッドの構成)イ
ンクジェット式記録ヘッドの構造を図3を参照して説明
する。同図に示すインクジェット式記録ヘッドの分解斜
視図は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成される
タイプである。同図に示すように、インクジェット式記
録ヘッドは、主に加圧室基板1、ノズルプレート2及び
基体3から構成される。
(Structure of Inkjet Recording Head) The structure of the inkjet recording head will be described with reference to FIG. The exploded perspective view of the ink jet recording head shown in the figure is of a type in which an ink supply flow path is formed in a pressurizing chamber substrate. As shown in FIG. 1, the ink jet recording head mainly includes a pressure chamber substrate 1, a nozzle plate 2, and a base 3.

【0012】加圧室基板1はシリコン単結晶基板上に形
成された後、各々に分離される。加圧室基板1には複数
の短冊状の加圧室10が設けられ、全ての加圧室10に
インクを供給するための共通流路12を備える。加圧室
10の間は側壁11により隔てられている。加圧室10
は2列に配列され、一列当たり128個形成されてお
り、256ノズルの印字密度を有するインクジェット式
記録ヘッドを実現している。加圧室基板1の基体3側に
は振動板膜及び圧電体薄膜素子(図示せず)が形成され
ている。また、各圧電体薄膜素子からの配線はフレキシ
ブルケーブルである配線基板4に収束され、インク吐出
制御回路(図示せず)と接続される。このインク吐出制
御回路にはプリンタ内のコンピュータから印字データが
供給され、所定のタイミングで圧電体薄膜素子を駆動す
ることでインク滴を吐出し、記録用紙に印字する。
The pressure chamber substrate 1 is formed on a silicon single crystal substrate and then separated. The pressure chamber substrate 1 is provided with a plurality of strip-shaped pressure chambers 10 and has a common flow channel 12 for supplying ink to all the pressure chambers 10. The pressure chambers 10 are separated by side walls 11. Pressurizing chamber 10
Are arranged in two rows, and 128 are formed in one row, thereby realizing an ink jet recording head having a print density of 256 nozzles. On the substrate 3 side of the pressurizing chamber substrate 1, a diaphragm film and a piezoelectric thin film element (not shown) are formed. The wiring from each piezoelectric thin film element is converged on a wiring board 4 which is a flexible cable, and is connected to an ink discharge control circuit (not shown). The ink ejection control circuit is supplied with print data from a computer in the printer, and drives the piezoelectric thin film element at a predetermined timing to eject ink droplets and print on recording paper.

【0013】ノズルプレート2は加圧室基板1に接合さ
れる。ノズルプレート2における加圧室10に対応する
位置にはインク滴を摘出するためのノズル21が形成さ
れている。ノズル21は所定の配列ピッチで2列形成さ
れている。各列の間隔は180分の1インチであり、ノ
ズル21の配列ピッチは360分の1インチである。
The nozzle plate 2 is joined to the pressure chamber substrate 1. At a position corresponding to the pressurizing chamber 10 in the nozzle plate 2, a nozzle 21 for extracting an ink droplet is formed. The nozzles 21 are formed in two rows at a predetermined arrangement pitch. The interval between each row is 1/180 inch, and the arrangement pitch of the nozzles 21 is 360 / inch.

【0014】基体3はプラスチック、金属等の鋼体であ
り、加圧室基板1の取付台となる。
The base 3 is a steel body such as plastic or metal, and serves as a mounting base for the pressurizing chamber substrate 1.

【0015】(インクジェット式記録ヘッドの主要部)
インクジェット式記録ヘッドの主要部の断面図を図1に
示す。同図は図3におけるA―A断面図に相当する。
(Main parts of ink jet recording head)
FIG. 1 is a sectional view of a main part of the ink jet recording head. This figure corresponds to the AA cross-sectional view in FIG.

【0016】インクジェット式記録ヘッドの主要部は、
主に、圧電体薄膜素子60、バイメタル層50、振動板
51、加圧室10及びノズルプレート2から構成され
る。圧電体薄膜素子60は上部電極63と下部電極61
に挟まれた圧電体膜62とから構成される。上部電極6
3と下部電極61は、白金、イリジウム、酸化イリジウ
ム、金、アルミニウム、ニッケル等から選択される導電
性材質である。圧電体膜60の組成として圧電特性を有
する圧電性セラミックスを用いる。例えば、PZT系圧
電性材料や、この系に酸化ニオブ酸、酸化ニッケル又は
酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好
適である。圧電体膜60の組成は圧電体薄膜素子の特
性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタ
ン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(Pb
(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZr
3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),Ti
3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,L
a)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸
ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,
Nb)O3)等を用いることができる。
The main parts of the ink jet recording head are:
It mainly comprises a piezoelectric thin film element 60, a bimetal layer 50, a vibration plate 51, a pressure chamber 10, and a nozzle plate 2. The piezoelectric thin film element 60 includes an upper electrode 63 and a lower electrode 61.
And a piezoelectric film 62 sandwiched between them. Upper electrode 6
3 and the lower electrode 61 are made of a conductive material selected from platinum, iridium, iridium oxide, gold, aluminum, nickel and the like. A piezoelectric ceramic having piezoelectric characteristics is used as the composition of the piezoelectric film 60. For example, a PZT-based piezoelectric material or a material obtained by adding a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide, or magnesium oxide to this system is preferable. The composition of the piezoelectric film 60 is appropriately selected in consideration of the characteristics, use, and the like of the piezoelectric thin film element. Specifically, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb
(Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZr
O 3 ), lanthanum lead titanate ((Pb, La), Ti
O 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, L
a) (Zr, Ti) O 3 ) or lead magnesium zirconium niobate titanate (Pb (Zr, Ti) (Mg,
Nb) O 3 ) can be used.

【0017】振動板51と下部電極61間には発熱層5
3を介して、線膨張係数の異なる第1の薄膜(タングス
テン)52及び第2の薄膜(ニッケル)54が成膜さ
れ、バイメタル層50を構成している。これらの第1の
薄膜及び第2の薄膜の組み合わせは、第1の薄膜の線膨
張係数をα1、第2の薄膜の線膨張係数をα2とすると、
α1<α2の関係を満たすように選ばれる。例えば、第2
の薄膜/第1の薄膜の組み合わせは、上述のNi/Wの
組み合わせの他、Cr/W,Al/Cr,ガラス/W,
Au/W,α−Al23/W,TiO2/Wの組み合わ
せでもよい。
The heating layer 5 is provided between the diaphragm 51 and the lower electrode 61.
3, a first thin film (tungsten) 52 and a second thin film (nickel) 54 having different linear expansion coefficients are formed to form a bimetal layer 50. The combination of these first thin film and second thin film is as follows, where the linear expansion coefficient of the first thin film is α 1 and the linear expansion coefficient of the second thin film is α 2 .
It is selected so as to satisfy the relationship of α 12 . For example, the second
The combination of the thin film / the first thin film is not only the above-mentioned Ni / W combination but also Cr / W, Al / Cr, glass / W,
A combination of Au / W, α-Al 2 O 3 / W, and TiO 2 / W may be used.

【0018】例えば、ニッケルの線膨張係数は12.7
9×10-6deg-1であり、タングステンの線膨張係数は
1.43×10-6deg-1であるから、ニッケル(第2の
薄膜)及びタングステン(第1の薄膜)を65℃に加熱
すると、図4(B)に示すように、加圧室10を減圧す
る方向にdx2だけ変位する。ここで、dx2は20nm
であり、加圧室の幅Lは50μmである。このような構
成により、振動板51のたわみdx1(≒20μm)を
解消することができる。
For example, the linear expansion coefficient of nickel is 12.7.
Since 9 × 10 −6 deg −1 and the coefficient of linear expansion of tungsten is 1.43 × 10 −6 deg −1 , nickel (second thin film) and tungsten (first thin film) are heated to 65 ° C. When heated, as shown in FIG. 4B, the pressure chamber 10 is displaced by dx 2 in the direction of reducing the pressure. Here, dx 2 is 20 nm
And the width L of the pressurizing chamber is 50 μm. With such a configuration, the deflection dx 1 (≒ 20 μm) of the diaphragm 51 can be eliminated.

【0019】また、発熱層53は電流を流すことで発熱
する薄膜であり、上記第1の薄膜、第2の薄膜を所定の
温度(例えば、60℃前後)に加熱する役割を担う。例
えば、窒化タンタル、酸化ルビジウム又はTa−Al合
金等で成膜する。発熱層53は第1の薄膜52と第2の
薄膜5間に限らず、下部電極61と第2の薄膜54間或
いは振動板51と第1の薄膜52間に介在しても良い。
The heat generating layer 53 is a thin film that generates heat by passing an electric current, and plays a role of heating the first thin film and the second thin film to a predetermined temperature (for example, about 60 ° C.). For example, a film is formed using tantalum nitride, rubidium oxide, a Ta-Al alloy, or the like. The heat generating layer 53 is not limited to the space between the first thin film 52 and the second thin film 5, but may be interposed between the lower electrode 61 and the second thin film 54 or between the diaphragm 51 and the first thin film 52.

【0020】但し、この発熱層53は本発明において必
ず必要なものではなく、他の手段で第1の薄膜及び第2
の薄膜を加熱することができれば、この発熱層53は不
用である。
However, the heat generating layer 53 is not always required in the present invention, and the first thin film and the second thin film are formed by other means.
This heating layer 53 is unnecessary if the thin film can be heated.

【0021】振動板51は、例えば、二酸化珪素膜で成
膜され、加圧室10を加圧する他、下部電極61とシリ
コン単結晶基板13(加圧室基板1)間を絶縁する役割
をも担う。
The diaphragm 51 is formed of, for example, a silicon dioxide film and pressurizes the pressurizing chamber 10 and also has a role of insulating the lower electrode 61 from the silicon single crystal substrate 13 (pressurizing chamber substrate 1). Carry.

【0022】加圧室基板1はシリコン単結晶基板13を
エッチングすることで、加圧室10、側壁11等が形成
されたものである。この加圧室10にはインクが供給さ
れ、圧電体薄膜素子60の振動を振動板51を介して加
圧室10に伝えることで、加圧室10内が加圧され、ノ
ズル21からインク滴が吐出される。
The pressure chamber substrate 1 has a pressure chamber 10, side walls 11 and the like formed by etching a silicon single crystal substrate 13. Ink is supplied to the pressurizing chamber 10, and the vibration of the piezoelectric thin film element 60 is transmitted to the pressurizing chamber 10 via the vibration plate 51, so that the inside of the pressurizing chamber 10 is pressurized and the ink droplets are Is discharged.

【0023】 本工程はシリコン単結晶基板13上に振動板51、バイ
メタル層50及び圧電体薄膜素子60となる各種薄膜を
成膜する工程である。シリコン単結晶基板13として、
例えば、直径100mm、厚さ220μmのシリコン単
結晶基板を用いる。振動板51は、例えば、1100℃
の炉の中で、乾燥酸素を流して22時間程度熱酸化さ
せ、約1μmの膜厚の熱酸化膜とすることで形成する。
あるいは、1100℃の炉の中で、水蒸気を含む酸素を
流して5時間程度熱酸化させ、約1μmの膜厚の熱酸化
膜を形成してもよい。その他、CVD法等の成膜法を適
宜選択して成膜してもよい。振動板51は、シリコン単
結晶基板13と下部電極61間を電気的に絶縁する他、
エッチング処理に対する保護層となる。振動板51とし
て、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニウム膜、酸
化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜で
もよく、さらに、振動板自体をなくして後述する下部電
極に振動板の役割を兼ねてもよい。
[0023] This step is a step of forming various thin films to be the diaphragm 51, the bimetal layer 50, and the piezoelectric thin film element 60 on the silicon single crystal substrate 13. As the silicon single crystal substrate 13,
For example, a silicon single crystal substrate having a diameter of 100 mm and a thickness of 220 μm is used. The vibration plate 51 is, for example, 1100 ° C.
In this furnace, dry oxygen is flowed and thermal oxidation is performed for about 22 hours to form a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm.
Alternatively, a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm may be formed by flowing oxygen containing water vapor in a furnace at 1100 ° C. and performing thermal oxidation for about 5 hours. Alternatively, a film may be formed by appropriately selecting a film forming method such as a CVD method. The vibration plate 51 electrically insulates between the silicon single crystal substrate 13 and the lower electrode 61,
It becomes a protective layer against the etching process. The vibration plate 51 is not limited to a silicon dioxide film, but may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film. Is also good.

【0024】この振動板51上にスパッタ成膜法等の薄
膜形成法を用いて第1の薄膜52、発熱層53及び第2
の薄膜54を順次成膜する。第1の薄膜はタングステ
ン、クロム等から選び、第2の薄膜はニッケル、銅、ク
ロム、アルミニウム、ガラス、金、α−Al23、酸化
チタン等から選ぶ。発熱層53は窒化タンタル、酸化ル
ビジウム又はTa−Al合金等から適宜選択すれば良
い。次いで、第2の薄膜上に下部電極61を成膜した
後、圧電体膜62を成膜する。
The first thin film 52, the heat generating layer 53 and the second thin film 52 are formed on the vibration plate 51 by using a thin film forming method such as a sputtering film forming method.
Are sequentially formed. The first thin film is selected from tungsten, chromium, and the like, and the second thin film is selected from nickel, copper, chromium, aluminum, glass, gold, α-Al 2 O 3 , titanium oxide, and the like. The heat generation layer 53 may be appropriately selected from tantalum nitride, rubidium oxide, a Ta-Al alloy, or the like. Next, after the lower electrode 61 is formed on the second thin film, the piezoelectric film 62 is formed.

【0025】圧電体膜62をゾル・ゲル法で成膜する場
合は、まず、圧電体膜を形成可能な金属成分の水酸化物
の水和錯体、即ち、ゾルを脱水処理してゲルとし、さら
に加熱焼成して無機酸化物(圧電体膜)を得る。具体的
には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛のモル混合比が44
%:56%となるようなPZT系圧電体膜の前駆体をゾ
ル・ゲル法にて、最終的な膜厚が0.4μmとなるまで
所望の回数(例えば、3回)の充填/乾燥/脱脂を繰り
返して成膜する。乾燥工程は、自然乾燥又は200℃以
下の温度に加熱することで行えば良い。脱脂工程は、ゾ
ル組成物の膜をゲル化し、且つ、膜中から有機物を除去
するのに充分な温度で、十分な時間加熱することで行
う。この工程で残留有機物を実質的に含まない非晶質の
金属酸化物からなる多孔質ゲル薄膜とする。この圧電体
膜前駆体を成膜後、圧電体膜前駆体を結晶化させるため
に3回目の脱脂後に基板全体を加熱する。この工程は赤
外線輻射光源(図示せず)を用いて基板の両面から酸素
雰囲気中で650℃で5分保持した後、900℃で1分
加熱し、その後自然降温させる。この工程で圧電体膜前
駆体は上記の組成で結晶化及び焼結し、ペロブスカイト
結晶構造を備える圧電体膜62となる。このように、ゾ
ル・ゲル法で成膜する場合は、PZT系圧電体膜前駆体
の塗布量を適宜調整することで圧電体膜62を成膜する
ことができる。
When the piezoelectric film 62 is formed by the sol-gel method, first, a hydrated complex of a hydroxide of a metal component capable of forming the piezoelectric film, that is, the sol is dehydrated to form a gel, Further, by heating and firing, an inorganic oxide (piezoelectric film) is obtained. Specifically, the molar mixing ratio of lead titanate and lead zirconate is 44
%: The precursor of the PZT-based piezoelectric film is adjusted to 56% by a sol-gel method by a desired number (for example, three times) of filling / drying / drying until the final film thickness becomes 0.4 μm. A film is formed by repeating degreasing. The drying step may be performed by natural drying or heating to a temperature of 200 ° C. or less. The degreasing step is performed by heating the sol composition film at a temperature and for a sufficient period of time and at a temperature sufficient to remove the organic substances from the film. In this step, a porous gel thin film made of an amorphous metal oxide substantially free of residual organic matter is obtained. After forming the piezoelectric film precursor, the entire substrate is heated after the third degreasing to crystallize the piezoelectric film precursor. In this step, the substrate is kept at 650 ° C. for 5 minutes in an oxygen atmosphere from both sides of the substrate using an infrared radiation light source (not shown), heated at 900 ° C. for 1 minute, and then cooled naturally. In this step, the piezoelectric film precursor is crystallized and sintered with the above composition, and becomes the piezoelectric film 62 having a perovskite crystal structure. As described above, when the film is formed by the sol-gel method, the piezoelectric film 62 can be formed by appropriately adjusting the application amount of the PZT-based piezoelectric film precursor.

【0026】圧電体膜62を成膜後、電子ビーム蒸着
法、スパッタ法等の技術を用いて白金等で上部電極63
を成膜する。
After the piezoelectric film 62 is formed, the upper electrode 63 is made of platinum or the like using a technique such as electron beam evaporation or sputtering.
Is formed.

【0027】圧電体薄膜素子分離工程(同図(B)) 本工程は上部電極63及び圧電体膜62をエッチングす
ることで、圧電体薄膜素子60を分離する工程である。
上部電極63及び圧電体膜62に対して、加圧室10が
形成されるべき位置に合わせて適当なエッチングマスク
(図示せず)を施し、イオンミリングを用いて所定の分
離形状に形成する。
Step of Separating Piezoelectric Thin Film Element (FIG. 2B) This step is a step of separating the piezoelectric thin film element 60 by etching the upper electrode 63 and the piezoelectric film 62.
An appropriate etching mask (not shown) is applied to the upper electrode 63 and the piezoelectric film 62 in accordance with the position where the pressure chamber 10 is to be formed, and is formed into a predetermined separated shape by using ion milling.

【0028】加圧室形成工程(同図(C)) 本工程はシリコン単結晶基板13に加圧室10を形成す
る工程である。加圧室が形成されるべき位置に合わせて
エッチングマスク(図示せず)を施し、平行平板型反応
性イオンエッチング等の活性気体を用いた乾式異方性エ
ッチングで加圧室10を形成する。エッチングされずに
残った部分は側壁11となる。
Pressurizing Chamber Forming Step (FIG. 2C) This step is a step of forming the pressurizing chamber 10 on the silicon single crystal substrate 13. An etching mask (not shown) is provided in accordance with the position where the pressure chamber is to be formed, and the pressure chamber 10 is formed by dry anisotropic etching using an active gas such as parallel plate reactive ion etching. The portion left without being etched becomes the side wall 11.

【0029】ノズルプレート接合工程(同図(D)) 本工程は加圧室基板にノズルプレートを接合する工程で
ある。エッチング後のシリコン単結晶基板13に樹脂等
を用いてノズルプレート2を接合する。このとき、各ノ
ズル21が加圧室10の各々の空間に対応して配置され
るよう位置合せする。ノズルプレート2を接合したシリ
コン単結晶基板13を基体3に取り付ければ、インクジ
ェット式記録ヘッドが完成する。
Nozzle Plate Joining Step (FIG. 2D) This step is a step of joining the nozzle plate to the pressurizing chamber substrate. The nozzle plate 2 is bonded to the etched silicon single crystal substrate 13 using a resin or the like. At this time, the nozzles 21 are aligned so as to be arranged corresponding to the respective spaces of the pressurizing chamber 10. When the silicon single crystal substrate 13 to which the nozzle plate 2 is bonded is attached to the base 3, an ink jet recording head is completed.

【0030】(変形例)バイメタル層の他の構成とし
て、第2の薄膜をイリジウム、銀、チタン、鉄、パラジ
ウム等の金属層とし、第1の薄膜をコーディエライト、
ジルコン、酸化錫等のセラミックス層とすることもでき
る。
(Modification) As another configuration of the bimetal layer, the second thin film is a metal layer of iridium, silver, titanium, iron, palladium or the like, and the first thin film is cordierite,
Ceramic layers such as zircon and tin oxide can also be used.

【0031】(作用)以上、説明したように、本実施の
形態によれば、振動板と圧電体薄膜素子の間にバイメタ
ル層を介在させたため、インクジェット式記録ヘッドの
製造時における膜内部に存在する残留応力による振動板
のたわみを解消することができる。これにより、圧電体
膜の引張り応力の緩和を防止でき、圧電体薄膜素子の圧
電特性の低下を防ぐことができる。従って、従来よりも
インクの吐出特性の向上を図ることができる。
(Operation) As described above, according to the present embodiment, since the bimetal layer is interposed between the diaphragm and the piezoelectric thin film element, the bimetal layer exists inside the film at the time of manufacturing the ink jet recording head. It is possible to eliminate the deflection of the diaphragm due to the residual stress. Thereby, the relaxation of the tensile stress of the piezoelectric film can be prevented, and the deterioration of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film element can be prevented. Accordingly, it is possible to improve the ink ejection characteristics as compared with the related art.

【0032】また、インク吐出待機時に振動板を、加圧
室を減圧する方向に変位させることで(図4(B))、
分極疲労を解消することができる。この結果、振動板の
実質的な変位量の減少に伴うインク吐出特性の低下を有
効に防ぐことができる。さらに、バイメタル層を発熱層
等で加熱する構成であるため、この熱が加圧室基板を通
じてインクに伝わり、インクの粘性が低下する。このた
め、極小のインク滴の吐出を実現することができる。従
って、高精細な印字や画質を可能にできる。
Further, by displacing the vibration plate in the direction of reducing the pressure in the pressurizing chamber at the time of standby for ink discharge (FIG. 4B),
Polarization fatigue can be eliminated. As a result, it is possible to effectively prevent a decrease in the ink ejection characteristics due to a substantial decrease in the amount of displacement of the diaphragm. Further, since the bimetal layer is heated by the heat generating layer or the like, the heat is transmitted to the ink through the pressurized chamber substrate, and the viscosity of the ink is reduced. For this reason, ejection of extremely small ink droplets can be realized. Accordingly, high-definition printing and image quality can be achieved.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明のインクジェット式記録ヘッドに
よれば、振動板と圧電体薄膜素子の間に、加圧室側に成
膜された第1の薄膜及び圧電体薄膜素子側に成膜された
第2の薄膜を積層し、第1の薄膜の線膨張係数をα1
第2薄膜の線膨張係数をα2とした場合、α1<α2の関
係を満たすように構成したため、これらの薄膜に熱を加
えることでインクジェット式記録ヘッド製造時における
振動板のたわみを解消することができる。従って、圧電
体膜の圧電特性の低下を防ぎ、インク吐出特性の向上を
図ることができる。
According to the ink jet recording head of the present invention, the first thin film formed on the pressurizing chamber side and the film formed on the piezoelectric thin film element are provided between the diaphragm and the piezoelectric thin film element. The second thin film is laminated, and the linear expansion coefficient of the first thin film is α 1 ,
When the linear expansion coefficient of the second thin film is α 2 , the configuration is such that the relationship α 12 is satisfied. By applying heat to these thin films, the deflection of the diaphragm during manufacture of the ink jet recording head is eliminated. can do. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film and improve the ink ejection characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のインクジェット式記録ヘッドの主要部
断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a main part of an ink jet recording head of the present invention.

【図2】本発明のインクジェット式記録ヘッドの主要部
の製造工程断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a main part of the ink jet recording head of the present invention.

【図3】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜
視図である。
FIG. 3 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of the present invention.

【図4】インクジェット式記録ヘッドの振動板のたわみ
の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of deflection of a diaphragm of the ink jet recording head.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 加圧室基板 2 ノズルプレート 3 基体 4 配線基板 10 加圧室 11 側壁 12 共通流路 13 シリコン単結晶基板 21 ノズル 50 バイメタル層 51 振動板 52 第1の薄膜 53 発熱層 54 第2の薄膜 60 圧電体薄膜素子 61 下部電極 62 圧電体膜 63 上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pressurization chamber substrate 2 Nozzle plate 3 Base 4 Wiring board 10 Pressurization chamber 11 Side wall 12 Common channel 13 Silicon single crystal substrate 21 Nozzle 50 Bimetal layer 51 Vibration plate 52 First thin film 53 Heat generation layer 54 Second thin film 60 Piezoelectric thin film element 61 Lower electrode 62 Piezoelectric film 63 Upper electrode

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 インクが充填される加圧室を備える加圧
室基板の少なくとも一方の面に、振動板を介して圧電体
薄膜素子を配置したインクジェット式記録ヘッドにおい
て、前記振動板と前記圧電体薄膜素子の間に線膨張係数
の異なる2層の薄膜を積層した、インクジェット式記録
ヘッド。
1. An ink jet recording head in which a piezoelectric thin-film element is arranged via a diaphragm on at least one surface of a pressure chamber substrate having a pressure chamber filled with ink. An ink jet recording head in which two thin films having different linear expansion coefficients are laminated between body thin film elements.
【請求項2】 前記2層の薄膜は、加圧室側に成膜され
た第1の薄膜と圧電体薄膜素子側に成膜された第2の薄
膜とから構成され、前記第1の薄膜の線膨張係数を
α1、前記第2の薄膜の線膨張係数をα2とすると、 α1<α2 の関係を満たす、請求項1に記載のインクジェット式記
録ヘッド。
2. The two-layered thin film is composed of a first thin film formed on a pressure chamber side and a second thin film formed on a piezoelectric thin film element side. linear expansion coefficient alpha 1 of the the linear expansion coefficient of the second thin film and alpha 2, satisfying the alpha 1 <alpha 2 relationship ink jet recording head according to claim 1.
【請求項3】 前記2層の薄膜は、前記第2の薄膜と前
記第1の薄膜の組み合わせが、Ni/W,Cu/W,C
r/W,Al/Cr,ガラス/W,Au/W,α−Al
23/W,TiO2/Wのうち何れかである、請求項1
又は請求項2に記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. The method according to claim 2, wherein the combination of the second thin film and the first thin film is Ni / W, Cu / W, C
r / W, Al / Cr, glass / W, Au / W, α-Al
2. The method according to claim 1, wherein the material is any one of 2 O 3 / W and TiO 2 / W.
Or the inkjet recording head according to claim 2.
【請求項4】 前記振動板と前記圧電体薄膜素子の間に
前記2層の薄膜を加熱するための薄膜を備えた、請求項
1乃至請求項3のうち何れか1項に記載のインクジェッ
ト式記録ヘッド。
4. The ink jet type according to claim 1, further comprising a thin film between said diaphragm and said piezoelectric thin film element for heating said two layers of thin films. Recording head.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006076180A (en) * 2004-09-10 2006-03-23 Ibiden Co Ltd Inkjet printer head
US7874652B2 (en) 2006-08-02 2011-01-25 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Liquid transporting apparatus and ink-jet printer

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